智能動態(tài)光伏建筑表皮的設計與性能分析

目前光伏建筑表皮多采用屋面鋪設方式，但由于鋪設面積有限，安裝位置固定，光伏發(fā)電效率及發(fā)電量受限，急需解決墻面光伏利用效率低的難題，因此提出一種基于光伏建筑一體化的光伏動態(tài)節(jié)能發(fā)電表皮，通過智慧調控動態(tài)表皮單元的角度以及改變表皮的材質，可實現(xiàn)將接收的太陽光吸收作為能源使用，同時起到遮陽、導風、隔音、照明和導光改善進深遠處采光效果的作用，降低對建筑周圍的光污染，降低對建筑內部的熱、聲污染和空調、照明能耗，改善建筑內部的聲光環(huán)境，并利用光伏發(fā)電實現(xiàn)光儲直柔，為建筑機電系統(tǒng)供電。

光儲直柔； 動態(tài)表皮； 智能控制； 可持續(xù)發(fā)展

TU201.5A

建筑論壇與建筑設計建筑論壇與建筑設計

［定稿日期］2023-03-07

［基金項目］國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（項目編號：202210142011）

［作者簡介］王澤川（2003—），男，本科，研究方向為建筑環(huán)境與能源應用工程;呂潔（1967—），女，本科，副教授，研究方向為建筑節(jié)能與智能建造技術;王永哲（2003—），男，本科，研究方向為建筑環(huán)境與能源應用工程；周善斌（2003—），男，在讀本科，研究方向為智能科學與技術。

0" 引言

綠色能源的開發(fā)利用一直是社會關注的熱點，2021年3月，住建部連發(fā)兩份發(fā)展規(guī)劃《“十四五”住房和城鄉(xiāng)建設科技發(fā)展規(guī)劃》和《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》。前者要求，開展高效智能建筑光伏一體化利用等清潔能源建筑高效利用技術。后者則提出具體發(fā)展目標，即到2025年，全國新增建筑太陽能光伏裝機容量0.5億kW以上，城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達到8％，建筑能耗中電力消費比例超過55％。政策方向還在更加明朗，建筑將納入碳排放管理，未來建筑方案中必須要考慮光伏建筑一體化以降碳減排。

隨著我國城市化的推進，高樓大廈隨處可見，隨之而來的問題也日益增多，主要包括：光污染嚴重，建筑屋面光伏利用率低，光伏建筑表皮光電轉化效率低下且安裝條件僅限于部分屋面等，解決這些問題是實現(xiàn)建筑可持續(xù)化發(fā)展的必經之路。由于建筑物表皮面積是一個巨大的數(shù)目，在冬季太陽高度角較低時墻面的太陽輻射強度甚至會高于屋面，而地理緯度較高的地區(qū)太陽高度角常年較低，更具備利用墻面的有利條件，若能充分利用建筑物表皮收集未被利用的太陽能，將大大緩解城市的用電壓力。因此，研發(fā)一種光電轉化效率高和安裝條件寬松兼?zhèn)涞膭討B(tài)光伏表皮是刻不容緩的。

1" 設計方案

1.1" 系統(tǒng)設計

智能動態(tài)光伏建筑表皮包括機械部分、光伏發(fā)電部分、電力輸送部分、環(huán)境感知部分。

機械部分由鋁框、傳動桿、傳動齒輪、垂直控制電機、水平控制電機、軸承槽口、建筑立柱部件組成。

光伏發(fā)電部分由光伏板、光敏元件、光線追蹤器組成。

電力輸送部分由蓄電池、線纜、逆變器組成。工作流程是：光伏板的發(fā)電量由線纜傳輸?shù)叫铍姵刂?，?yōu)先供給整個動態(tài)表皮系統(tǒng)，多余的發(fā)電量存入與電網和逆變器相連的另一組蓄電池，只接收電量，但不向表皮系統(tǒng)供電，并通過逆變器使直流電轉化為交流電，為電網供電。

環(huán)境感知部分由百葉箱、室內空氣溫度和照度等傳感器組成，通過實時（或通過編程調整間隔時間）向終端上傳空氣溫度以及照度數(shù)據(jù)，并聯(lián)網當?shù)禺斎諝庀髷?shù)據(jù)，令表皮系統(tǒng)做出合適的調節(jié)，改善室內環(huán)境（或抵御天氣災害）。

