国际光伏建筑一体化的最新应用

夏 斐 编译

（英国艾克福建筑设计公司，英国）

光伏是最可信赖的可再生能源技术之一。光伏的意义在于直接在现场把太阳能转化为电能，不用担心对环境的危害，没有噪音，没有污染，不用消耗资源。在光伏技术越来越广泛的商业化使用过程中，光伏与建筑的一体化是最重要的应用领域和市场。

光伏建筑一体化BIPV（building-integrated photovoltaics）是用光电材料去替代常规的建筑材料，作为建筑外表皮，比如屋顶，天窗或者是立面。它们正在快速地被结合到新建筑的建设和老建筑的改造中，作为一种主要的或辅助的电力来源。光伏模板充当着建筑表皮的双重角色：代替传统建筑外部材料和作为发电设备。光伏建筑一体化中，因为避免了原本应使用的常规建筑材料，使得光伏设备带来的高出造价得以抵消，使用周期中的成本也会降低，投资有望在若干年后收回。这些好处正在使得BIPV成为发展最快的光伏产业之一。

光伏建筑一体化系统的重要功能是与电网的并网，但也可以作为单独的系统运行。与电网对接的优点是蓄电设备可以自由高效地配置，并且对容量大小没有要求。如果是建筑单独运行光伏系统则需要大量蓄电池来存储电能，从而增加造价。与电网的并网，建筑的业主和供电部门都可以从中受益。光伏发电基本上都用在建筑或是电网的用电高峰期，光伏发电可以降低建筑的能源消耗并可以在用电的最高峰对电网提供帮助。

在市场上有2种基本的供商业使用的光伏模板：①厚的光伏产品包含由晶硅制成的太阳能单元，每平方英尺可以产生10～12 W电力。②薄的产品包含非常薄的光伏材料贴附在玻璃或金属上。当前的薄片光伏产品，每平方英尺可以产生4～5 W电力。与厚型的产品相比，因为需要少得多的原材料，薄型的光伏产品造价要低很多。

一个完整的光伏建筑一体化系统包含：①光伏模板，可以是薄型的，晶硅的，透明的，半透明的或是不透明的。②充电控制器用来控制电力进出电池。③电力存储系统，通常包括电网并网系统或者大量的电池系统。④电力转换设备，包括一个转换器将光伏发出的直流电转换为电网适配的交流电。⑤备用系统，如柴油发电机。⑥安装支持设备，线路和安全设备。

1 光伏建筑一体化的设计

光伏建筑一体化系统应该采取有目的性的设计手法，仔细挑选合适的设备和系统。设计应该根据建筑整个使用寿命中带来的成本来分析，而不是只看初期投入的成本。因为光伏材料所替代的建筑材料和建造人工成本可能使整个成本得到降低。设计光伏建筑一体化系统应该考虑到建筑的使用、电力负荷、位置、朝向、建筑规范和相关的市政公用问题。

2 光伏建筑一体化的应用

光伏设备可以采用很多不同的方式装配在建筑上。

（1）光电板可以集成在建筑外立面上，补充或者替代传统的外观或是玻璃幕墙。通常立面上的光伏板是竖直的，这样会影响对太阳能的接受，但是大面积的表面可以弥补一些不足。

（2）光伏设备可以与遮阳板结合，以锯齿形的设计体现在建筑立面上。这样的方式可以提高光伏设备直接接受太阳能，同时还可以作为传统的建筑被动遮阳构件。

（3）在屋顶系统中使用光伏设备，可以替代传统建材，如金属包裹或是沥青铺设的屋顶。

（4）光伏设备可以用在天棚采光系统中，不但可以有效地利用光伏设备，还可以成为一个设计的亮点。

另外，光伏电板还可以作为阳台的玻璃扶栏等。

3 光伏幕墙系统（facade integrated photovoltaic systems）

外立面并不单单是一座建筑的脸面，如今外立面也是一座建筑达到节能的大脑。一个好的外立面由以下的因素构成：设计美学、保温隔热、采光遮阳、自然通风、安全性和生产能量。

光伏幕墙系统在欧洲被使用在了多个建筑的改造中，合作保险大楼（图1）是英国曼彻斯特第二高楼。这座118 m高的大楼是合作金融服务公司的总部。大楼始建于1962年。大楼于2005年开始进行了一次整体翻新。外立面采用了光伏板进行包裹，可以每年发电180 MWh，平均设置容量21 kW（英国年人均消耗电量5000 kWh）。这座大楼像很多纽约的大楼一样，原先建造时用马赛克面砖包裹，但由于长年的污染和维修，最后决定用光伏面板来替代原先的外立面，这也是应对全球气候变化的一项行动。光伏面板的造价550万英镑，并于2006年向英国电网供电。

