太阳能光伏技术在建筑一体化设计中的应用研究

刘志勇

摘要：现代化社会中，人们对舒适建筑环境的追求越来越高，导致建筑采暖、空气调节、照明等能耗日益增长，传统的化石能源也在不断消耗殆尽。随着社会的不断进步和科技的飞速发展，各种新型能源逐步得到人们重视。太阳能作为新型能源中的一种，具有可再生、能量大、普及广、绿色清洁等优点。近年来，光伏发电在新能源开发利用上得到了广泛的应用，其中光伏建筑一体化应用技术具有广阔的应用前景。

关键词：太阳能;光伏发电;光伏建筑一体化;能源

一、太阳能利用技术方法与优点

工程实践表明，光伏发电技术是一种技术可靠、使用便捷、低碳环保，易于大规模生产利用的先进可再生能源技术，其优点如下：（1）太阳能资源是一种取之不尽、用之不竭的洁净的可再生能源。开发利用时不消耗传统化石燃料能源，不会排放产生废水、废气、废渣等污染物，是自然能源中较为理想的清洁能源。（2）太阳能利用不受地域条件的限制。任何有太阳的地域均可就地开发利用。不存在选址、运输等问题，特别是在交通不便利、偏远的乡村、海岛，太阳能能利用价值更高。（3）太阳能可靠性高、维护简单。光电板、逆变器、蓄电池等设备分布安装，提高了整个能源系统的安全性、可靠性及耐久性。即使在恶劣的使用环境下，光伏发电系统故障也较少，因此运行维护成本较低。（4）光伏建筑集成由于占地面积小、安装便利、供电可靠等原因，是目前国际上太阳能研究发展的前沿。

二、太阳能光伏系统建筑一体化利用方式与优势

（一）太阳能光伏系统建筑一体化利用方式。“光伏发电与建筑物一体化”的概念在1991年正式提出，是目前世界上大规模利用光伏发电的研发热点。太阳能光伏与建筑物相结合主要有两种形式：一种是在建筑物屋顶、立面安装平板光伏器、光伏阵列与电网并联向用户供电，从而形成用户联网光伏系统。第二种形式是将光伏器件与建筑实现集成一体化，即在建筑物屋顶或立面安装光伏发电电池板，用光伏发电的玻璃幕墙代替普通的玻璃幕墙，由屋顶和墙面的光伏器件直接吸收转化太阳能，太阳能系统平板既可以做建材又可以发电，进一步降低光伏发电的成本。目前，许多国家已研制出大尺度的彩色光伏模块可替代昂贵的墙体外饰材料，使光伏发电与建筑物一体化成本进一步降低。

建筑物与太阳能光伏发电系统的进一步有机结合是将太阳能电池板与建筑顶面、立面材料集成一体化。建筑物建设使用过程中，建筑立面墙体结构表面通常采用喷涂涂料、铺贴瓷砖、安装幕墙玻璃等。如果用太阳能电池板替代建筑立面墙体及屋顶建筑材料，太阳能电池板既可作为建筑装饰材料，也可以用于光伏发电系统。由此可见，实现太阳能电池板与建筑的有机一体化结合，是太阳能光伏发电系统建筑一体化推广与应用的一个关键问题，这种结合并非是建筑与太阳能电池板简单“叠加”，而是在建筑与光伏系统设计方案阶段将太阳能电池板纳入建筑设计构思中。

太阳能电池板用于建筑材料，必须具备建筑材料的基本要求，如坚固耐久、防水防潮、保温隔热、隔音等以及适当的强度和刚度等性能。若安装在屋顶、窗户等，还应具有透光的性能。太阳能光伏系统建筑有机结合，根据建筑工程使用及工况的需要，与普通的平板式光伏系统组件不同，太阳能电池板兼有发电与建筑装饰材料的功能，必须满足建筑材料的基本性能需要。应该遵循以下原则：①建筑物设计完成后使太阳能电池板成为建筑不可缺少的一部分，成为建筑结构构成部分。②太阳能电池板的颜色和肌理必须与建筑物的相关部分相和谐统一，与建筑物的整体风格相结合。③太阳能电池板的比例和尺度必须与建筑整体的比例与尺度相协调，这将决定太阳能电池板的分格尺寸与形式。④太阳能电池板屋顶具体的细部设计，如材料用量是否最小化、设计细节是否和谐、有机等需统一考虑。

