光伏建筑一體化相關(guān)問題的探討

迭勇

［陜西省建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710018］

0 引言

我國現(xiàn)在提倡節(jié)能減耗，我國耗能最為嚴(yán)重的有三項，分別是建筑、工業(yè)、交通。其中最為嚴(yán)重的一項便是建筑耗能，我國大部分的建筑都屬于耗能建筑，需要消耗大量的能源，耗能甚至比其他行業(yè)還要高上許多，2018年中國建筑節(jié)能協(xié)會能耗統(tǒng)計專委會在上海發(fā)布了《中國建筑能耗研究報告（2018年）》指明，2016年間，中國建筑能源消費總量為8.99 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費總量的20.6%。因此我國想要實現(xiàn)建筑行業(yè)的節(jié)能減耗，就需要從建筑物的整體方面著手進行節(jié)能，才能夠從根本上減少我國建筑行業(yè)的能源消耗。而在90年代，我國誕生了光伏建筑一體化的新型節(jié)能減耗概念，其主要利用原理是將光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，利用太陽能來持續(xù)發(fā)電，能夠減少能源消耗，給建筑整體供電[1]。這項技術(shù)實現(xiàn)起來相對要簡單一點，主要是因為它整體操作并沒有那么復(fù)雜，它主要是建立在一般的建筑屋頂以及外墻面上。根據(jù)我國頒發(fā)的最新文件當(dāng)中指出，太陽能資源的利用可以適用到每一個城市當(dāng)中，它可以開展光伏屋頂，利用日照光、陽光，從而實現(xiàn)發(fā)電。光伏建筑一體化是一種新研發(fā)的技術(shù)，其存在一定的優(yōu)勢，可以為我國節(jié)能減耗這一目標(biāo)提供幫助，盡可能的減少對自然環(huán)境的污染[2]。

1 光伏與建筑結(jié)合的方式

光伏如何能與建筑之間結(jié)合的最為恰當(dāng)，這是國內(nèi)研究人員與國外研究人員需要共同研究的一部分。而在國外研究人員對于光伏建筑一體化的研究結(jié)果表明光伏與建筑的結(jié)合主要有以下兩種形式。①建筑物與光伏系統(tǒng)結(jié)合，或稱為光伏附著設(shè)計（BAPV）。②建筑與光伏組件結(jié)合，或稱為光伏和建筑的一體化集成設(shè)計（BIPV）。就是指把組裝好的光伏組件密封好，然后安裝在建筑物的屋頂上減少面積上的占用。光伏建筑一體化安裝的成本以及需求沒有嚴(yán)格的要求，并且能有效的降低光伏發(fā)電的成本，所以可以推廣這一項技術(shù)，使其得到更加廣泛的應(yīng)用。并且光伏組件可以代替部分建筑材料，從而能夠節(jié)省一部分建筑材料的成本，由此看來，光伏更加有推廣的意義。而國內(nèi)研究人員對這一方面的研究還沒有得出統(tǒng)一的結(jié)果，對光伏與建筑結(jié)合的形式認(rèn)為是各種各樣的，并沒有能夠很好的統(tǒng)一到一起[3]。目前光伏陣列與建筑物相結(jié)合的方式有很多，為了能選擇出最合適一種類型，就需要在光伏與建筑結(jié)合的實際操作過程中不斷實踐的同時，需要進行記錄與收集大量的數(shù)據(jù)作為支撐，以給研究人員提供參考。各個工程項目之間存在著一定的區(qū)別，但是要具體區(qū)分它所屬的類型還有一定困難，尤其是構(gòu)建式和支架式的類型很相像。還有例如遮陽構(gòu)件、雨蓬構(gòu)件等，都是安裝在支撐結(jié)構(gòu)上面的，而是否將其定義為支架，目前還存在著不同的意見。從電池板的生產(chǎn)難度、發(fā)電效率以及安裝技術(shù)難度而言，構(gòu)件式與支架式光伏一體化技術(shù)差別不明顯，但是這兩種形式和建材式有著明確的區(qū)分，僅從光伏產(chǎn)品的加工過程就能明確地進行區(qū)分。因此，將光伏和建筑結(jié)合分為建材式和非建材式，就能明確的反映光伏和建筑結(jié)合的一體化程度。我國目前常用的光伏和建筑結(jié)合的方式是構(gòu)建式和支架式，但是所使用的建筑材料有一定的差異，特別是在光伏產(chǎn)品加工的過程中就能夠清晰的區(qū)別。因此在設(shè)計時就需要考慮到多方面的因素，尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物之間應(yīng)該怎樣的結(jié)合才最為合適。例如：太陽能電池組件與傳統(tǒng)的屋頂之間材料是否能夠更好地結(jié)合在一起，如何才能使光伏組件成為光伏建筑一體化當(dāng)中的一部分。設(shè)計師必須得結(jié)合多方面的情況下，既能保證建筑物整體的美觀，又能夠使光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能發(fā)揮到最大作用，讓建筑物與光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠更好的結(jié)合到一起[4]。非建材式的光伏建筑一體化技術(shù)的優(yōu)勢是它不會對現(xiàn)有的建筑物的整體結(jié)構(gòu)進行較大的改動，整體操作安裝起來會較為簡便，它的操作過程只需要在建筑物的表面進行金屬支架的安裝，然后再將光伏組件固定到金屬支架上就能夠起到固定性，這樣的操作方法還能使光伏組件陣列以及固定安裝連接件能夠穩(wěn)穩(wěn)的固定在建筑屋頂或側(cè)墻上，唯一的缺陷就是它會對建筑物的整體美觀起到一定的影響以及對建筑的屋頂和外墻造成損壞。光伏建筑一體化系統(tǒng)在市場當(dāng)中主要是以非建材式的形式出現(xiàn)，但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展和時代的變遷，光伏建筑一體化系統(tǒng)的使用會逐漸增加。

