基于光伏技術(shù)的太陽能建筑設(shè)計

張經(jīng)緯

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津300401)

基于光伏技術(shù)的太陽能建筑設(shè)計

張經(jīng)緯

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津300401)

闡述了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)原理，針對光伏設(shè)備和建筑結(jié)合途徑進(jìn)行了探討，總結(jié)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有效結(jié)合的兩種形式，分析了其構(gòu)成特點(diǎn)和產(chǎn)生的效益。

太陽能光伏技術(shù);光伏屋頂;光伏幕墻;光伏遮陽

建筑節(jié)能是近年來建筑發(fā)展的基本趨勢，是通過“技術(shù)性思維”來改變傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，在建筑中體現(xiàn)“技術(shù)美”的魅力，以高智能、低能耗、可循環(huán)性和自我調(diào)節(jié)性的設(shè)計理念創(chuàng)造了一個新的設(shè)計系統(tǒng)。節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上降低了對傳統(tǒng)能源的依賴，將新型能源開發(fā)放到了首要位置，這其中就包括太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能在未來人類能源中具有最重要的戰(zhàn)略地位。到21世紀(jì)未可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重達(dá)到86%，太陽能達(dá)到66%，其中太陽能發(fā)電達(dá)63%。太陽能光伏技術(shù)與建筑相結(jié)合，將建筑由單純電力消耗者變成能源的生產(chǎn)者。特別是并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使光伏建筑擺脫了蓄電池，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定不間斷供電。

1　光伏技術(shù)的應(yīng)用

光伏(PV or photovoltaic)是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(photovoltaic power system)的簡稱。光轉(zhuǎn)變成電的光生伏特稱之為光伏。在光照條件下，通過利用硅等半導(dǎo)體材料所制成的太陽能電池，在材料兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象叫做光伏效應(yīng)。一個太陽能電池就是一個小型發(fā)電機(jī)。為了增大功率輸出，若干個太陽能電池連接起來，裝配成一大塊太陽能電池板，簡稱光伏板。它的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，無污染排放，環(huán)保無公害，能源效率較高。要想提高發(fā)電效率，光伏板需要較大的受光面積以保證光照的充足，而建筑物具有表面積大的特點(diǎn)，因而將光伏發(fā)電技術(shù)與建筑有效結(jié)合－光伏建筑一體化，不僅不會占用額外的地面空間，而且還可以縮短供電距離，較少電能損耗，在城市發(fā)展建設(shè)中被廣泛使用。

2　光伏技術(shù)與建筑結(jié)合途徑

將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑有機(jī)結(jié)合在一起，簡而言之就是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面安裝光伏發(fā)電板來實(shí)現(xiàn)利用建筑空間的同時，有效利用建筑外表面、無需額外占地或者加建其他設(shè)施、節(jié)約裝飾材料、外觀更有魅力、緩解電力需求、降低夏季空調(diào)負(fù)荷、改善室內(nèi)熱環(huán)境等［1］。一類是常用的形式，就是光伏發(fā)電方陣與建筑的結(jié)合，特別是將光伏發(fā)電方陣安裝在建筑屋面。另一類是光伏發(fā)電方陣與建筑材料的有效集成。如光電幕墻和光電采光頂?shù)?。光伏發(fā)電方陣與建筑材料的有效集成是光伏建筑一體化的高級形式之一，該組合方式對光伏發(fā)電組件有較高的要求。光伏發(fā)電組件要同時滿足光伏發(fā)電和建筑材料的基本功能兩項(xiàng)要求。

2．1光伏組件與建筑的結(jié)合

這種方式的光伏組件和建筑相互獨(dú)立，建筑構(gòu)造作為設(shè)備固定的基礎(chǔ)面，用支架的方式架設(shè)或以其他構(gòu)造方式鋪設(shè)在屋頂構(gòu)造層之上［2］。這樣使得光伏組件與屋頂結(jié)構(gòu)層完全隔離，各個部分功能相對獨(dú)立，因此這種模式的光伏屋頂從構(gòu)造角度上而言比較簡單，同時也可以通過改變支架的角度來適應(yīng)不同的屋面角度與屋頂形式。

整個系統(tǒng)由光伏板、光伏板與屋頂間的氣流流道、固定支架、空氣入口、空氣出口、負(fù)載部分，還帶有蓄電池、逆變器及有利于系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)的復(fù)雜裝置。系統(tǒng)安裝通常是在建筑屋頂上預(yù)埋固定件如螺栓，并以此來固定支架的位置。支架布置的自由度較大，光伏板可以通過調(diào)整傾斜角度、光伏構(gòu)件之間的間距，光伏構(gòu)件與建筑自身構(gòu)件的位置以此避免陰影，達(dá)到最大效率的發(fā)電(見圖1)。氣流流道是整個系統(tǒng)不可缺少的，良好的空氣冷卻是保證光伏發(fā)電高效率的有效途徑。在安裝時需要在支架與屋頂之間隔離預(yù)留一定的距離，以保證良好的空氣流動，從而降低光伏組件的工作溫度。從圖2中可以看出光伏屋面冷負(fù)荷降低了60%左右。

