太陽能光伏建筑一體化及應用與發(fā)展前景

【摘 要】隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化進程和技術開發(fā)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化生態(tài)節(jié)能工程，其發(fā)展前景廣闊，市場潛力巨大，其效率、性價比隨著太陽能光伏技術日益發(fā)展將進一步得到提高，也將極大地推動中國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化的快速發(fā)展。

【關鍵詞】太陽能光伏；建筑一體化；設計；技術

一、建筑一體化

光伏建筑一體化是我們目前面臨的最棘手問題，也是最有實用意義的一個課題，如何將太陽能光伏發(fā)電陣列安裝在建筑的圍護結構外表，并提供發(fā)電功能，這樣可有效利用建筑外表，無需額外占用土地資源和建光伏支架等設施，也節(jié)約外飾材料（如玻璃幕墻等）；同時也使建筑物體夏季遮陽降溫，降低空調的負荷，光伏建筑一體化讓我們的建筑物體附有更多的功能作用。光伏與建筑的結合有兩種方式：一種是建筑與光伏系統(tǒng)相結合；另外一種是建筑與光伏器件相結合。

1、建筑與光伏系統(tǒng)相結合

利用屋頂資源裝置太陽能發(fā)電系統(tǒng)是光伏建筑一體化的很好結合，這使建筑體可以得到保溫，光伏設備也不占用土地資源，是目前我們大家廣泛推廣應用的，無論是斜面還是平面的屋頂，都已有很多的范例，這里我們不再贅述。

2、建筑與光伏器件相結合

建筑與光伏的進一步結合是將光伏器件與建筑材料集成化。自古以來，材料便被視為構筑建筑的工具與手段，現(xiàn)在以材料為表現(xiàn)元素表達設計師的審美情趣、文化內涵與環(huán)保理念更成為潮流與發(fā)展趨勢。BIPV組件兼具弱光性好、高溫性能好、顏色形狀可訂制、透光均勻、柔性可彎曲等優(yōu)勢，可作為完美的高科技建筑材料提供電力，更能滿足各類建筑美學需求，彰顯綠色建筑的環(huán)保理念。

3、建筑材料與光伏一體化單元的研究

以陶土材料為基板，作為光伏PV組件的底板，組成：發(fā)電瓷磚、發(fā)電屋瓦、發(fā)電幕墻單元材料，目前我們正與陶土研究行業(yè)加強合作，一起開發(fā)光伏產(chǎn)品，待樣品進一步成熟后推廣應用。

二、太陽能光伏系統(tǒng)建筑一體化優(yōu)勢

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化的方式各不相同，這取決于地理、文化及政府政策等。在國外，由于公共建筑的建造與設計程序嚴格，太陽能電池板系統(tǒng)在個人住宅與公寓建筑使用的較為普遍。而在我國，特別是城市建筑，由于建筑開發(fā)是商家或政府性行為，因此是否采用太陽能電池板系統(tǒng)完全取決于開發(fā)商或政府。在我國，日照充足的地區(qū)無論公共建筑還是住宅屋頂和墻面使用太陽能電池板系統(tǒng)的市場潛力十分巨大，從建筑結構、技術利用和經(jīng)濟效益來分析，太陽能電池板與建筑的一體化優(yōu)勢如下：

1、節(jié)約用地，便于安裝，保護環(huán)境

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝于建筑物的屋頂或外立面墻體上，無需額外占用土地或增建其他建筑設施，適用于人口比較密集的建筑群、辦公區(qū)使用，尤其適用于土地昂貴的城市。由于太陽能電池板的組件集成化，光伏設備安裝比較方便，而且可以根據(jù)負載的耗電量來選擇裝機容量。與此同時，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設備安裝在建筑物的屋頂或立面墻體結構上，太陽能轉換為電能可降低建筑物臨近室外區(qū)域的溫度，從而達到減少室內空調制冷用電負荷，既節(jié)約了能源，又保證了室內的空氣質量，同時也避免了由于使用傳統(tǒng)化石能源燃料發(fā)電所導致的環(huán)境污染。

2、減少投資，保證供應，實現(xiàn)安全用電

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝不受地域條件限制，可實現(xiàn)就地發(fā)電用電，因此可以大幅度減少電站及輸送電網(wǎng)的建設投資。建筑物實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)一體化，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力既可供給本建筑物使用，也可儲存于蓄電池或外送入電網(wǎng)。在自然條件差，負載可由蓄電池供電；在自然條件差較好，通常會出現(xiàn)電網(wǎng)用電高峰，以往需采取拉閘限電措施，但此時也正是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最多的時候。建筑一體化太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)除可保證建筑物負載用電外，還可以向外電網(wǎng)供電，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成特性可以節(jié)約儲存電力的費用，另外用電安全性能也得到提高，從而緩解夏季電力高峰需求壓力，從而徹底解決電量不夠的問題。