2 光伏電池的選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要核心便是太陽能電池，因此太陽能電池的整體性能和特點是非常重要的，它能夠?qū)夥ㄖ惑w化起到一定的作用。特別是光伏建筑一體化在進行設(shè)計時，對于系統(tǒng)的整體安全有著直接影響。所以在進行光伏建筑一體化設(shè)計以及施工前，要進行太陽能光伏電池的選擇，而選擇的過程中需要考慮到多方面的問題[5]。而目前光伏建筑一體化當(dāng)中使用的太陽能光伏電池主要是硅基電池，另外一種常用的電池是晶硅類電池。而太陽能電池主要分為三大類，晶體硅電池、非晶體硅電池和砷化鎵、砷化鎘等其他薄膜電池。每一種電池之間的價格使用性能和壽命都有著明顯的差異，但各有優(yōu)勢。晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換率相對要好一點，但是所使用的成本也要高一點，相應(yīng)的所使用的壽命也比另外兩種要好得多，三者比較之下晶體硅太陽能電池技術(shù)相比其他兩種更為成熟。非晶硅電池發(fā)電效率相對來說要弱一點，但是所使用的成本消耗不高，三種電池當(dāng)中所消耗成本最低的一種，但是相應(yīng)的壽命也會有一些短。但是受不同外界環(huán)境因素的影響下，非晶硅電池的耐受性相對要高一點，尤其是在外界環(huán)境溫度急劇升高的情況下，電池整體溫度也會有所升高，而輻射照度不高的時候，發(fā)電性能還是強于晶體硅電池。尤其是在使用同等功率電池發(fā)電的時候，晶體硅電池的電儲存量就顯得不足。而非晶硅電池的優(yōu)勢是，它在輻射條件差的情況下也能夠更好的使用，并且這款電池還可以很好的節(jié)能減耗。從多種方面考量之下成本少而又能夠有可靠穩(wěn)定的發(fā)電性能，這樣的太陽能電池會更受到未來市場發(fā)展的歡迎。而另外一種砷化鎵、砷化鎘等其他薄膜電池不受市場的歡迎的原因是，因為他使用起來效率不是最好的，壽命也不是最長的，成本還是最高的，折舊率也高。唯一的優(yōu)勢便是整體的質(zhì)量輕、厚度薄、外表光滑。根據(jù)這三種電池的性能來選擇最為合適光伏建筑一體化所使用的電池，光伏建筑一體化又需要根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況來選擇最為合適的電池類型。尤其是優(yōu)先要選擇性能比較穩(wěn)定，壽命比較長，能夠有效控制整體性能最佳的電池。而不同的建筑物所使用的電池類型也會有所差異，例如：光伏幕墻宜選用非晶硅薄膜電池，就是因為在四季不停變化的過程中，會受到自然環(huán)境因素影響，而光伏幕墻可以起到遮擋的作用，在夏季可以防止建筑物過熱，而在冬季又能夠利用傳統(tǒng)的太陽能進行吸熱平衡溫度?？紤]到這些因素，非晶硅太陽能電池在光伏建筑一體化當(dāng)中必然會得到廣泛的應(yīng)用，這也是為了能夠適應(yīng)未來建筑行業(yè)的發(fā)展需求。而砷化鎵、砷化鎘等其他薄膜電池主要的優(yōu)勢是它用的材料少，質(zhì)量輕，外表光滑，在安裝方面操作起來相對要簡單，并且還可以進行彎曲，更適合于安裝在建筑構(gòu)件的表面上，但它的缺陷是成本較高，整體使用壽命不長，考慮到非晶硅太陽能電池的各方面特點后，在光伏建筑一體化當(dāng)中一般都不會采用這種電池。對比完所有的類型的電池的優(yōu)缺點之后，需要注意的是，不同的電池的特性會有著怎樣的影響。例如：晶體硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。兩者之間除了成本有著極大的差異以外，對自然環(huán)境當(dāng)中溫度造成的影響也有不同程度的表現(xiàn)。相對比之下晶體硅太陽能電池比較容易受到溫度的影響，會導(dǎo)致整體的發(fā)電效率達(dá)不到正常水準(zhǔn)，而非晶硅光伏電池就不會受到溫度太多的影響，它的發(fā)電效率還是能夠保持相對正常。在選擇不同的太陽能電池時，對整體的通風(fēng)設(shè)計方面也會有著差異，比如在選擇晶體硅太陽能電池時，它的通風(fēng)設(shè)計需要考慮到溫度因素的影響，避免太陽能電池溫度過高影響到發(fā)電效率。另一方面是需要考慮到晶體硅太陽能電池與建筑物相結(jié)合后，可能會受到遮擋物的遮擋，而遮擋后無法更好的進行正常工作，對整體的發(fā)電量有著較為嚴(yán)重的影響，而相比較之下，非晶硅太陽能電池就不會受到太多影響，哪怕它被遮擋了部分面積，也不會對功率損失有多大影響。如果在建筑物當(dāng)中常常會存在遮擋物的出現(xiàn)，那么光伏建筑一體化就應(yīng)該首選非晶硅電池。

