光伏建筑一體化技術(shù)在教學(xué)建筑中的應(yīng)用設(shè)計初探

李 芳 席 暉

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

0 引言

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重，能源危機(jī)不斷逼近的今天，如何能夠充分高效的利用清潔可再生能源成為了人們熱議的話題。而太陽能作為一種免費的，取之不盡、用之不竭的能源而受到極大的關(guān)注，必將成為未來的主要能源之一。光伏建筑一體化技術(shù)，是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念。在建筑用能已占全國總能耗30%～40%的今天，利用光伏建筑一體化技術(shù)為建筑提供清潔能源必將具有廣闊的發(fā)展前景。教學(xué)建筑作為量大面廣的公共建筑，在應(yīng)用光伏建筑一體化技術(shù)方面尤其獨特的優(yōu)勢，并且得到了國家政策支持，根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》，在《太陽能光電建筑應(yīng)用財政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》中明確提出優(yōu)先支持學(xué)校、醫(yī)院、政府機(jī)關(guān)等公共建筑應(yīng)用光電項目。

1 光伏建筑一體化技術(shù)簡介

1.1 分類

光伏建筑一體化就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。

1.1.1 根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：

①BAPV，即光伏方陣與建筑的結(jié)合。這種方式是將光伏方陣附著于建筑物的表面，建筑物僅作為載體起到支撐作用。

②BIPV，即光伏方陣與建筑的集成。這種方式是將光伏方陣作為一種建筑材料來使用，光伏方陣成為建筑物的不可分割的組成部分。

1.1.2 根據(jù)電力運行方式的不同可分為兩大類：

①獨立運行。獨立運行系統(tǒng)又分為直流負(fù)載獨立系統(tǒng)和交流負(fù)載獨立系統(tǒng)。獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲能裝置，主要用于無電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)和人口分散地區(qū)，整個系統(tǒng)造價高。

②并網(wǎng)運行。在有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

1.2 組成

一套基本的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣、電源轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)構(gòu)成。

①太陽能電池方陣，是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)施。

②電源轉(zhuǎn)換包括逆變器和蓄電池兩個部分。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的必不可少的設(shè)備，由于太陽能電池是直流電源，當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時，逆變器就發(fā)揮了其至關(guān)重要的作用。

③控制系統(tǒng)，主要為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，對整個系統(tǒng)實施過程控制的設(shè)備。

④儲能系統(tǒng)，主要為蓄電池組，是將太陽能光伏方陣發(fā)出直流電貯藏起來，供負(fù)載使用。

1.3 優(yōu)勢

①綠色能源。應(yīng)用太陽能發(fā)電不會污染環(huán)境，開發(fā)利用過程中不會產(chǎn)生任何生態(tài)方面的副作用。同時它又是一種可再生能源。

②不占用土地。光伏組件可以有效的利用建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)表面，不需額外占用土地或增建其他設(shè)施。

③調(diào)節(jié)室內(nèi)物理環(huán)境。由于光伏方陣安裝在屋頂和墻壁等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，吸收太陽能，轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，既節(jié)省了能源，又利于保證室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

2 教學(xué)類建筑的使用特點

2.1 數(shù)量及分布特點

教學(xué)類建筑包括中小學(xué)教學(xué)樓，大中專院校教學(xué)，教輔，實驗等教學(xué)用房。由于我國實行九年制義務(wù)教育，且我國人口眾多，因此教學(xué)建筑在全國的分布非常廣泛，且數(shù)量眾多。

2.2 使用時間特點

我國的各級教學(xué)機(jī)構(gòu)基本實行雙休日及寒暑假制度，一年中有三個月的集中放假時間，且有50～52個雙休日。大部分教學(xué)建筑的使用時間為早七點到晚二十三點之間，中小學(xué)校則更短些，一般為早七點到晚十九點，其他時間基本無能耗的要求。

2.3 結(jié)構(gòu)特點

教學(xué)類建筑一般多為90～120平方米的大空間，并且要求比較高的采光條件，多數(shù)教學(xué)類建筑會采用空間更為靈活的框架結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的墻體部分相對來說更加靈活自由。

2.4 環(huán)境特點

通常教學(xué)類建筑會有比較寬闊的校園環(huán)境作為其外部空間，一般教學(xué)樓都能夠做到四面臨空，且長邊間距大于25米。

綜合以上的教學(xué)類建筑的特點，可以看到在教學(xué)建筑中應(yīng)用光伏建筑一體化技術(shù)，有其特有的優(yōu)勢，是具有廣闊發(fā)展前景的。

3 在教學(xué)類建筑中應(yīng)用光伏建筑一體化技術(shù)的策略研究

3.1 太陽能資源分布分析

我國幅員遼闊，太陽能資源較為豐富，但也存在著分布不均的情況，從表1可以看到，從接受太陽能輻射量的大小方面考慮，我國大致可以分為五個區(qū)，以一類地區(qū)年輻射總量最大，五類地區(qū)年輻射總量最小?？傮w看來我國大部分地區(qū)的太陽能資源較為的豐富，適宜于應(yīng)用光伏建筑一體化技術(shù)作為解決建筑能耗的主要手段。少數(shù)太陽能資源略微匱乏的地區(qū)也可將光伏建筑一體化技術(shù)作為一項輔助手段解決部分能耗的來源問題。

3.2 根據(jù)建筑所在地區(qū)采用不同技術(shù)

建筑所處地區(qū)若是太陽能資源豐沛的偏遠(yuǎn)的山區(qū)或農(nóng)村，在利用光伏建筑一體化技術(shù)時，首先應(yīng)采用離網(wǎng)光電蓄電系統(tǒng)（如圖1所示）。該系統(tǒng)是一種常見的太陽能發(fā)電應(yīng)用方式，由光伏組件，控制器，蓄電池組和逆變器組成，系統(tǒng)簡單，適應(yīng)性廣。