图1 英国合作保险大楼光伏幕墙系统

博世（Bosch）公司最近研制了他们的第一个光伏建筑幕墙系统，于2010年应用在德国霍尔茨明登市的施威格商场（图2）的改造中。这个项目的目的是将高容量超薄光伏模块结合进建筑外表皮的设计建造中，设计容量21 kW。新安装的光伏模块可以从朝南的300 m2外立面上一年发电19 MWh。从而一年可以少排放12.4 t二氧化碳，相当于一辆中型的汽车行驶6万km的碳排放。此外，系统已经开始向电网供电。优雅的设计和出色的外观，周边由铝板包裹，非常适合于具有建筑设计美感的立面上。在这些超薄的光伏面板中并不是使用硅作为半导体材料，而是用一种含有铜、镓、硫、硒的化学合成物。

图2 德国施威格商场光伏幕墙外观

德国幕墙和光伏产品生产厂家Schüco经过多年的研发，近年创造出E平方光伏幕墙（Schüco E2Façade）（图3）。它更像是一层建筑的皮肤，可以透气，可以抵御紫外线，可以调节光照和温度，还能自己发电。E平方幕墙系统是一个新的既可以节约能量，又可以生产能量的综合系统。它集成了很多智能建筑科技，超薄透明晶片的光伏玻璃，太阳热转换，隔热遮阳，具有热恢复功能的分散式机械通风构成了一个自动化落地幕墙系统。这个幕墙系统可以得到最大程度节能生态的建筑构造和优化的室内舒适度。与此同时，在满足了使用功能的情况下，它还提供了一种新的具有特色的建筑样式。采用模数化的设计，并且具有多种开启方式。有时太多的功能部件会干扰建筑师的设计自由度从而会影响建筑的外观，E平方幕墙系统采用隐藏式的设计，看起来和普通的玻璃幕墙没有太大的差别，大大地提高了设计感和建筑师的自由度。幕墙系统中可以容纳所有的管线并在窗框中集成了直观的操作系统。第一个使用E平方幕墙系统的项目正在建造中。

图3 E平方幕墙内外观及节点细部

4 光伏遮阳系统（shadow voltaic PV systems）

光伏模板由于多为黑色的不透明或半透明晶体，是一种天然的遮阳材质。根据太阳的入射角，这些遮阳板可以调节到合适的角度，不但可以遮阳，还可以优化高效地发电。结合建筑立面设计，这些太阳能遮阳板还起到了丰富建筑立面的作用。可以说是一种非常聪明的处理方法。

台湾台南县政大楼（图4）是一座快30年的老建筑，2007年在保留原有结构的基础上进行了室内外的改造。原先的建筑南立面没有任何遮阳设施，只是使用者在内部用窗帘隔热，只能挡直射的阳光，对于热环境没有太大作用。因此，建筑师决定以光伏遮阳板的方式来作出改善。旧建筑不仅获得更新，还可以发电，使建筑得到有意义的生命延续。大楼改造方案巧妙地在旧有立面加上了3个双层表皮（double skin）结构，形成一个通风的玻璃盒子，利用2层表皮间的烟囱效应，把冷空气由下方吸入，热空气由上方排出。光伏电板作为遮阳板呈锯齿状安装在表皮外部，每块模板的晶片分开封装，具有视觉穿透性。这样构成的一组采光、通风、遮阳的设计，非常有效地让办公室空间隔绝外界的高温并有开阔的景观。光伏遮阳板设计容量12 kW，由345片35 W的光伏电板组成，并将太阳光伏发电系统与城市电网并联，互为补充，达到最大的应用效果。

