光伏建筑一體化技術(shù)及應(yīng)用分析

張勇

（中國建材國際工程集團(tuán)有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210000）

近年來，為減少建筑業(yè)能耗用量與碳排放量，光伏發(fā)電在逐漸成為一種常用的可再生能源利用方式，在建筑領(lǐng)域中綻放光彩，起到減少發(fā)電用電成本、降低線損量、降低碳排放量等多重作用，光伏系統(tǒng)也成為綠色建筑的重要組成部分。與此同時(shí)，光伏建筑一體化技術(shù)的問世時(shí)間有限，盡管積累起十分成熟的設(shè)計(jì)、安裝經(jīng)驗(yàn)，但在應(yīng)用期間仍舊暴露出多項(xiàng)問題有待解決。如何探索一套成熟完善的光伏建筑一體化技術(shù)應(yīng)用模式，是加快我國建筑業(yè)發(fā)展步伐的關(guān)鍵，本文就此開展研究。

1 光伏建筑一體化技術(shù)概述

1.1 技術(shù)概念

光伏建筑一體化并非簡單在建筑屋頂?shù)炔课淮钶d光伏陣列與安裝蓄電池、逆變器等裝置，而是將光伏系統(tǒng)、建筑物結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。簡單來講，把建筑物視作為利用太陽能的重要載體，由光伏系統(tǒng)持續(xù)將所吸收太陽能輻射能量轉(zhuǎn)換為交流電，再將交流電提供給建筑用電設(shè)備，如照明用電、空調(diào)用電、暖通用電，由此來建設(shè)新一代的綠色節(jié)能建筑，實(shí)現(xiàn)太陽能利用、建筑物的優(yōu)勢互補(bǔ)目的。

1.2 光伏建筑一體化結(jié)合方式

根據(jù)光伏建筑一體化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，被動太陽能房、主動太陽能房和“零能房屋”是最為常見的三種結(jié)合方式，不同方式的實(shí)際應(yīng)用效果、能量轉(zhuǎn)換效率有著明顯差異，具體如下。

第一，被動式太陽能房?；趥鳠釋W(xué)原理而建設(shè)的光伏建筑，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上使用大面積的玻璃板材，太陽光通過玻璃板材照射至室內(nèi)環(huán)境，從而獲取、存儲一定的太陽能，通過配置遮陽窗簾、遮陽百葉等裝置，起到“冬暖夏涼”的使用效果。

第二，主動式太陽能房。在建筑內(nèi)部安裝蓄熱水箱、房間散熱器等設(shè)備，在屋頂部位鋪設(shè)集熱器，以水為介質(zhì)，由集熱器主動收集、存儲太陽能，使用太陽能來維持室內(nèi)溫度，主要用于室內(nèi)采暖、供熱水等場景，這也是現(xiàn)代建筑中較為常見的一種集熱形式。

第三，零能房屋。這也被稱為零能耗建筑，是在建筑屋頂?shù)炔课话惭b若干太陽能發(fā)電板，以及蓄電池、逆變器等配套設(shè)備，組成光伏發(fā)電系統(tǒng)，由電池板持續(xù)將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為直流電，由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，將交流電提供給建筑供配電系統(tǒng)，以及將多余電能存儲在蓄電池中留待夜間使用。如此，在不消耗外部電能與煤炭等其他能源的情況下，即可維持建筑正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，零能耗建筑對光伏陣列規(guī)模、當(dāng)?shù)厝照諚l件與時(shí)長、建筑能耗總量有著嚴(yán)格要求，大多數(shù)建筑并未達(dá)到零能耗建筑的標(biāo)準(zhǔn)，以外接市電為主、光伏發(fā)電為輔。

1.3 光伏建筑一體化應(yīng)用實(shí)例

光伏建筑一體化技術(shù)自問世伊始，便得到國內(nèi)外建筑業(yè)的廣泛關(guān)注，陸續(xù)在上海世博園主題館、日本NTTDoCoMo大廈、德國Mont-Cenis美術(shù)館等項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得顯著節(jié)能效果。例如，在上海世博園主題館項(xiàng)目中，如圖1所示，在屋頂凸起部位搭建BIPV光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏組件鋪設(shè)面積為3萬m，實(shí)際發(fā)電能力高達(dá)2.57MW，體現(xiàn)出人與自然和諧共處、共同發(fā)展的理念。

