光伏建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用研究

劉奉軍（上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海　200941）

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光伏建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用研究

劉奉軍
（上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海200941）

【摘 要】隨著能源緊張局面的不斷加劇，各個(gè)國(guó)家都開始了新能源、可再生能源的深入研究。光伏建筑一體化技術(shù)（BIPV），是當(dāng)前的重點(diǎn)內(nèi)容。文章先對(duì)光伏系統(tǒng)原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，然后對(duì)光伏建筑一體化對(duì)光伏方陣、光伏組件的要求進(jìn)行探討，之后進(jìn)行了光伏建筑一體化設(shè)計(jì)的分析，最后利用實(shí)例分析對(duì)光伏建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行論證。

【關(guān)鍵詞】光伏一體化建筑應(yīng)用

人口的加劇和經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，在很大程度上促使能源的消耗過渡，當(dāng)前可利用的能源并不多。想要獲得長(zhǎng)久的生存和發(fā)展，就必須研究一系列的能源再生技術(shù)，或者是能源的節(jié)省應(yīng)用技術(shù)。經(jīng)過多方面的探討和分析，認(rèn)為光伏建筑一體化技術(shù)，能夠在當(dāng)前滿足社會(huì)上的需求，且在未來擁有很大的提升空間，能夠在客觀上實(shí)現(xiàn)能源的持續(xù)利用。針對(duì)光伏建筑一體化技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐和理論研究，能夠與當(dāng)前客觀實(shí)際相結(jié)合，從而制定出合理的發(fā)展方案，確保最終的成果是符合需求的。

1　光伏系統(tǒng)原理

與一般的技術(shù)有所不同，光伏建筑一體化技術(shù)的核心是“光伏系統(tǒng)”，該系統(tǒng)能夠?qū)⒖稍偕茉础柟猓M(jìn)行充分的利用和加工，從而提供較多的能源轉(zhuǎn)換和供應(yīng)。光伏系統(tǒng)的研究，經(jīng)過了漫長(zhǎng)的考驗(yàn)和分析，僅僅在資料搜集和處理上，經(jīng)歷了數(shù)年才得以完成。通過對(duì)光伏系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，能夠找出光伏建筑一體化技術(shù)的關(guān)鍵所在，并且以原理來指導(dǎo)具體的技術(shù)手段和操作方法，從而在客觀上取得突出的技術(shù)成就。

1.1光伏電池

可再生能源的一大特點(diǎn)在于，雖然含有的資源量比較龐大，但在利用上卻非常的困難，特別是在能源的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換方面，并不容易有效的處理。研究光伏系統(tǒng)原理時(shí)，發(fā)現(xiàn)光伏電池有很大的積極作用。光伏電池是一種特殊的“轉(zhuǎn)換器”，其能夠?qū)⑻柲?，合理的轉(zhuǎn)化為電能。該設(shè)備的發(fā)電原理，主要是“光生伏打效應(yīng)”。太陽光在照射到光伏電池上時(shí)，電池能夠?qū)⑻柟獾哪芰窟M(jìn)行充分吸收，自身會(huì)產(chǎn)生光生電子，即學(xué)術(shù)上的“空穴對(duì)”，在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子、空穴會(huì)被分離形成電壓，從而產(chǎn)生想要的電能。光伏電池在存儲(chǔ)能源、轉(zhuǎn)換能源方面，與客觀上的需求是比較符合的，因此在可行性方面值得肯定。

