光伏建筑一体化技术与工程应用

高树鹏（汕头大学医学院附属肿瘤医院，广东 汕头 515031）

发展循环经济，建设节约型社会，建筑节能被社会持续地关注。寻求新能源、利用可再生能源、提高能源的利用效率和寻求节能减排技术是解决能源危机的主要途径。太阳能是取之不尽，最直接、最普遍、最清洁的可再生能源，有巨大的开发利用价值。开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

太阳能光伏发电直接将太阳光转换成电能，是一种不需燃料、没有污染获取电能的技术。太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。光伏建筑一体化技术是将光伏发电与建筑完美结合，兼顾节能降耗和立面美观的要求。光伏组件既具有发电功能，又是建筑物的构件。

1 光伏发电系统概况

1.1 光伏组件

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射为通过半导体物质转变为电能的一种器件。光电转换过程通常称“光生伏特效应”，因而太阳能电池又称为“光伏电池”。一个太阳能电池只能产生大约0.5V的电压，远低于实际使用所需电压。作电源必须将若干单体太阳能电池串、并联连接和严密封装成光伏组件（图1）。为满足负载所要求的输出功率，将光伏组件再经过串并联就形成了具有一定输出功率的光伏方阵。

图1 光伏组件

1.2 光伏发电系统

光伏组件在太阳光照射下，吸收光能，将光能转换成电能。光伏组件产生的电压为直流电压，为得到稳定的可供常规交流负载使用的交流电，需要采用控制器、逆变器、蓄电池等形成稳定的光伏发电系统。光伏发电系统有两种形式，一种是由光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器、交流负载组成的独立光伏供电系统；另一种是由光伏方阵、控制器、并网逆变器组成并网发电系统，将电能直接输入电网（图2）。将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电是太阳能光伏应用的主要形式[1]。

图2 并网发电系统

1.3 影响光伏发电量的因素

光伏方阵所获得的太阳光辐射量决定其发电量，其布置应尽可能地朝太阳光入射的方向。光伏方阵安装的倾角，光伏组件的表面清洁度，光伏电池的转换率、工作环境状态都影响所能获得的辐射量。

2 光伏建筑一体化的概念及特点

2.1 光伏建筑一体化的概念

光伏建筑一体化通常的意义为集成到建筑物上的太阳能光伏发电系统，代表了科技建筑的发展方向。按国家可再生能源学会光伏专业委员会建议将建筑光伏（BMPV）分为BAPV和BIPV两 种 形 式。BAPV（Building Attached Photovoltaic）是指附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统，也称为“安装型”太阳能光伏建筑（图3）。它的主要功能是发电，与建筑物功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物的功能。

图3 “安装型”太阳能光伏屋面

BIPV（Building Integrated Photovoltaic）是指与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统，称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。它作为建筑物外部结构的一部分，具有发电功能，提升建筑物的美感，与建筑物形成完美的统一体，是完整意义上的光伏建筑一体化。

2.2 光伏建筑一体化的特点

光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念，将光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面，使建筑具有发电功能。光伏发电系统中的接线盒、旁路二极管、连接线等可隐藏在建筑结构中，不额外占用空间，又可防止阳光直射和雨水侵蚀。光伏组件代替传统的建筑材料作为建筑物构件，满足建筑美学的要求，不影响建筑物的外观。光伏组件没有机械运动部件，不会对建筑结构造成问题，维护成本低。将光伏组件放在建筑的背景下，不仅从能量的角度考虑，同时作为多功能的建筑因素，提供电能和控制采光，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式。

3 光伏建筑一体化的设计要点

3.1 双玻光伏组件

光伏建筑一体化通常采用双玻璃光伏组件（图4），由两片玻璃，中间用PVB胶片复合太阳能电池片组成复合层，将太阳能转换模板密封在双层钢化玻璃中。PVB胶片对玻璃具有良好的粘结性、韧性和弹性，具有透明、耐热、耐寒、耐湿、抗紫外线、机械强度高等特性，满足建筑用安全玻璃的要求，延长太阳能电池片的使用寿命。双玻组件向光一面采用超白钢化玻璃制作，通过调整电池片的排布或采用穿孔硅电池片来达到特定的透光率，满足采光要求[2]。

图4 双玻光伏组件构成

光伏建筑一体化将光伏发电系统与建筑物结合为一体，省去光伏系统的支撑结构，可就地发电；电可自发自用，还可向电网供电，舒缓了高峰电力需求，具有极大的社会效益；玻璃中间采用各种光伏组件，色彩多样，使建筑具有丰富的艺术表现力。

3.2 光伏建筑一体化的设计要点

光伏建筑一体化的设计应将光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用，使其成为建筑有机组成部分。光伏建筑应该从设计一开始，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以设计，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中一体设计，使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一部分，达到与建筑物的完美结合[3]。