3 光伏建筑一體化性能的耗能以及成本

光伏建筑一體化系統(tǒng)的所有成本包含的內(nèi)容較為廣泛，安裝以及使用過程中都需要進行定期的維修與保養(yǎng)，這都會產(chǎn)生相應(yīng)的費用。所以要對費用進行統(tǒng)計，估算出整體成本。而光伏建筑一體化系統(tǒng)當(dāng)中消耗的能源主要來源是光伏組件以及光伏系統(tǒng)的配件生產(chǎn)，會產(chǎn)生一定的能源消耗。

光伏組件的能源消耗以及成本如下。

在我國現(xiàn)有技術(shù)條件下，太陽能電池制作時會使用到大量的硅，每個硅片制成太陽能電池都會有一定的消耗，并且會產(chǎn)生固定的電功率。根據(jù)過往實際使用的情況，數(shù)據(jù)進行收集統(tǒng)計之后得出光伏組件的耗能以及生命周期相結(jié)合來看得出結(jié)論，產(chǎn)能大于耗能。盡管我國在這一方面一直持續(xù)不斷的研究，對生產(chǎn)成本也進行了控制，減少了一定的消耗，但是隨著經(jīng)濟下行因素的來臨，整體的光伏市場受到了急劇的影響。根據(jù)研究學(xué)家進行研究之后表明，光伏建筑一體化系統(tǒng)的光伏發(fā)電成本會大幅度的降低費用，在未來，光伏發(fā)電的成本會與光伏建筑一體化運行以及維保成本兩者之間達(dá)到一個平衡點。不過還是有許多不可控的因素存在，所以也沒有辦法能夠直接的確定光伏建筑一體化未來的發(fā)展前景。

4 光伏建筑一體化系統(tǒng)與常規(guī)的光伏電站之間存在的差別

下文主要圍繞光伏建筑一體化系統(tǒng)與常規(guī)的光伏電站之間的差別，舉出幾點例子以供參考。

（1）光伏建筑一體化系統(tǒng)減少了面積的使用以及建筑的一些基本費用。尤其是建筑物使用建材式的光伏模塊代替了建筑材料的使用，這樣就從成本上減少了一些資源的浪費，并且也實現(xiàn)了節(jié)能減耗。

（2）在建筑物當(dāng)中必不可少的便是電力輸送這一方面，而有些輸電線路長期使用必然會造成一些損害，而光伏建筑一體化系統(tǒng)便能夠減少電力輸送損害，這樣一來也就降低了相應(yīng)的成本，也減少了一些設(shè)備的使用。

（3）光伏建筑一體化也并不全是優(yōu)點，因為安裝時會增加一定的安裝費以及維修和保養(yǎng)的費用，這些費用都是沒有辦法具體估計的。

5 光伏建筑一體化的缺點

光伏建筑一體化存在的缺點主要是光伏建筑所需的成本消耗較高，另一缺點是我國對光伏建筑一體化的相關(guān)政策以及補貼還不夠完善。還有一重要因素是，我國與外國的科技創(chuàng)新相比之下還處于落后的階段，盡管我國已經(jīng)對光伏建筑一體化重視起來，也加大了更多資金的投入，但是并沒有能夠完全掌握光伏建筑一體化的先進核心技術(shù)，這導(dǎo)致我國的光伏建筑在發(fā)展過程中，還需要依靠著國外的技術(shù)。而光伏建筑一體化的發(fā)電系統(tǒng)的初始投資以及總體運行所消耗的費用較大，最初開始投資時需要對光伏系統(tǒng)所使用的相關(guān)費用包括范圍甚廣，其中包括了定期維護與修理費用。為了使光伏建筑一體化實現(xiàn)經(jīng)濟性，就必須要對光伏的相關(guān)費用進行研究，從而實現(xiàn)光伏與建筑的一體化發(fā)展。

6 結(jié)語

綜上所述，我國的光伏建筑一體化發(fā)展較晚，所以需要借鑒國外光伏建筑一體化的相關(guān)經(jīng)驗，并根據(jù)我國的實際情況來制定出更符合我國的光伏建筑一體化系統(tǒng)。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，也對各方面重視起來，尤其是光伏建筑一體化的發(fā)展，我國政府部門出臺了許多相關(guān)的政策條例和投入了大量的資金。在未來，光伏建筑一體化將會得到更好的發(fā)展。