智能動態(tài)光伏建筑表皮的設計主要分為模塊化及集成化的功能設計以及百葉窗式的外觀設計。其中模塊化及集成化設計的目的是為了小型化和多功能化，以節(jié)省空間占用和降低投資，便于制作安裝和適應建筑造型，確保在例如形狀不規(guī)則的幕墻等特殊情況下也能便于安裝以及維護。對于百葉窗式的外觀設計，在與墻體銜接部分采用雙三角架結構，使動態(tài)表皮能夠牢牢固定在建筑墻體或窗戶表面。動態(tài)表皮的機械部分采用鋁合金材質，光伏部分采用多晶硅半導體薄片覆蓋，以提高單體部件壽命。在加工方面，光伏發(fā)電部分和機械部分的特殊形狀采用CAM（計算機輔助制造）加工，通過計算機輔助數(shù)控加工，將部件加工的工藝路線和工序內容等信息輸入計算機，以便于安裝與維修。

動態(tài)表皮的設計特點有四點：

（1）采用動態(tài)設計，利用太陽能光線跟蹤器自動調整光伏表皮的傾角，使動態(tài)表皮的光伏面板與太陽光線的交角在60°～90°的可調范圍內達到最大，以提高光伏發(fā)電效率。

（2）采用智能設計，收集室外風速、風向、氣溫以及室內氣溫、照度的數(shù)據(jù)，在適宜利用自然通風的春夏秋季節(jié)，使窗口處的動態(tài)表皮模塊在保證光伏的發(fā)電效率的同時盡可能保持水平，導風入室的同時將太陽光線反射到室內頂棚，以盡可能獲得更大的自然換氣量和改善室內采光。同時加入季節(jié)轉換模式，在冬季時考慮室外氣溫較低，使窗口處的動態(tài)表皮模塊上部向室內略微傾斜，讓冷風通過光伏背板吸熱升溫后從窗口上部進入室內上部空間，再緩慢下降到人的活動空間，實現(xiàn)換氣的同時減小吹風感。在夏季時考慮防熱的需求，利用動態(tài)表皮模塊的傾斜制造較大陰影遮陽，以盡可能減少太陽輻射射入室內，進而減少室溫的波動和飆升；同時利用光伏表皮遮陽的同時將太陽光線反射出去，利用光伏背板與建筑之間的豎向通風道排除光伏背板的散熱，并關窗避免熱風入室，如圖1所示。

（3）考慮安全運維，考慮風沙雨雪的影響，大風和雨雪天氣時，對于墻面，使模塊保持與建筑表面平行，減小風阻，避免模塊損毀掉落砸人事故發(fā)生；對于屋面，在下雪天，使模塊保持豎向方向，減少光伏板上的積雪，以減少雪后清理光伏板積雪的工作量和避免影響光伏發(fā)電，如圖2所示。

建筑論壇與建筑設計王澤川， 呂潔， 王永哲， 等： 智能動態(tài)光伏建筑表皮的設計與性能分析

（4）熱聲光環(huán)境兼顧，動態(tài)表皮模塊不僅具有導風、換氣、遮陽的作用，還具有反射聲波、遮光和導光的作用，還可以通過安裝LED燈實現(xiàn)景觀照明。使動態(tài)表皮模塊在保證光伏的發(fā)電效率的同時盡可能保持水平或者上部向外傾斜，利用光伏面板和室內頂棚的反射將太陽光導入室內深部，使利用自然采光的區(qū)域加大，同時利用模塊的陰影對近窗處提供適當遮光，以減小近窗處與房間深處的采光不均勻度，擴大自然采光的區(qū)域的同時改善室內光環(huán)境。

1.2" 模塊設計

動態(tài)表皮模塊的構造如圖3～圖5所示。

其中包含：

（1）光伏發(fā)電部件：由太陽電池板（組件）和全控性逆變器協(xié)力發(fā)電，并且主要由電子元器件構成，不涉及機械部件。根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。

（2）參數(shù)化可動部件：利用參數(shù)化設計光伏動態(tài)表皮具有“動”的屬性并有效生成一系列的不同的空間位置和形狀狀態(tài)，需電子元器件與機械部件配合工作。

（3）百葉箱控制部件：光伏動態(tài)表皮配備百葉箱，通過百葉箱的濕度、風速數(shù)據(jù)實時上傳終端以對參數(shù)化可動模塊進行有效配合，防止天氣災害給光伏動態(tài)表皮帶來巨大的損傷。