2．2光伏組件與建筑的集成

1)光伏雙層幕墻

建筑幕墻是建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，是建筑室內(nèi)與室外的屏障，其保溫性能的好壞，是整個建筑物節(jié)能與否的關(guān)鍵。光伏組件與建筑集成主要是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用新型幕墻結(jié)構(gòu)——光伏幕墻結(jié)構(gòu)形式，該幕墻結(jié)構(gòu)形式分為外層和內(nèi)層兩部分，外層一般采用點(diǎn)支式、明框式或隱框式三種玻璃幕墻，內(nèi)層則一般采用明框或隱框兩種玻璃幕墻，在內(nèi)外兩層玻璃幕墻之間，放置多晶硅電池片。光伏玻璃幕墻的玻璃采用雙層鋼化玻璃合片制作而成，前后玻璃之間形成了空氣隔離層，對室內(nèi)起到隔熱保溫的效果，多晶硅電池片有間隔地傾斜安裝在兩片玻璃之間，使其呈現(xiàn)呈百葉狀(見圖3)，玻璃的采光度由多晶硅電池片的排列間隙來控制［4］。百葉的傾斜角度需要考慮入射光線的方向、強(qiáng)度以及當(dāng)?shù)氐木暥?。光伏幕墻的?jié)能效果以一座7 000 m2的四層辦公建筑為例，建筑的南立面為810 m2光伏玻璃幕墻，其中25%左右的面積配置了光伏電池，年發(fā)電量為35 000 kWh，滿足建筑5%左右的用電量。

2)光伏遮陽構(gòu)件

在建筑上需要遮陽的地方一定是受陽光照射最強(qiáng)烈的部位，也是太陽能光伏構(gòu)件安裝的合適位置。將光伏構(gòu)件用于遮陽系統(tǒng)將很好的發(fā)揮遮陽、發(fā)電兩方面的作用。光伏遮陽系統(tǒng)通常用于建筑外遮陽，因?yàn)橥庹陉栁仗栞椛漭^為充分，可以產(chǎn)生更多的電能，同時利用室外空氣可以對光伏構(gòu)件進(jìn)行冷卻，提高光伏構(gòu)件的發(fā)電效率。水平遮陽系統(tǒng)把光伏電池板放置在遮陽板之上，垂直遮陽系統(tǒng)做成豎向光伏構(gòu)件。圖4建筑使用半透明光伏板作為豎向遮陽板，這種光伏板通常由兩層高透明的玻璃將光伏電池鑲嵌在兩層玻璃之間，電池之間用透明的樹脂填充，這種結(jié)構(gòu)的光伏板可以讓自然光線通過電池空隙進(jìn)入室內(nèi)，達(dá)到自然采光的目的。

部分電池也能夠吸收太陽輻照降低窗戶的得熱。以周長為200 m，25層建筑為例，每層合理設(shè)置水平、豎直光伏遮陽板，遮陽板面積之和可達(dá)屋面面積7～9倍，發(fā)電效率較高。

3　光伏技術(shù)與建筑結(jié)合節(jié)能減排效果分析

對已竣工建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能效果評估所采用的指標(biāo)有EPT(Energy Payback Time能量回收期)和CO2減排量。EPT是指光伏發(fā)電設(shè)備在使用年限內(nèi)所消耗的能量與該系統(tǒng)的年平均能量輸出的比值(單位:a)，也就是光伏發(fā)電設(shè)備在幾年內(nèi)能補(bǔ)償本身消耗的能量。使用EPT作為評價指標(biāo)時，按照目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的平均使用年限為30 a計算，屋面太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能量回收期為19～40個月，光伏幕墻能量回收期為32～56個月;在減排方面，1 kW光伏幕墻系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)能夠降低23．5 t二氧化碳排放量，而屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)減少了40 t二氧化碳排放量［5］。以上數(shù)據(jù)說明光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用達(dá)到了節(jié)能減排的要求。

4　結(jié)論

光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用探討，為建筑節(jié)能設(shè)計的發(fā)展提供了參考依據(jù)。這兩者的結(jié)合不僅達(dá)到了節(jié)能要求，還為建筑的室內(nèi)外創(chuàng)造了獨(dú)特設(shè)計效果。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，其能量回收期會逐漸縮短，減排量也會增加，在建筑中的應(yīng)用更加廣泛。

［1］張彧，李小燕．德國太陽能光伏建筑的發(fā)展及應(yīng)用［J］．世界建筑，2010(10):128-131．

［2］鄭存耀．太陽能利用技術(shù)與屋頂設(shè)計一體化應(yīng)用研究［D］．天津:河北工業(yè)大學(xué)，2007．

［3］楊洪興，周偉．太陽能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［4］何韶瑤，初祎君，李水生，等．太陽能光伏玻璃幕墻技術(shù)研究及應(yīng)用實(shí)踐－以長沙中建大廈為例［J］．建筑學(xué)報，2009(02):102-103．

［5］IEA PVPS Programme．Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electricity in OECD Cities［OB/EL］．http://www．iea-pvps．org，2006-05-20．

Solar Energy Building Based on Solar Photovoltaic Technology

ZHANG Jing-wei

(School of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

The paper describes the principle of solar photovoltaic technology，discusses the way of photovoltaic equipment and building integration，summarizes an effective combination summary of building structure and solar photovoltaic system，and analyzes its features and benefits．

solar photovoltaic technology;photovoltaic roof;photovoltaic wall;photovoltaic sun-shade

TU18

A

1008-9446(2015)01-0054-04

2014-10-09

張經(jīng)緯(1992－)，男，河北灤南人，河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院建筑學(xué)111班學(xué)生，主要從事建筑學(xué)方面的研究工作。