圖1 上海世博園主題館光伏項(xiàng)目俯瞰圖

2 光伏建筑一體化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1.1 場地評估

考慮到部分建筑所處區(qū)域的日照條件較差，所修建光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電能力較差，投入產(chǎn)出不合理，無法在建筑物使用期間通過光伏發(fā)電來取得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)、社會與生態(tài)效益。因此，在光伏建筑一體化項(xiàng)目立項(xiàng)前，必須做好場地評估工作，對工程現(xiàn)場的氣候條件、日照情況、建筑結(jié)構(gòu)布局、臨近建筑物分布情況進(jìn)行全面考察，判斷在發(fā)電量、發(fā)電穩(wěn)定性、成本效益等層面上是否具備光伏建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用條件，在日照時(shí)間過短、周邊密集高層建筑物而遮蔽太陽光、缺乏光伏組件鋪設(shè)空間的情況下，不推薦應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。同時(shí)，在確定建設(shè)一體化光伏建筑的前提下，根據(jù)日影朝向、日照時(shí)長等因素，計(jì)算最佳的光伏組件鋪設(shè)面積，確定光伏組件位置、光伏陣列安裝方法，最大程度提高系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量。

2.1.2 整體設(shè)計(jì)

為取得理想的光伏發(fā)電效果，設(shè)計(jì)人員必須做到對光伏系統(tǒng)、建筑物結(jié)構(gòu)二者的統(tǒng)籌兼顧，在不影響建筑物正常使用、結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮與使用安全的前提下，對建筑整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝、運(yùn)行營造良好的外部環(huán)境。例如，在建筑外立面造型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，盡可量保持建筑物的造型規(guī)則形態(tài)，減少凹凸、坡度與弧度，為光伏組件的大面積鋪設(shè)提供充足空間。

2.1.3 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率受到溫度的明顯影響，有著工作溫度與填充因子數(shù)量成反比的特性，隨著溫度升高，光伏組件填充因子數(shù)量減少，發(fā)電效率隨之降低，如果發(fā)電板自身溫度過高，將會嚴(yán)重削弱光伏系統(tǒng)的發(fā)電能力。同時(shí)，在一體化光伏建筑中，光伏組件是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在光伏組件溫度較高的情況下，將由此引發(fā)室內(nèi)溫度升高、建筑冷負(fù)荷增加。對此，需要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中采取通風(fēng)散熱措施，具體包括通風(fēng)屋面、內(nèi)嵌保溫層。其中，通風(fēng)屋面是在建筑屋頂部位設(shè)置通風(fēng)間層，在風(fēng)壓、熱壓作用下，持續(xù)向屋頂夾層中吹入新鮮冷空氣與排除渾濁熱空氣，在空氣流動時(shí)持續(xù)帶走夾層熱量，通過降低周邊環(huán)境溫度的方式來維持光伏組件工作溫度，避免組件溫度持續(xù)升高。而內(nèi)嵌保溫層是在建筑墻體內(nèi)側(cè)鋪設(shè)保溫層，或是選用雙排混凝土、輕骨料混凝土空心砌塊墻體等自身具備良好保溫隔熱性能的構(gòu)造形式，起到阻攔室內(nèi)外熱交換的作用，維持室內(nèi)環(huán)境溫度，在光伏組件工作溫度較高的前提下，也不會明顯增加建筑冷負(fù)荷。

2.2 建筑安裝

在一體化光伏建筑安裝階段，需要綜合分析當(dāng)?shù)貧夂驐l件、光伏陣列尺寸、建筑視覺效果等多方面因素，選擇最佳的建筑、光伏系統(tǒng)結(jié)合方式，在確定結(jié)合方式后，再制定具體的安裝方案。

2.2.1 建筑屋頂與光伏系統(tǒng)結(jié)合

建筑屋頂與光伏系統(tǒng)結(jié)合方式也被稱為光電采光頂，在光照條件最佳的建筑屋頂部位大面積安裝光伏組件，有著太陽輻射面積大、光伏組件易于安裝、實(shí)際發(fā)電量高的優(yōu)勢，但需要滿足周邊無高大建筑物遮擋的條件。同時(shí)，為改善發(fā)電效果，需要重點(diǎn)關(guān)注陣列傾角、屋頂排水降溫兩項(xiàng)問題。對于陣列傾角問題，在我國北方地區(qū)和南方地區(qū)，光伏陣列傾角略大于當(dāng)?shù)鼐暥鹊?0～15°和5～10°即可。對于屋頂排水降溫問題，可選用全隱結(jié)構(gòu)或是橫隱豎明的屋頂結(jié)構(gòu)形式。