3、增效規(guī)模，降低成本

建筑一體化太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)面板代替建筑屋頂或立面墻面，可以節(jié)約大量的建筑成本。另外，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)面板在建筑用電地點發(fā)電，避免傳輸和分電損失（5%～10%），降低了電力傳輸、分配投資和維修費用。在建筑屋頂或立面結構上安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)設備，用太陽能電池板代替部分建筑材料，可以促進太陽能電池板工廠化規(guī)模生產(chǎn)，從而能進一步降低工程造價，有利于太陽能發(fā)電系統(tǒng)光伏產(chǎn)品的推廣與應用，市場潛力巨大。

三、光伏建筑系統(tǒng)的設計

1、設計原則

（1）建筑美學原則：BIPV是建筑物的一個組成本分，整個系統(tǒng)必須符合人們對建筑審美的要求；（2）建筑智能原則：BIPV系統(tǒng)必須同時滿足作為相應建筑物構件所承擔的保護、受力、隔熱、防水、采光、遮陽等建筑職能；（3）最大電量輸出原則：光電轉換是BIPV系統(tǒng)的另一個重要職能。設計者在保證BIPV系統(tǒng)實現(xiàn)其建筑屬性的同時，也要考慮如何實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電量輸出最大化；（4）BIPV系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護原則：BIPV系統(tǒng)在其設計的生命周期內需保證安全、穩(wěn)定的運行。

2、光伏建筑系統(tǒng)的設計

（1）當?shù)貧庀髤?shù)的收集。在BIPV設計過程中，地點、氣候、緯度、平均日照、平均溫度、降水量、濕度、浮塵量、風荷載和地質條件都會影響光伏建筑一體化的經(jīng)濟性。（2）因此在設計前，需要收集當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)資料。（3）負載情況分析。負載的計算是獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計的重要內容之一。（5）光伏板最佳傾斜角的設計。在光伏系統(tǒng)的設計中，光伏板的安裝形式和安裝角度對光伏板所能接收到的太陽輻射量以及光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電能力具有很大的影響。（6）光伏系統(tǒng)總功率的概算。在構成光伏陣列時，為了得到適合的輸出功率，必須把單個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來。根據(jù)負載用電量、電壓、功率、光照情況，確定光伏電池的總容量和光伏電池板的串、并聯(lián)數(shù)量。

四、光伏建筑關鍵技術

1、安裝位置

理論研究與實際運行顯示，屋頂是PV的最佳安裝點，其次是房屋的南立面。南立面的最優(yōu)發(fā)電時間是冬季，最差是夏季。東西立面的發(fā)電量只有屋頂?shù)?/3左右。光伏陣列的傾角和方位角對其性能也有重要的影響。角度設置主要取決于當?shù)氐木暥龋ㄓ袝r，安裝角度與當?shù)鼐暥炔⒉幌喾Q，需要測量決定）、斜面上的輻照強度和負載的用電需求。BIPV陣列的朝向和屋頂?shù)膬A斜度限制了其傾角和方位角。

2、遮擋因素

對于晶體硅光伏電池，很小的遮擋就會引起很大的功率損失，而遮擋對薄膜電池的影響小得多。建筑師設計PV系統(tǒng)時，一定要計算遮擋因素對輸出功率的影響，因為不同的遮擋方式可導致不同的功率輸出效果。建筑師需要精心設計PV組件的排布，一方面使PV建材的框形設計達到最優(yōu)，另一方面使環(huán)境建筑物對BIPV的影響降到最低。

3、通風設計

為了保證充電電壓，設計光伏發(fā)電系統(tǒng)時必須考慮各種因素引起的光伏電池方陣的電壓下降量，并據(jù)此確定光伏電池組件的串、并聯(lián)方式和方陣的排布形式。其中，導致電壓下降的首要因素是組件的溫升。

光伏電池組件接收太陽能后，其中一部分直接轉換為電能輸出，余下部分轉換為熱能向環(huán)境散出，因此電池組件開始工作后數(shù)分鐘內溫度升高，一般維持在50℃左右。在通風不良的情況下，光伏電池組件背面溫度可達80℃以上，直接影響了太陽電池的輸出電壓和轉換效率（溫度每升高1℃會使光伏電池的能量轉換效率降低0.5%左右）。因此，通風設計是BIPV中很重要的因素。通過對BIPV系統(tǒng)（包括光伏電池組件、枕木、角鋼、防雨保溫板等組成部分）合理的建筑設計和安裝方式，可以達到良好的通風、降溫效果。

結束語

我國BIPV市場潛力巨大，同時太陽能企業(yè)技術成熟、服務完善，大規(guī)模發(fā)展條件已經(jīng)具備，時機已經(jīng)成熟。統(tǒng)計顯示，未來五年僅中國市場城市建筑BIPV可應用面積將達17.9億平米，預計每年可發(fā)電約615億度，實現(xiàn)減排二氧化碳5200萬噸，相當于多種29億棵樹，減少1600萬輛汽車的尾氣排放，這將對改善我國能源消費結構、建設美麗中國具有積極意義。

參考文獻：

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