太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)探討

摘要：太陽(yáng)能作為一種無(wú)處不在、取之不盡、用之不竭、潔凈且無(wú)污染的能源正日益受到人們的重視;它的廣泛應(yīng)用與推廣對(duì)于節(jié)約不可再生的礦物能源、保護(hù)環(huán)境、改善人類生存空間、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展等具有重要的意義。當(dāng)代世界太陽(yáng)能科技發(fā)展有兩大基本趨勢(shì)：一是光電與光熱結(jié)合;二是太陽(yáng)能與建筑的結(jié)合。太陽(yáng)能是未來(lái)人類最適合、最安全、最理想的替代能源。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能與建筑一體化在實(shí)際工程中應(yīng)用的討論與分析，為推廣與實(shí)踐太陽(yáng)能與建筑一體化技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;照明;太陽(yáng)能與建筑一體化

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口不斷增長(zhǎng)，建筑能耗在社會(huì)能源總消費(fèi)量中所占的比例逐年上升，能源已經(jīng)成為全球的熱點(diǎn)、焦點(diǎn)問(wèn)題。世界各國(guó)都面臨著資源和環(huán)保的雙重壓力，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展遭遇了空前的挑戰(zhàn)。能源的緊缺提出了對(duì)可再生能源的需求，而太陽(yáng)能作為一種可以在任何太陽(yáng)存在的地方都可以使用的能源受到廣泛的關(guān)注，它的使用已經(jīng)從最初在邊遠(yuǎn)地區(qū)和缺電地區(qū)的使用，逐漸的轉(zhuǎn)移到發(fā)達(dá)國(guó)家城市的使用;從簡(jiǎn)單的使用和安裝太陽(yáng)電池板，到現(xiàn)在能夠把太陽(yáng)電池板和建筑進(jìn)行比較好的結(jié)合，使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電得到更廣闊的發(fā)展空間。如何降低我國(guó)建筑耗能已經(jīng)是提升到影響國(guó)家能源安全和迫切需要解決的問(wèn)題，建筑中充分利用太陽(yáng)能是降低我國(guó)建筑耗能的一個(gè)有效途徑。

1太陽(yáng)能光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化的優(yōu)點(diǎn)

從建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)一般安裝在閑置的屋頂或外墻面上，無(wú)需額外用地或增建其他設(shè)施，適合于人口密集的住宅小區(qū)使用，這對(duì)于寸土寸金的大中城市中的建筑尤顯重要。

1.2 可實(shí)現(xiàn)原地發(fā)電、原地用電，在一定的距離之內(nèi)可以節(jié)省電站輸送電網(wǎng)的設(shè)施投資;對(duì)于聯(lián)網(wǎng)用戶系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光伏供電系統(tǒng)所發(fā)電力既可供給本建筑物負(fù)載使用，也可將富余電力送入電網(wǎng)。在陰雨天、夜晚或光強(qiáng)度較弱的季節(jié)，建筑物所需負(fù)載可以由外電網(wǎng)供電。由于有光伏發(fā)電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)共同負(fù)載供應(yīng)電力，增加了供電的可靠性和安全性。

1.3 夏季是日照旺季，由于大量制冷設(shè)備的使用，使電網(wǎng)成為用電高峰，常出現(xiàn)某些地區(qū)限電拉閘現(xiàn)象，而此時(shí)也是光優(yōu)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最多的時(shí)候，光優(yōu)建筑一體化系統(tǒng)除了保證自身建筑用電外，還可以向外電網(wǎng)供電，從而可大大緩解高峰期電力需求的緊張狀態(tài)。

1.4 電于光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在屋頂、外墻壁等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，吸收了太陽(yáng)能又把它轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合氣溫，減少了墻體受熱和室內(nèi)空調(diào)機(jī)的負(fù)荷，既節(jié)約了能源，又利于確保室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

1.5 可以杜絕由于采用煤炭等化石燃料發(fā)電而導(dǎo)致的廢氣、廢渣對(duì)大自然環(huán)境的嚴(yán)重污染，這也正是當(dāng)前在世界范圍內(nèi)大力倡導(dǎo)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)所尋求的重要途徑之一。

1.6 在建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以促進(jìn)伏部件的大規(guī)模生產(chǎn)，從而可以進(jìn)一步降低光伏部件的市場(chǎng)價(jià)格，這對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣使用有著重要的推動(dòng)作用。

當(dāng)今社會(huì)，光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化研究已成為 21 世紀(jì)重要的研究課題。由于建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，牽涉面廣，如果將新型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)融入到建筑設(shè)計(jì)中，同時(shí)還應(yīng)保持建筑的固有功能特征和文化內(nèi)涵，就應(yīng)該從建筑技術(shù)和建筑美學(xué)兩方面入手，使建筑設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能技術(shù)有機(jī)會(huì)結(jié)合，并由此而產(chǎn)生“一體化設(shè)計(jì)”新概念。所謂“一體化設(shè)計(jì)”是指在建筑規(guī)劃和設(shè)計(jì)之初，就將太陽(yáng)能利用納入設(shè)計(jì)內(nèi)容之中，使之成為建筑物的一個(gè)有機(jī)組成部分，統(tǒng)一 設(shè)計(jì)、精心施工和調(diào)試。