光伏建筑一体化的设计从光伏技术上，必须将建筑物所在当地的经纬度，结合当地气象公布情况，寻找日照发电最佳角度和方向，以及方阵和逆变器的配合，防雷、绝缘等的安全措施；从建筑设计上必须按照JGJ102-2003玻璃工程技术规范、JGJ113-2009建筑玻璃应用技术规程等有关标准和规范进行，考虑风压、抗震、风荷载所处的标高以及密封性能的问题，也应考虑阴雨天对室内侧光线的影响，通过组件中晶体硅电池片的排列间隔，达到合适的透光率。

4 光伏建筑一体化的应用

光伏组件与建筑的集成主要有光电幕墙、光电采光顶、光电遮阳等形式。

4.1 光电幕墙

图5 光电幕墙节点

光电幕墙（图5节点）是最能体现光伏建筑一体化的一种形式，将双玻璃光伏组件融合到玻璃幕墙中，替代传统的玻璃面板材料，使幕墙成为集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一体的新型建筑幕墙，为建筑带来额外的“绿色概念”，充分体现了建筑的智能化与人性化特点，代表建筑光伏一体化技术的最新发展方向。

光电幕墙在满足外观和功能的前提下满足发电功能要求，克服了传统幕墙耗能大、光污染严重的缺点。光电幕墙作为建筑外围护体系，直接吸收太阳能，避免了墙面温度过高，能有效降低墙面温升，减轻空调负荷，降低空调能耗。目前，建筑物上的玻璃墙镜面反射系数为82%-92%，而光电幕墙充分吸收光源，能有效减少光对人体的危害。但它存在光伏阵列安装在垂直幕墙面上，偏离了最佳安装角度，太阳能电池板的输出功率偏低。

4.2 光电采光顶

在现代的大型的公共活动场所，都需要布置大面积的采光顶。光电采光顶（图6节点）是光伏建筑一体化最佳的安装结构形式。光电采光顶是将光伏发电系统作为建筑屋顶结构的一部分，安装地点要选择光照好，周围无高大的建筑物遮挡的地方，可以有效的收集利用太阳能，发电效率较高。为了更好利用太阳能，光电采光顶一般需倾斜设置，在选择阵列倾角，应综合考虑太阳辐射的连续性、均匀性和冬季极大性等因素。大体来说，在我国南方地区，阵列倾角可比当地纬度增加10°～15°；在北方地区，阵列倾角可比当地纬度增加5°～10°。

光电采光顶具有发电、采光功能，又是建筑屋顶外围护结构，既保持了屋顶结构的建筑风格，又增强了建筑的观赏性。光电采光顶考虑排水通常需采用横隐竖明或全隐结构形式。光电采光顶吸收太阳能，同样避免了屋顶温度过高，有效降低太阳光辐射，减轻空调负荷，降低空调能耗。

4.3 光电遮阳

随着建筑节能观念深入人心，建筑遮阳越来越受到建筑师的关注。光电遮阳由铝合金遮阳板（户外百叶）与太阳能电池片组合而成，是光伏建筑一体化应用的更高级形式[4]。光电遮阳不但肩负遮阳的功能，还巧妙地利用遮阳板最大限度的遮挡阳光这一特点，在上面集成高转换率的太阳能面板，达到建筑遮阳和发电功能最完美的统一结合。

图6 光电采光顶节点

光电遮阳有自动跟踪和固定两种类型，自动跟踪光电遮阳（图7）可以根据太阳高度角、方位角的变化自动跟踪，随太阳角度不同调准方向，起到最大限度的遮阳与光电效率；固定光电遮阳是根据建筑地理位置设计好它的最佳朝阳角度，以达到最大的平均发电功率，从而获得更加高的性价比。

光电遮阳不但提升了遮阳效果，同时进行光电转化，并且自动跟踪智能角度调节，改变了以往太阳能固定角度的不足，使太阳能片可以根据季节与时间的不同调整朝向，大大提高光伏率。

图7 自动跟踪光电遮阳应用实例

5 结 语

太阳能是地球上的主要能量来源，也是洁净、安全、可持续供给、应用最广、最具开发前景的可再生能源。光伏建筑一体化将外装饰与光伏组件协调结合，使建筑更富有生机，利用屋顶和墙面资源，有效地增加能源供应，更能体现现代建筑的环保绿色设计理念。光伏建筑一体化虽增加了投入，但可使投资者在以后的使用过程中得到回报。

［1］谢士涛. 光伏建筑一体化技术与应用［J］.门窗，2007，（9）.42-45

［2］庄大建，郑鸿生.双玻璃光伏组件建筑一体化应用［J］.建设科技，2009（20）.72-73

［3］龙文志. 太阳能光伏建筑一体化［J］.建筑技术，2009（9）.36-44

［4］黄庆文. BIPV革命一智能光伏外遮阳系统［C/OL］. 2010-3-26