2.2.2 建筑墻體與光伏系統(tǒng)結(jié)合

建筑墻體與光伏系統(tǒng)結(jié)合方式也被稱為光電幕墻，在建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體部位上安裝雙玻璃光伏組件來取代傳統(tǒng)玻璃面板，在兩片玻璃中間夾層中設(shè)置PVB膠片復(fù)合太陽能電池片。如此，既可以將雙玻璃光伏組件直接作為建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)和光伏系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)，起到保溫隔熱、隔音降噪等多重功能，同時(shí)，雙玻光伏組件還可以持續(xù)吸收太陽光輻射能量并轉(zhuǎn)換為電能，并通過吸收太陽能來控制墻面溫度、減小建筑室內(nèi)冷負(fù)荷。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，需要將雙玻光伏組件的鏡面反射系數(shù)控制在82%～92%區(qū)間內(nèi)，由于光伏玻璃需要在建筑外側(cè)垂直安裝，受到角度限制，光伏系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率略低于光電采光頂。

2.2.3 遮陽設(shè)備與光伏組件結(jié)合

遮陽設(shè)備與光伏組件相結(jié)合也被稱為光電遮陽，在建筑墻體外側(cè)安裝鋁合金遮陽百葉和太陽能電池片，既可以起到遮陽降溫的作用，避免太陽光直射入室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)，還將由遮陽百葉上的太陽能面板持續(xù)吸收輻射能量與轉(zhuǎn)換電能，實(shí)現(xiàn)建筑物發(fā)電、遮陽功能的完美結(jié)合。

此外，光電遮陽系統(tǒng)可分為固定遮陽、跟蹤調(diào)節(jié)兩種類型。其中，固定遮陽是安裝方向角度無法調(diào)節(jié)的遮陽百葉與太陽能電池片，有著成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，根據(jù)建筑地理位置、朝向來計(jì)算最佳遮陽角度，這類系統(tǒng)的光伏發(fā)電能力有限。而跟蹤調(diào)節(jié)遮陽是在系統(tǒng)中加裝傳感器裝置，安裝新型可調(diào)節(jié)遮陽百葉，系統(tǒng)主動感知外部環(huán)境情況，隨著時(shí)間推移與季節(jié)變化，自動對遮陽百葉的開啟角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這將顯著提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率。

2.2.4 屋頂瓦板與光伏組件結(jié)合

這一結(jié)合方式是選用新型的太陽能瓦，直接在建筑屋面上鋪設(shè)太陽能瓦，以太陽能瓦作為屋面材料，徹底取代了傳統(tǒng)建筑屋面，而傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)則是在建筑屋面構(gòu)造上安裝光伏組件，有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料用量大、造價(jià)成本高昂的局限性。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果來看，相比于光電采光頂、光電遮陽等其他類型光伏系統(tǒng)，這類建筑光伏系統(tǒng)的太陽輻射面積最大，發(fā)電效率最高，且光伏系統(tǒng)與建筑物的造價(jià)成本略低于其他光伏系統(tǒng)。

3 光伏建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 氣候適應(yīng)

建筑光伏系統(tǒng)的發(fā)電能力、發(fā)電穩(wěn)定性受到當(dāng)?shù)貧夂驐l件的明顯影響，如果當(dāng)?shù)厝照諚l件不佳、日照時(shí)間不長，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量隨之降低。而在當(dāng)?shù)貧夂蚨嘧兊那闆r下，將在光伏系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)形成較大瞬時(shí)電流、電壓不穩(wěn)等問題，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。對此，為減小氣候條件對系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效率最大化目標(biāo)，應(yīng)從設(shè)定最佳傾角、降溫節(jié)能、防雨保護(hù)三方面著手，具體如下。

第一，設(shè)定最佳傾角。為保證光伏組件在晝間可以接收最多的太陽輻射、延長光伏組件實(shí)際發(fā)電時(shí)長，需要根據(jù)建筑物朝向、當(dāng)?shù)厝沼俺蚺c經(jīng)緯度來選擇光伏組件的傾斜角度和安裝位置。例如，在我國沈陽地區(qū)，光伏組件的最佳傾角為36°。而在我國上海地區(qū)，光伏組件最佳傾角為23～26°。

第二，降溫節(jié)能。在一體化光伏建筑中，普遍選擇在屋頂、墻面等部位來安裝黑色太陽能電池板作為光伏組件，由于黑色具有吸熱屬性，且光伏組件長時(shí)間接收太陽能輻射，大量熱能在組件上蓄積，引發(fā)發(fā)電功率降低、建筑空腔結(jié)構(gòu)溫度升高、室內(nèi)冷負(fù)荷增加等連鎖問題出現(xiàn)。針對這一問題，需要采取調(diào)整配套設(shè)備安裝位置、清理光伏組件、遮陽降溫的措施，起到降溫節(jié)能的效果。其中，調(diào)整設(shè)備安裝位置是增加逆變器、蓄電池等配套設(shè)備與太陽能電池板的間隔距離，在設(shè)備間形成空氣流線，在空氣流動時(shí)帶走一定的熱量，避免設(shè)備間距過小而導(dǎo)致熱量集中分布。清理光伏組件是在建筑投運(yùn)使用期間，定期擦除光伏組件表面附著的灰塵，如果灰塵清理不及時(shí)，將會明顯提高附灰部位的溫升速度與溫度，嚴(yán)重時(shí)會損壞光伏組件，在表面形成燒壞暗斑。而遮陽降溫是在蓄電池、逆變器等部位搭設(shè)遮陽傘等設(shè)施，避免太陽光直射而提高配套設(shè)備工作溫度、影響發(fā)電量。