（4）電能轉化部件：可將將光伏動態(tài)表皮與電網相連，進行半供電，降低能耗；室內電器低功率運轉時，將多余發(fā)電輸入國家電網。

2" 性能分析

此光伏表皮可實現(xiàn)光伏發(fā)電、遮陽、導光、導風、隔聲、自動除雪、照明的功能。

（1）光伏發(fā)電：通過利用光儲直柔和物聯(lián)網技術，根據(jù)環(huán)境參數(shù)和太陽光線智慧調控動態(tài)表皮角度，可通過光敏元件，實現(xiàn)對太陽光線進行實時跟蹤，使太陽光線相對動態(tài)表皮板塊夾角的絕對值大于等于60°且小于等于90°工作。并利用電子元件根據(jù)光伏發(fā)電原理，將太陽能轉換為電能，實現(xiàn)光電轉化效率最大化，并與電網連接，可利用太陽能為建筑內的電氣設備進行半供電，電氣設備低功率運行時又可以將多余發(fā)電輸入國家電網帶來收益。相對于傳統(tǒng)太陽能板這樣既可以減少占地面積又能最大限度利用光能發(fā)電。

此表皮適于安裝在太陽輻射強度較大地區(qū)光伏發(fā)電的多層建筑及高層建筑?？砂惭b在高層建筑表面的玻璃幕墻，也可安裝在普通建筑的外立面，還可以安裝在窗戶表面上。

（2）導光、遮陽：為了防止不透明光伏板有可能影響采光效果，窗口的光伏模塊可以采用透明光伏面板，而墻面處可以采用不透明光伏面板，因此，窗口處的模塊既能夠透光，又能夠利用面板反射導光到房間深處，透光的同時還能帶來減小直射光、避免眩光、增大采光均勻度的好處，導光能夠降低房間深處的人工照明能耗；其遮陽功能能夠減少太陽輻射對室內熱環(huán)境的影響，大幅降低空調能耗；其導光功能能夠提高進深遠處的采光系數(shù)，降低白天的照明能耗，導光及遮陽功能在一定程度上降低了室外綜合溫度，減少了墻體的得熱和室內空調冷負荷。

（3）導風：此表皮可從與之相連的百葉箱監(jiān)測得到的風速、濕度等數(shù)據(jù)，利用自身的可動性，調整角度，將風導入室內。此功能可延長自然通風時間，減少機械通風換氣能耗。

（4）隔聲：當表皮閉合時，在一定程度上可隔音，降低室外對室內的噪聲或其他聲音的影響，還可充當聲反射板，提高隔聲效果。

（5）自動除雪：此表皮擁有多個可動單元，屋面上的模塊冬季可通過傾斜自動抖落積雪來降低通過電加熱除雪的能耗。

（6）照明：對個別需要照明的特殊情況，可將景觀照明燈設在模塊外表面邊緣，利用光伏板轉化儲存的電能進行供電。此照明燈采用的Led較小，可以在模塊邊緣不同位置設置，讓整個建筑形成不同的風格，且點或線布置都可，亦可達到美化和建筑的效果。電線、傳感器等配件是隱藏在模塊之間的接縫處，采用扣板和密封保證防水和電氣安全。

此表皮采用模塊化設計、集成化設計，極具輕量化，方便安裝、維修與置換，只需更換損壞或者到達使用壽命的相對板塊；此表皮還具有智慧化，可以與電子設備相連，根據(jù)室內需求和室外氣候選擇隔絕或引入風、光、熱等自然因素，調節(jié)室內環(huán)境，實現(xiàn)建筑與外界的良性互動，在天氣環(huán)境惡劣如大風大雨天氣時可及時自動收起，減少風阻，避免損壞或者掉落傷人事故發(fā)生。

光伏動態(tài)表皮利用參數(shù)化設計，具有“動”的屬性，能有效生成一系列的不同的空間位置和形狀狀態(tài)，需電子元器件與機械部件配合工作，通過和配備百葉箱相連，實時得到濕度、風速等數(shù)據(jù)，并利用先進的信息技術，使光伏動態(tài)表皮與智能控制系統(tǒng)相連，在保證室內濕度、溫度適合居住的同時，防止天氣災害給光伏動態(tài)表皮帶來巨大的損傷。

3" 模擬數(shù)據(jù)處理及分析

3.1" 計算參數(shù)及其計算公式

表1的參數(shù)是以沈陽地區(qū)為例確定的，在此基礎上可以根據(jù)下列公式進行進一步的經濟技術分析。

太陽能集熱板面積：Ac=QwCw（tend-tl）fJTηcd（1-ηL）

太陽能所需集熱量：Qr=dQwCw（tend-tl）fηcd（1-ηL）

系統(tǒng)綜合效率/%93太陽能技術經濟分析：節(jié)能量ΔQsave=Qr·（1-ηL）·ηcd

太陽能技術經濟分析：節(jié)費用Wj=ΔQsave·Cc/（q·Eff）

太陽能技術經濟分析：節(jié)碳量QCo2=ΔQsave·nW·Eff·FCo2·4412

3.2" 地面輻照模擬結果

為確定最大和最小傾角下光伏板的發(fā)電效果，采用斯維爾軟件（日照分析Sun、節(jié)能設計Becs）以沈陽地區(qū)某建筑進行了建模和模擬分析，最大傾角為90°，最小傾角設為32°，模擬時間設為2021.1.1—2021.12.31。