1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏建筑一體化技術(shù)在研究的過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有非常重要的作用。從原理的角度來分析，光伏電池的作用雖然突出，但光伏發(fā)電系統(tǒng)則是具體運(yùn)作的媒介，缺乏媒介的作用，太陽能即便轉(zhuǎn)化為電能，依然無法實(shí)現(xiàn)充分的利用，屆時(shí)所造成的浪費(fèi)將會(huì)非常嚴(yán)重。太陽能電池單體，作為光伏轉(zhuǎn)換的最小單元，工作過程中的電壓徘徊在0.45V--0.5V之間，在多數(shù)情況下，其不能作為單獨(dú)的電源進(jìn)行使用。為此，需要針對(duì)太陽能電池單體進(jìn)行有效的處理，光伏建筑一體化技術(shù)的處理方法為，將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)的處理，同時(shí)在封裝完成后，就可以形成單獨(dú)電源的獨(dú)立組件，該組件被稱之為光伏組件。另一方面，想要充分的滿足負(fù)載的輸出功率，還要將光伏組件進(jìn)行再一次的串并聯(lián)，由此來形成具有較高輸出功率的光伏方陣、太陽能陣列，如圖1所示。

圖1　太陽能光伏電池片、組件、方陣示意圖

2　光伏建筑一體化對(duì)光伏方陣、光伏組件的要求

2.1影響光伏發(fā)電的因素

光伏發(fā)電與一般的發(fā)電方式不同，其主要是利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，從而滿足日常的電力需求。影響光伏發(fā)電的因素，主要包括兩個(gè)方面：第一，光伏組件可能接受到的太陽能。現(xiàn)階段的光伏組件類型較多，由于各地區(qū)的太陽能分布情況不均勻，因此在光伏組件的選擇上要保持因地制宜，否則很難確保最終的發(fā)電效果。第二，光伏組件本身的性能。太陽能是一種可再生能源，除了要考慮到天氣因素的影響，還必須照顧到光伏組件本身的性能。有些光伏組件性能較強(qiáng)，即便是在很少的陽光下，也可以吸收較多的太陽能，其在能源轉(zhuǎn)換、利用等方面表現(xiàn)突出；有些光伏組件的性能較弱，即便是陽光強(qiáng)烈，對(duì)太陽能的吸收依然不理想，最終的發(fā)電效果較為低下。

2.2光伏方陣布置要求

電能需求的提升，要求光伏建筑一體化技術(shù)在“光能轉(zhuǎn)化為電能”的效率上要有所提升。目前，我們必須要針對(duì)光伏方陣布置進(jìn)行深入的研究。經(jīng)過討論，認(rèn)為光伏方陣布置要求集中在以下幾個(gè)方面：第一，建筑的具體位置是無法改變的，建筑與光伏方陣結(jié)合、集成的屋頂與墻面，能夠接受的太陽能輻射是固定的。因此，在光伏方陣布置的過程中，要求相關(guān)工作人員，將光伏方陣布置得能夠最大限度吸收太陽能輻射。第二，所有光伏方陣的布置工作，都必須盡量的朝向太陽光照射的方向，包括建筑物的南面、西南位置、東南位置等等。

2.3光伏組件要求

隨著光伏建筑一體化技術(shù)的研究深入，科研人員認(rèn)為，光伏組件的要求達(dá)到的越多，最終的發(fā)電效果越好。目前，國(guó)家對(duì)光伏組件的要求正在不斷的增加。第一，光伏組件的顏色、質(zhì)感，應(yīng)該與建筑物進(jìn)行協(xié)調(diào)應(yīng)用，不可胡亂搭配。第二，光伏組件的強(qiáng)度、抗變形能力要達(dá)到基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。例如，光伏組件在風(fēng)荷載的作用下時(shí)，必須能夠出現(xiàn)變形，但變形不可以影響組件的正常應(yīng)用。第三，光伏組件的透光率設(shè)定，應(yīng)與光伏建筑一體化技術(shù)本身相符合，透光率需在精密的計(jì)算后決定。第四，組件的尺寸、形狀盡量的直接訂購，確保組件能夠被派上用場(chǎng)。

表1　光伏建筑一體化的主要形式

3　光伏建筑一體化設(shè)計(jì)

對(duì)于光伏建筑一體化技術(shù)而言，其最終的目的就是為建筑物提供足夠的電力能源供應(yīng)，減少各方面的問題和影響，使用清潔能源、可再生能源來滿足生產(chǎn)、生活的需求。為此，光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)工作，要將每一項(xiàng)內(nèi)容都當(dāng)作重點(diǎn)來完成，要減少不協(xié)調(diào)的情況，充分實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)、功能，創(chuàng)造出最大的價(jià)值。

