论太阳能光伏建筑一体化（BIPV）建设

薛震

摘要：简单论述了太阳能光伏建筑一体化的定义、类型、方式、特点；分析建筑、结构方面的一些要求；列举分析身边的实践案例；光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的可再生新能源。

关键词：光伏建筑一体化，新能源，光伏屋顶，光伏幕墙；应用

1. 引言

一直以来，太阳能等可再生能源在建筑技术上的完美应用都是企业梦寐以来的追求。太阳能与建筑结合创造的低能耗高舒适度的健康环境，不仅让人们生活得更自然更环保，而且能节能、能减污，对实现社会可持续发展具有重大意义。

太阳能光伏建筑一体化，提出了“建筑物产生能源”的新概念。它是应用太阳能发电的一种新概念，是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。

2. 光伏建筑一体化（BIPV）的定义

光伏建筑一体化即BIPV（Building Integrated PV，PV即Photovoltaic）。光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。其不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化（简称BIPV）是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑。

太阳能光伏建筑一体化≠太阳能光伏+建筑。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的“相加”，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，将太阳能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、同步后期管理，使其成为建筑有机组成部分的一种理念、一种设计、一种工程的总称。

3 光伏建筑一体化的型式和特点

3.1 光伏建筑一体化一般分为独立安装型和建材安装型两种类型。

独立安装型，是指普通太阳电池板施工时通过特殊的装配件把太阳电池板同周围建筑结构体相连。其优点是普通太阳电池板可以在普通流水线上大批量生产，成本低，价格便宜，既能安装在建筑结构体上，又能单独安装，其缺点是无法直接代替建筑材料使用，PV板与建材重叠使用造成浪费，施工成本高。这种独立安装型一体化方式在设计时也并非是与建筑的简单“叠加”，而是将其作为建筑的一种独立的设计元索加以整合，創造出独特的造型效果。

建材安装型，则是在生产时把太阳电池芯片直接封装在特殊建材内，或做成独立建材的形式，如屋面瓦单元、幕墙单元、外墙单元等，外表面设计有防雨结构，施工时按模块方式拼装，集发电功能与建材功能于体，施工成本低。相比较而言，建材安装型的技术要求相对更高，因为它不仅用来发电，而且承担建材所需要的防水、保温、强度等要求。但是由于必须适应不同的建筑尺寸，很难在同一条流水线上大规模生产，有时甚至需要投入大量的人力进行手工操作生产，对于劳动力价格较低的我国而言，这种太阳电池组件更有利于国际竞争。

3.2 建材安装型又分为三种方式，屋顶一体化、墙面一体化、建筑构件一体化。

屋顶一体化方式，是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，也可以覆盖部分屋面，后者与建筑的整接具有更高的灵活性。这对于在旧房改造中使用PV板提供了可能。PV板与屋顶整合一体化一是可以最大限度的接受太阳光的照射，二是可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏天的热负荷。PV板与屋顶的构造做法有两种方式，一种是兼为屋顶防水构造层次的部分，这时必须要求PV系统具有良好的防水性能，另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上，后者对于屋顶防水具有保护功能，可以延长防水层的使用寿命。

墙面一体化方式，是指PV板与墙面材料一起进行集成。现代建筑支撑系统和维护系统的分离使PV板能像木材、金属、石材、混凝土等预制板样成为建筑外围护系统的贴面材料。PV板墙面一体化主要有PV板外墙装饰板和PV板玻璃幕墙两种方式。

PV板玻璃幕墙，是指透光型PV板和玻璃集成制成的光电幕墙。该组件是由太阳电池芯片和双层玻璃板构成，芯片夹在玻璃板之间，芯片之间和芯片与玻璃板边端之间留有一定的间隙，以便透光。在夏天就像把巨大的遮阳伞有效的降低了建筑的热负荷，同时为室内提供特殊的光照气氛，更因其特殊的颜色和肌理拓展了建筑的表现空间。现在PV板价格和某些天然石材己经没有差别，我相信今后随着PV板的发展，成本只会越来越低，这就为PV板在建筑的广泛应用创造了良好条件。光电屋顶与光电幕墙的出现，为建筑师展示建筑艺术作品多了一种新的选择。