（二）太阳能光伏系统建筑一体化优势。太阳能光伏发电系统建筑一体化的方式各不相同，这取决于地理、文化及政府政策等。在国外，由于公共建筑的建造与设计程序严格，太阳能电池板系统在个人住宅与公寓建筑使用的较为普遍。而在我国，特别是城市建筑，由于建筑开发是商家或政府性行为，因此是否采用太阳能电池板系统完全取决于开发商或政府。在我国，日照充足的地区无论公共建筑还是住宅屋顶和墙面使用太阳能电池板系统的市场潜力十分巨大，从建筑结构、技术利用和经济效益来分析，太阳能电池板与建筑的一体化优势如下：

（1）节约用地，便于安装，保护环境。太阳能光伏发电系统一般安装于建筑物的屋顶或外立面墙体上，无需额外占用土地或增建其他建筑设施，适用于人口比较密集的建筑群、办公区使用，尤其适用于土地昂贵的城市。由于太阳能电池板的组件集成化，光伏设备安装比较方便，而且可以根據负载的耗电量来选择装机容量。与此同时，由于太阳能光伏发电系统设备安装在建筑物的屋顶或立面墙体结构上，太阳能转换为电能可降低建筑物临近室外区域的温度，从而达到减少室内空调制冷用电负荷，既节约了能源，又保证了室内的空气质量，同时也避免了由于使用传统化石能源燃料发电所导致的环境污染。（2）减少投资，保证供应，实现安全用电。太阳能光伏发电系统安装不受地域条件限制，可实现就地发电用电，因此可以大幅度减少电站及输送电网的建设投资。建筑物实现光伏发电系统一体化，光伏发电系统所发电力既可供给本建筑物使用，也可储存于蓄电池或外送入电网。在自然条件差，负载可由蓄电池供电;在自然条件差较好，通常会出现电网用电高峰，以往需采取拉闸限电措施，但此时也正是太阳能光伏发电系统发电量最多的时候。建筑一体化太阳能光伏发电系统除可保证建筑物负载用

电外，还可以向外电网供电，太阳能光伏发电系统的集成特性可以节约储存电力的费用，另外用电安全性能也得到提高，从而缓解夏季电力高峰需求压力，从而彻底解决电量不够的问题。（3）增效规模，降低成本。建筑一体化太阳能光伏发电系统中，太阳能光伏发电系统面板代替建筑屋顶或立面墙面，可以节约大量的建筑成本。另外，太阳能光伏发电系统面板在建筑用电地点发电，避免传输和分电损失（5%～10%），降低了电力传输、分配投资和维修费用。在建筑屋顶或立面结构上安装太阳能发电系统设备，用太阳能电池板代替部分建筑材料，可以促进太阳能电池板工厂化规模生产，从而能进一步降低工程造价，有利于太阳能发电系统光伏产品的推广与应用，市场潜力巨大。

三、太阳能光伏发电系统建筑一体化设计原则

太阳能光伏发电系统建筑一体化的设计原则要求，运营系统既要保证建筑中光伏发电系统的长期运行可靠，又要充分满足用电设备的需要，使系统的配置实现合理、经济。工程建设与投产中使用尽量少的太阳能光伏系统组件，使太阳能光伏发电组件与建筑物有机合为一体，替代部分建筑材料，如屋面与立面墙体装饰材料，达到建筑节能的效果。协调光伏系统与建筑成本之间的关系，在满足正常需要，保证系统、建筑质量的前提下尽可能的节约建筑与安装成本投资，达到投入与产出最好的经济效益。

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