第三，防雨保護(hù)。如果光伏組件、蓄電池、逆變器和電纜線路長時(shí)間浸泡在水中，容易出現(xiàn)短路等電氣故障，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)人員觸電、電氣火災(zāi)等安全事故。對此，必須在一體化光伏建筑項(xiàng)目中重點(diǎn)關(guān)注防雨問題，可以選擇設(shè)計(jì)坡屋面來取代傳統(tǒng)平屋面，屋頂雨水在重力作用下快速排出，避免雨水匯集后形成積水。

3.2 成本把控

除去上海世博園主題館等大型公共建筑、城市地標(biāo)性建筑外，減少建筑用電成本，是老舊建筑和新建中小型建筑工程選用光伏建筑一體化技術(shù)的首要目的，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體使用成本超過所節(jié)省用電成本，則違背一體化光伏建筑的初衷目的。因此，在建筑設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要提前做好現(xiàn)場實(shí)地考察工作，收集氣候條件、不同季節(jié)日照時(shí)長、周邊建筑物高度與間距等相關(guān)資料，應(yīng)用BIM技術(shù)，在BIM軟件中導(dǎo)入工程資料和構(gòu)建3D實(shí)景模型，開展日照模擬分析實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來論證在采取不同結(jié)合方式、光伏陣列安裝位置、陣列傾角時(shí)的實(shí)際發(fā)電量，從中選擇最佳方案。例如，在建筑物周邊無高層建筑物遮擋自然光線、屋頂面積較大時(shí)，優(yōu)先采取光電采光頂系統(tǒng)。同時(shí)，在原定方案中光伏系統(tǒng)造價(jià)成本較為高昂時(shí)，可以通過調(diào)整光伏材料品種、縮減光伏陣列規(guī)模面積的方法，將實(shí)際成本控制在可接受程度內(nèi)，確保光伏建筑一體化技術(shù)在多數(shù)建筑工程中都具備實(shí)際應(yīng)用條件。

3.3 安全保障

除去光電幕墻等少數(shù)幾種光伏系統(tǒng)外，多數(shù)建筑光伏系統(tǒng)都選擇將光伏組件布置在室外，與外界環(huán)境直接接觸。在光伏系統(tǒng)運(yùn)行期間，受到外部環(huán)境侵蝕、強(qiáng)風(fēng)暴雨等惡劣氣候的影響，導(dǎo)致光伏組件與配套設(shè)備、線路的老化速度加快，有可能出現(xiàn)光伏組件墜落、絕緣失效、線路漏電、電氣火災(zāi)等事故，存在安全隱患，致使部分建筑企業(yè)對應(yīng)用光伏建筑一體化技術(shù)存在顧慮。對此，為保障光伏建筑使用安全，預(yù)防各類安全事故的出現(xiàn)，必須在技術(shù)應(yīng)用期間落實(shí)安全性策略。例如，對于電氣火災(zāi)問題，在光伏系統(tǒng)中建立繼電保護(hù)機(jī)制，安裝斷路器、繼電器等裝置，在檢測到輸電線路、蓄電池等設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)自動切除故障部分與非故障部分連接，避免形成電氣故障和電氣火災(zāi)。而對于防雷保護(hù)問題，在建筑屋頂部位安裝避雷針和布置接地網(wǎng)，主動從云層中接引雷電流并泄入大地，避免光伏組件、蓄電池、逆變器等設(shè)備因流經(jīng)雷電流而燒損。

4 結(jié)語

綜上所述，光伏建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用，是現(xiàn)代建筑工程的必然發(fā)展趨勢，也是優(yōu)化我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、加快生態(tài)城市建設(shè)步伐的關(guān)鍵。建筑企業(yè)必須做到對光伏建筑一體化技術(shù)的全面了解，遵循實(shí)際出發(fā)、因地制宜的應(yīng)用原則，根據(jù)工程現(xiàn)場情況來制定設(shè)計(jì)方案、選擇光伏建筑結(jié)合方式，積極落實(shí)氣候適應(yīng)、成本把控、安全保障三項(xiàng)應(yīng)用策略，確保光伏系統(tǒng)與建筑物在各個(gè)方面都保持兼容匹配狀態(tài)。