2 太陽(yáng)能光電系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀

太陽(yáng)能的利用，可分為太陽(yáng)能熱能和太陽(yáng)光電兩方面。本文所討論的內(nèi)容為后者，即光-電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能光電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)利用了物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行發(fā)電。我國(guó)，乃至全世界，正大力發(fā)展太陽(yáng)能這種潔凈能源，但在發(fā)展太陽(yáng)能這條路上面臨著三大困難：

（1）轉(zhuǎn)換率低。

（2）電池、組件和輔助設(shè)備的成本及安裝費(fèi)、維護(hù)費(fèi)過(guò)高。

（3）發(fā)電成本高。

3光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化的組織形式

光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化有兩種方式：一種是建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合;另一種是建筑與光伏器件相結(jié)合。

3.1 建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合

就是把組裝好的光伏組件（平板或曲面板）安裝在住宅樓或高層建筑的屋頂（或外墻面）上，再與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載等裝置相聯(lián)。這種做法質(zhì)量要求和技術(shù)含量較高，且成本也較高，普遍推廣受一定限制。

3.2 建筑與光伏器件相結(jié)合

建筑與光伏系統(tǒng)的進(jìn)一步結(jié)合是將光伏器件與建筑材料集成化;由于一般建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面通常采用外墻涂料、幕墻或各式外墻面磚，目的是保護(hù)結(jié)構(gòu)主體和裝飾建筑外表。如果將光伏器件代替部分建筑材料，做成像外墻面磚、幕墻玻璃等樣子來(lái)“裝飾”建筑物的屋頂、外墻、門窗和遮陽(yáng)設(shè)施，這樣，既可當(dāng)作保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和裝飾建筑外表的裝飾材料，又可用來(lái)發(fā)電，供建筑物內(nèi)部照明等設(shè)施和冬季采暖、夏季制冷所需之電力，可謂一舉多得。

但是，要把光伏器件當(dāng)作建材來(lái)使用，必須具備建材所要求的幾項(xiàng)基本條件：堅(jiān)固耐用、保溫隔熱、防水防潮，具有一定的強(qiáng)度和剛度等。

1）光伏器件用作屋頂材料

建筑物的屋企頂用作太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的一種部分有其特有的優(yōu)勢(shì)：日照條件好，基本上不容易被它物遮擋，可以充分接受太陽(yáng)光的輻射，且光伏器件組成系統(tǒng)后可以緊貼屋面結(jié)構(gòu)安裝，減少了自然界風(fēng)力對(duì)其的不利影響;太陽(yáng)能電池組件替代屋面保溫隔熱層來(lái)保護(hù)屋面不受嚴(yán)寒酷暑侵襲，不但節(jié)約了建筑成本，就是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)本身，其單位面積的價(jià)格也可大大降低;用太陽(yáng)能光伏器件代替建筑屋頂材料，使其適用范圍不再局限于平屋面，坡屋面、弧形或球形屋面也同樣可以采用。與屋面結(jié)合為一體的另一種光伏發(fā)電系統(tǒng)是：采用太陽(yáng)能瓦代替普通瓦。太陽(yáng)能是太陽(yáng)能光電池與屋頂瓦結(jié)合成一體化的產(chǎn)品;這種材料的特點(diǎn)在于使太陽(yáng)能光伏器件與建筑實(shí)現(xiàn)真正意義上的一體化，即把太陽(yáng)能光電瓦像普通瓦一樣攤鋪在屋面上，不需要另外安裝什么支架，只需把太陽(yáng)能瓦拼縫部位處理得不透風(fēng)、不漏水即可。

2）光伏器件與外墻面相結(jié)合

對(duì)多層、小高屋和高層建筑來(lái)說(shuō)，朝陽(yáng)外墻面是受太陽(yáng)光照射最大的外表面;為了有效利用墻面收集太陽(yáng)能，可以采用多種墻體材料和構(gòu)造做法，包括與太陽(yáng)能電池板一體化的玻璃幕墻、透明絕熱材料以及附著于外墻面的集熱器等等，既節(jié)能環(huán)保，又使建筑立面設(shè)計(jì)多樣化。

3）光伏器件與外墻窗、遮陽(yáng)板及其它建筑構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)

光伏器件要與外墻窗或天窗相結(jié)合，只需做到該器件既能吸收光能后發(fā)電，又能透光即可;而與遮陽(yáng)板結(jié)合，則可使光電板通過(guò)光控裝置隨陽(yáng)光照射方向作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)就能做到既遮陽(yáng)又發(fā)電了;光伏器件還可與小區(qū)內(nèi)景觀小品，如路燈、圍欄、涼亭等組合成一體化設(shè)計(jì)，白天吸收光能并轉(zhuǎn)換成電能予以儲(chǔ)存，夜晚釋放電能使路燈、彩燈、節(jié)日燈大放異彩。

4 結(jié)論

“太陽(yáng)能與建筑一體化”是我國(guó)建筑節(jié)能及太陽(yáng)能光能利用領(lǐng)域目前亟待突破的技術(shù)難題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮各種因素，做到與建筑物的完美結(jié)合。隨著第三代太陽(yáng)能電池的發(fā)展，即有機(jī)物、生物太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)，太陽(yáng)能光電將成為一個(gè)更貼近于人們的生活、綜合性非常強(qiáng)的交叉學(xué)科。

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