建筑构件一体化方式，是指PV板与建筑的雨篷、遮阳板、阳台、天窗等构件有机整合，在提供电力的同时可以为建筑增加美观的细部。PV板和遮阳板的结合不仅可以为建筑在夏天提供遮阳，还可以使入射光线变得柔和，避免眩光，改善室内的光环境。

4. 光伏建筑一体化建筑设计中需注意的几个问题

光伏一体化建筑除美观性外，还要满足建筑构件所要求的强度、防雨、热工、防雷、防火等技术要求。把光伏器件用做建材，必须具备建材所要求的几项条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。除此之外，还要考虑建筑物安全性能等因素。

4.1 光伏组件的力学性能

作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h（2，400Pa）风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。

4.2 建筑的美学要求

BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。

一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，并将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。

4.3 BIPV建筑结构设计

BIPV建筑结构与幕墙结构设计相似，主要有明框式、隐框式、半隐框式、点支式，如下图。明框式幕墙BIPV 组件可设计成藏式接線盒和背面接线盒两种方式，藏式接线盒外观简洁，没有外围的电缆线。隐框式、点攴式大多设计为背面接线盒。

5. 光伏建筑一体化建筑的优缺点

5.1 光伏建筑一体化建筑的优点

1、绿色能源。太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。

2、不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。

3、太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。

4、起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。

5.2 光伏建筑一体化建筑存在的问题

虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存有三大问题：

一是太阳能光伏建筑一体化建筑物一次性造价较高。一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。

二是太阳能发电的成本高。目前太阳能发电的成本是每度约2.3元，比常规发电成本每度1元翻倍。

三是太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性。这是由于太阳并不是一天24小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。

6. 光伏建筑一体化（BIPV）成功应用案例分析

全球最大的光伏建筑一体化幕墙的低能耗生态建筑——尚德电力总部办公大楼

尚德电力总部办公大楼位于江苏省无锡新区新华路。2009年1月8日胜利竣工，总面积约1.8万平方米的全球最大光电幕墙成为这一生态建筑的标志。

这座生态建筑地上为7层，幕墙总高度37米。南立面光伏幕墙玻璃是整个工程的亮点，采用带倾斜角度的不锈钢拉杆驳接钢结构框架式玻璃幕墙系统，东西立面幕墙与南立面呼应一致，整体结构轻盈通透。幕墙总面积约1.8万平方米，PV幕墙面积6900平方米，为目前全球最大的光电幕墙。从主动节能的角度看，整个建筑以最低使用寿命70年计算，共可产生电量3892万kWh， 预计每年可以替代标准煤338吨，减排二氧化碳605吨，70年共可替代标准煤23660吨。

该项目设计容量为710kW，采用多晶硅太阳能电池幕墙光伏组件作为光电转换装置。光伏组件安装在建筑物的南立面，兼顾与建筑整体性和发电量最大化，BIPV方阵与水平面之间的夹角为70度。光伏组件方阵安装在南立面的钢结构上，该幕墙结构为框架式全隐框玻璃幕墙系统，大面可视面面材为双中空夹胶光伏玻璃，交接位置采用铝单板封锈并设置保温岩棉，既保证了保温隔热具有适当的采光能力，又能输出源源不断的绿色电能，设计巧妙，实现了科学性与人性化的高度统一，成为该项目的最大亮点。

7. 结 语

太阳能是我国分布最广的可再生能源资源。光伏建筑一体化可以利用建筑大量的屋顶和墙面资源，有效地增加能源供应。可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。

由于价格、法规等因素，BIPV系统在短期内还难以大规模普及，但随着常规能源的日益枯竭、人们环保意识的日益提高，以及由此促进的制造工艺的革新和技术的发展，BIPV一定会展现出强大的生命力。

参考文献：

1 ROECKER C；AFFOLTER P；BONVIN J PV Building elements [外文期刊] 1995

2 BAHAJ A S Photovoltaic roofing：issues of design and integration into buildings [外文期刊] 2003（14） DOI：10.1016/S0960-1481（03）00104-6

3 郝国强；李红波；陈鸣波 光伏建筑一体化（BIPV）并网电站的应用与发展 [期刊论文] -上海节能2006（06）