3.1設(shè)計(jì)原則

光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)，必須在健全的原則下進(jìn)行，否則很容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與客觀需求不符，甚至是出現(xiàn)很多的問題。為此，開展光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)之前，必須將原則方面的內(nèi)容健全。第一，光伏建筑一體化的相關(guān)工作，具體表現(xiàn)為光伏系統(tǒng)依賴、依附于建筑，是一種新能源的利用形式，主體是建筑物，客體是光伏系統(tǒng)，二者地位是非常明確的。第二，光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)、落實(shí)、運(yùn)行當(dāng)中，絕對(duì)不能對(duì)建筑物造成任何的損壞，包括建筑物的結(jié)構(gòu)安全、功能影響、使用壽命等等。我們開展光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，目的是提升建筑物的電能供應(yīng)，而不是以犧牲建筑的部分組成來完成“等價(jià)交換”。第三，任何對(duì)建筑物產(chǎn)生損壞、不良影響的光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，都不可以落實(shí)到具體的工作當(dāng)中，其在設(shè)計(jì)階段就直接被否定，且不能再次提起。

3.2建筑設(shè)計(jì)

光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)應(yīng)用，必須要從客觀、主觀兩個(gè)方面著手，充分滿足客觀需求的同時(shí)，要加強(qiáng)主觀功能、美觀等方面的標(biāo)準(zhǔn)提升，確保最終的建筑能夠取得最大化的成績(jī)。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可從以下幾個(gè)方面出發(fā)：第一，針對(duì)建筑物所在位置的氣候條件、太陽能資源等情況進(jìn)行深入的分析，了解各方面的條件，是否可以滿足技術(shù)的使用要求，是否滿足建筑物的標(biāo)準(zhǔn)。第二，針對(duì)建筑物周邊的情況進(jìn)行了解和總結(jié)。當(dāng)前的地區(qū)密集度比較高，建筑物雖然在高度上有了很大的提升，但在接收太陽能的過程中，一旦被其他的建筑物所阻擋，則最終的光伏效果勢(shì)必會(huì)大打折扣，發(fā)電效率下降，造成的損失是比較嚴(yán)重的。第三，所有的建筑物都需要在外部裝飾上保持協(xié)調(diào)，而光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，最先考慮的是建筑的功能和光伏效果，這就與外部裝飾產(chǎn)生了一定的矛盾。所以，要求設(shè)計(jì)人員在具體的應(yīng)用技術(shù)時(shí)，要將外部的裝飾盡量美觀，與裝飾團(tuán)隊(duì)進(jìn)行討論和分析，制定多元化的設(shè)計(jì)方案，既不影響光伏效果和建筑工程，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)美觀度的較大提升。第四，針對(duì)光伏組件的吸熱情況、對(duì)建筑物熱環(huán)境改變情況進(jìn)行分析。我國(guó)現(xiàn)階段的建筑物數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，光伏組件的吸熱達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不能開展光伏設(shè)計(jì)。同時(shí)，建筑熱環(huán)境的承受范圍是有限的，倘若熱范圍過于惡劣，也不能進(jìn)行光伏設(shè)計(jì)。表1為光伏建筑一體化的主要形式類型，可以此作為參考。

3.3發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)當(dāng)中，技術(shù)的核心內(nèi)容，就是發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與一般的發(fā)電系統(tǒng)有很大不同，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括光伏方陣、光伏組件、光伏發(fā)電系統(tǒng)3個(gè)組成部分，各個(gè)部分既是獨(dú)立存在的，又保持相互協(xié)調(diào)的狀態(tài)，所獲得的發(fā)電效果是值得肯定的。第一，光伏方陣的設(shè)計(jì)，必須考慮到建筑的效果，特別是在顏色、板塊的大小方面。另外，方陣還必須考慮到受光條件的情況，包括朝向的影響、傾角的影響等等。第二，光伏組件的設(shè)計(jì)，涉及到的內(nèi)容較多，應(yīng)針對(duì)不同的內(nèi)容開展測(cè)試和分析，選擇合理的組件來完成設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)踐上的總結(jié)，由此來確保組件能夠長(zhǎng)久、穩(wěn)定的運(yùn)行。第三，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可選擇并網(wǎng)系統(tǒng)或者是獨(dú)立系統(tǒng)，在控制器、逆變器、蓄電池等方面，均可以進(jìn)行多元化的選擇，以建筑物的需求為基準(zhǔn)，將性價(jià)比作為重要衡量指標(biāo)。