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其優(yōu)勢在于不受地域限制，分散建設(shè)，就地發(fā)電，不需要架設(shè)遠(yuǎn)距離輸電線路，安裝簡單方便，建設(shè)周期短。其次在光伏組件與建筑的組合上應(yīng)采用BAPV方式，即光伏方陣與建筑相結(jié)合的方式。該方式對光伏方陣的力學(xué)性能要求較低，造價相對便宜。例如可以在屋頂及墻壁上安裝光伏方陣，其蓄電池組的蓄電能力應(yīng)較大，體積也可略大，由于偏遠(yuǎn)山區(qū)或農(nóng)村的建筑密度較低，更有利于太陽能的收集和儲存。

若建筑所處為建筑密度較高的城市，則首先采用并網(wǎng)光電蓄電系統(tǒng)，即將光伏陣列產(chǎn)生的能源不經(jīng)過蓄電池儲能，通過并網(wǎng)逆變器直接反向進(jìn)入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于降低了能量損耗及系統(tǒng)成本，對公共電網(wǎng)起到調(diào)峰作用，并且擴(kuò)展了使用的范圍。其次在光伏組件與建筑的結(jié)合方面應(yīng)采用BIPV方式，即光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑的不可或缺的組成部分。其優(yōu)勢在于光伏組件與建筑的結(jié)合更緊密，占用空間小，更符合建筑的美觀要求。

3.3 根據(jù)建筑建設(shè)情況采用不同手段

對于既有的教學(xué)類建筑，可以利用現(xiàn)有的建筑屋頂、雨蓬、墻面加裝光伏方陣，并根據(jù)具體情況確定采用離網(wǎng)或并網(wǎng)光電蓄電系統(tǒng)。

對于新建的教學(xué)類建筑，則應(yīng)從規(guī)劃及建筑設(shè)計階段就將應(yīng)用光伏建筑組件作為其重要的組成部分加以考慮。首先，在進(jìn)行校園規(guī)劃時，應(yīng)考慮建筑的朝向以及樓間距等問題，盡可能爭取南向，西南向，東南向等有利于利用太陽能的朝向范圍，樓間距在考慮學(xué)校建筑設(shè)計規(guī)范中長邊間距25米的最小要求之外，尚應(yīng)滿足朝陽面盡可能長的日照時間。在規(guī)劃中建筑群體的不同方位、體形、間距、高低及道路網(wǎng)的布置，廣場綠地的分布等都會影響規(guī)劃區(qū)的微氣候，影響建筑的日照和通風(fēng)，影響到建筑的能耗。為合理的規(guī)劃小區(qū)，確保每棟建筑的有效日照和最大的接收，太陽能可利用“太陽圍合體”對建筑形態(tài)進(jìn)行控制。“太陽圍合體”方法是針對特定的區(qū)域空間，通過調(diào)整圍合建筑的法線方向，使建筑在不遮擋臨近建筑物日照的情況下達(dá)到最大的體積容量。其次，在建筑單體設(shè)計方面，除考慮建筑物的美觀外，應(yīng)將太陽能光伏組件與建筑構(gòu)件有機(jī)集成，充分利用建筑的外墻、窗戶及幕墻、屋頂、中庭、雨蓬、陽臺、遮陽板等構(gòu)件，形成全方位的太陽能光伏方陣。

3.4 根據(jù)太陽能分布情況采用不同材料

從表一可以看到，我國的太陽能資源分布并不均勻，一、二、三類地區(qū)太陽能資源較為豐富，四、五類地區(qū)太陽能資源較差。根據(jù)地區(qū)間的太陽能資源的分布差異，可采用不同的太陽能電池技術(shù)。在太陽能資源豐沛的地區(qū)，可采用晶硅類電池，其又可分為單晶硅和多晶硅電池組件兩種。晶硅類電池具有制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉(zhuǎn)化效率相對較高的特點。在太陽能資源相對匱乏的地區(qū)，則可采用非晶硅薄膜太陽能電池，其具有較好的弱光效應(yīng)，成本相對于晶硅類太陽能電池低。但由于其原材料的稀缺性及毒性，其規(guī)?；a(chǎn)有一定限制。

4 目前的局限

盡管光伏建筑一體化技術(shù)有清潔、環(huán)保、低碳等優(yōu)勢，但也存在一些問題限制了它的發(fā)展。如造價高，一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)無力使用；太陽能發(fā)電的電價成本較高，近年來雖已進(jìn)入1元時代，但與電網(wǎng)電價相比，還是高了近一倍；太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定，受天氣影響大，有波動性等。但我們相信隨著科技的進(jìn)步，國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些問題必將得到解決。

5 結(jié)語

光伏建筑一體化技術(shù)是利用太陽能的清潔，高效的新技術(shù)，其與教學(xué)建筑的結(jié)合將大幅度降低傳統(tǒng)能源的消耗，具有廣闊的發(fā)展前景，必將成為21世紀(jì)的主流節(jié)能方式。

[1]宣曉東.太陽能光伏技術(shù)與建筑一體化初探.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007年

[2]李芳.節(jié)能構(gòu)件與建筑立面一體化設(shè)計研究.同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007年

[3]褚玉芳.建筑節(jié)能催生光伏建筑一體化.工業(yè)建筑.2008,38卷6期，p13～15

[4]光電建筑應(yīng)用委員會網(wǎng)站

[5]智能與綠色建筑文集.中國建筑工業(yè)出版社.2006.3，p649