图4 台南县政大楼光伏遮阳板

5 光伏屋面（roof integrated photovoltaic systems）

屋面是太阳能光伏电池安装的最佳建筑部位，新技术可以将光伏电池薄膜与屋面材料复合在一起，使得屋面在防水、保温的基础上增加了发电的新功能。

2010年上海世博会主题馆（图5）屋面太阳能板设计安装容量为2.8 MW，安装总面积为31104 m2，是目前世界上单体面积最大的太阳能屋面。在主题馆的屋顶，呈96个三角形分布。全部3.12 MW太阳能屋面，如按上海标准的光照条件计算，年发电量可达284万kWh，相当于每年节约标准煤约1000 t，每年可减少二氧化碳排放量约2500 t。

图5 上海世博会主题馆太阳能屋面

德国宝马世界（图6）是一座采用美妙的动态形体设计，结合了太阳能来驱动的汽车“神殿”。宝马世界由奥地利建筑事务所蓝天组设计，2007年建成，作为宝马公司在慕尼黑的品牌推广和汽车销售。在宝马世界的建筑设计中建筑师做了一次流动的空间尝试。外部的钢和玻璃呈螺旋状形成一个双圆锥体，这样一个动态的48 m宽的螺旋体结构支撑起建筑的流动形态的屋顶。在超过16500 m2的屋顶上集成安装有由3660个太阳能模板组成的光伏发电系统，总功率可达到824 kW。建筑同时也利用立面上获得的太阳能来适当缓和空调的使用并提供自然通风。从光伏建筑一体化中设计可减少30%的能量消耗。

图6 宝马世界太阳能屋面

6 光伏采光顶系统（skylight integrated photovoltaic systems）

光伏采光玻璃已经在国内外一些大型建筑中得到应用，透明的光伏玻璃不但能像普通玻璃一样为建筑创造独特的天窗，带来舒适并具有趣味性的室内空间，还具有遮阳发电功能。

PowerGlaz公司最近的一个项目英国伦敦哈克尼区政府客户中心（图7）设计建造了一个玻璃屋顶用来覆盖主体建筑。玻璃屋顶上总共600块玻璃板，其中96块是双层中空夹层的光伏玻璃，可以提供65 kW的电力。同时，其他的普通玻璃上也印上了与光伏玻璃相似的纹理，这些纹理不但在外观上将玻璃都统一起来，同时起到了遮阳的作用。所有光伏玻璃和没有光伏材料夹层的普通玻璃都满足遮阳和保温隔热的要求，并且这些氩气填充的LowE玻璃可以有效地降低热量的消耗。

图7 哈克尼客户中心采光顶系统

2008年建成的北京火车南站（图8）的主站房屋顶采光带共铺设3600块钢化玻璃，其中1800块玻璃的中空层内将设置太阳能光电板。北京南站太阳能光伏建筑一体化并网发电系统总安装容量320 kW，系统年输出电量为22万kWh。据报道新南站建成后主要靠市政供电，但太阳能发电系统将在白天开启，辅助解决车站用电问题。

图8 北京南站太阳能采光顶

英国建筑大师诺曼福斯特爵士说过：“太阳能建筑不是关于时尚，而是关于生存”。光伏建筑一体化需要多方面的专家一同完成这项任务，包括建筑师、土木工程师、电气工程师、光伏系统工程师等等。建筑本身就是艺术和技术的结合体，而怎样让光伏技术满足建筑物的要求就又是一项新的任务，这需要克服许多实际的困难。比如光伏部件满足功能审美的要求；光伏部件的防水防尘防火抗风等建筑安全问题；光伏部件的寿命质量问题；光伏建筑一体化投资大收效小的问题；向供电部门并网供电时带来的技术和管理问题等。我国也在近年大量地兴建具有光伏发电功能的大型公共建筑。但是仍以示范、低压端并网自用为主，希望这些项目在巨额投入之后能带来切实有效的收益。

（主要参考资料：Yudelson，Jerry，2009，Green Building Trends：Europe（Washington：Island Press）.Steven Strong，Solar Design Associates，2009，Building Integrated Photovoltaics（BIPV）（http://www.wbdg.org/resources/bipv.php） Schüco：http://www.schueco.com. Bosch Solar Energy：http://www.bosch-solarenergy.de.Power Glaz：http://www.powerglaz.com/Coop-Himmelblau（蓝天组）：http://www.coop-himmelblau.at/ 叶世宗建筑师事务所：http://yeharch.myweb.hinet.net/）