地面輻照的模擬結果如圖6、圖7所示。 90°傾角時建筑周圍地面輻照強度受朝向的影響比32°傾角大，南向輻射強度遠大于東西兩側，尤其是西向由于被建筑本體遮擋輻照強度大幅降低，而32°傾角時各朝向的地面輻照強度差距甚微，由此可知，在各朝向墻面鋪設光伏板并采用較小傾角時可吸收的總輻照量與最大傾角時吸收的總輻照量差距甚微。

3.3" 日照分析模擬結果

日照分析的模擬結果如圖8、圖9所示。32°傾角時日照時數(shù)相比90°傾角時有所下降，但最低點仍在1 460 h以上，每塊光伏板平均日照時數(shù)均在4 h以上，滿足冬至日的最低日照標準，仍然能夠滿足建筑日照設計標準。

3.4" 光伏板發(fā)電量計算

光伏發(fā)電量的模擬結果如圖10、圖11所示。在設定每塊光伏板的峰值功率為120 Wp的條件下，32°傾角時的發(fā)電量相較于90°傾角的發(fā)電量，每塊光伏板平均每年可以增加至少49 kWh的發(fā)電量，模擬實驗中應用了80塊光伏板，也就是說理論值發(fā)電量每年可增加3 920 kWh。

針對同一地點的相同建筑光伏表皮模型，分別采用靜態(tài)以及動態(tài)表皮，對全年光伏發(fā)電量進行了模擬，將模擬得到的數(shù)據(jù)列入表2中進行了分析，可以得出：相對于同等條件下的傳統(tǒng)靜態(tài)表皮，光伏動態(tài)表皮優(yōu)勢突出，尤其是在太陽能總輻照量和交流發(fā)電量上，分別提升了48.987%和48.058%，在年總發(fā)電量上更是突破了148.780%。

考慮實際使用中傾角是動態(tài)調整的，對不同傾角時的發(fā)電量差異進行了分析，由表3可知，以沈陽地區(qū)為例，當太陽光與光伏表皮角度在32°能保證輻射強度最高，能量差異最低，光電轉換效率最大化，但是考慮到室內采光和通風，建議選擇讓光伏表皮的傾角隨著太陽高度角的變化在30°～36°變化，該范圍可在保證室內照度的同時增大室內采光均勻度，減小眩光程度。

除了利用模擬軟件，還可以按下列公式進行節(jié)能估算：

（1）總發(fā)電量 （kWh）。

總發(fā)電量=光伏板的有效面積 （m2）×年平均太陽光總輻射強度 （W/m2）×年有效日照時間 （h）×組件效率×系統(tǒng)效率

其中：組件效率一般可取18%；系統(tǒng)效率（一般可取85%）。

（2）轉換效率。

η=Pm/A

式中：Pm為電池片的峰值功率，=1 kW/m2=100 mW/cm2；A為光伏片面積m2。

注：在光伏照1 kW/m2、實驗溫度25 ℃、大氣環(huán)境條件AM1.5的條件下，測得單晶硅片光電轉化率21%左右，多晶硅片的光電轉化率為18%。

4" 結論

本文以沈陽地區(qū)氣候為例，通過模型評估參數(shù)驗證模型預測的可行性，最終得出幾點結論：

（1）給出的光伏動態(tài)表皮的設計方案，相較于既有的靜態(tài)光伏靜態(tài)表皮，實現(xiàn)了對陽光的實時追蹤以提升光電轉化效率、優(yōu)化了可安裝條件以及增加了智慧調控、調節(jié)室內熱環(huán)境和導風導光等功能。

（2）利用建筑設置光伏發(fā)電需考慮建筑的分布，建筑具有城市密集、鄉(xiāng)村分散的特點，在建筑分散的地區(qū)會有富余電量，需要并網售電；在建筑密集的地區(qū)會滿足不了建筑對電能的需求，需要多能互補。

（3）通過模擬分析得出，光伏動態(tài)表皮相較于傳統(tǒng)靜態(tài)表皮在數(shù)據(jù)上具有優(yōu)勢，尤其在光伏發(fā)電量上提升巨大，而制造成本相距甚小，性價比更高，且更能滿足市場的多樣化需求，有望取代傳統(tǒng)靜態(tài)表皮并作為光伏建筑一體化（BIPV）的代表產品應用于市場。

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