3.4結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)

光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)工作中，上述幾項(xiàng)內(nèi)容完成后，還必須在結(jié)構(gòu)安全性、構(gòu)造設(shè)計(jì)兩方面做出足夠的努力。當(dāng)前的很多建筑物都采用了新型的設(shè)計(jì)方案，光伏建筑一體化技術(shù)作為突出的技術(shù)類型，有些地方仍然具有較大的提升空間。為了確保光伏建筑一體化能夠取得最佳成績(jī)，必須將安全工作提升到最高水平。建議今后的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，從以下幾個(gè)方面出發(fā)：一是組件本身的結(jié)構(gòu)安全，如高層建筑屋頂?shù)娘L(fēng)荷載較地面大很多，普通的光伏組件的強(qiáng)度能否承受，受風(fēng)變形時(shí)是否會(huì)影響到電池片的正常工作等。二是固定組件的連接方式的安全性。組件的安裝固定不是安裝空調(diào)式的簡(jiǎn)單固定，而是需對(duì)連接件固定點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并充分考慮在使用期內(nèi)的多種最不利情況。建筑的使用壽命一般在50年以上，光伏組件的使用壽命也在20年以上，BIPV的結(jié)構(gòu)安全性問題不可小視。

4　實(shí)例介紹

光伏建筑一體化技術(shù)，已經(jīng)開始在我國(guó)廣泛的推廣應(yīng)用，一線城市的應(yīng)用效果最佳。例如，由深圳市政府投資承建的1兆瓦太陽能光伏電站于 2004年8月在深圳國(guó)際園林花卉博覽園內(nèi)建成發(fā)電。電站安裝于園內(nèi)綜合展館、花卉展館、管理中心、南區(qū)游客服務(wù)中心和北區(qū)東山坡，采用與市電直接并網(wǎng)的運(yùn)行方式，是目前亞洲最大的并網(wǎng)太陽能光伏電站之一。該電站總?cè)萘?000.322kWp，年發(fā)電能力約為100萬kW·h。工程采用了超過4000個(gè)單晶硅及多晶硅光伏組件（160W和170W組件）。由此可見，光伏建筑一體化技術(shù)在應(yīng)用后，對(duì)建筑物產(chǎn)生了非常積極的影響，且在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面均比較突出。隨著人口的增加和土地利用面積的緊張，傳統(tǒng)的發(fā)電方式已經(jīng)無法滿足國(guó)家的要求，積極落實(shí)光伏建筑一體化技術(shù)，將建筑物的發(fā)電方法進(jìn)行轉(zhuǎn)變，不僅可以滿足生產(chǎn)、生活的要求，還可以在某種程度上加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，這種持續(xù)性的積極影響，是可以進(jìn)行深入拓展的。

5　結(jié)語

本文對(duì)光伏建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用展開討論，國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)

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的掌握程度是比較高的，且獲得了很大的積極效果，社會(huì)反響強(qiáng)烈。作為一個(gè)人口大國(guó)，未來的發(fā)展?jié)摿κ侵档每隙ǖ模绻夹g(shù)長(zhǎng)久保持在單一的水平上，那么潛力也會(huì)被一點(diǎn)點(diǎn)的埋沒。建議相關(guān)機(jī)構(gòu)、企業(yè)，針對(duì)光伏建筑一體化技術(shù)開展深入的研究，將每一個(gè)組成部分都進(jìn)行完美的設(shè)計(jì)和拓展。

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