光伏建筑一体化相关问题的探讨

迭勇

［陕西省建筑设计研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710018］

0 引言

我国现在提倡节能减耗，我国耗能最为严重的有三项，分别是建筑、工业、交通。其中最为严重的一项便是建筑耗能，我国大部分的建筑都属于耗能建筑，需要消耗大量的能源，耗能甚至比其他行业还要高上许多，2018年中国建筑节能协会能耗统计专委会在上海发布了《中国建筑能耗研究报告（2018年）》指明，2016年间，中国建筑能源消费总量为8.99 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20.6%。因此我国想要实现建筑行业的节能减耗，就需要从建筑物的整体方面着手进行节能，才能够从根本上减少我国建筑行业的能源消耗。而在90年代，我国诞生了光伏建筑一体化的新型节能减耗概念，其主要利用原理是将光伏系统与建筑相结合，利用太阳能来持续发电，能够减少能源消耗，给建筑整体供电[1]。这项技术实现起来相对要简单一点，主要是因为它整体操作并没有那么复杂，它主要是建立在一般的建筑屋顶以及外墙面上。根据我国颁发的最新文件当中指出，太阳能资源的利用可以适用到每一个城市当中，它可以开展光伏屋顶，利用日照光、阳光，从而实现发电。光伏建筑一体化是一种新研发的技术，其存在一定的优势，可以为我国节能减耗这一目标提供帮助，尽可能的减少对自然环境的污染[2]。

1 光伏与建筑结合的方式

光伏如何能与建筑之间结合的最为恰当，这是国内研究人员与国外研究人员需要共同研究的一部分。而在国外研究人员对于光伏建筑一体化的研究结果表明光伏与建筑的结合主要有以下两种形式。①建筑物与光伏系统结合，或称为光伏附着设计（BAPV）。②建筑与光伏组件结合，或称为光伏和建筑的一体化集成设计（BIPV）。就是指把组装好的光伏组件密封好，然后安装在建筑物的屋顶上减少面积上的占用。光伏建筑一体化安装的成本以及需求没有严格的要求，并且能有效的降低光伏发电的成本，所以可以推广这一项技术，使其得到更加广泛的应用。并且光伏组件可以代替部分建筑材料，从而能够节省一部分建筑材料的成本，由此看来，光伏更加有推广的意义。而国内研究人员对这一方面的研究还没有得出统一的结果，对光伏与建筑结合的形式认为是各种各样的，并没有能够很好的统一到一起[3]。目前光伏阵列与建筑物相结合的方式有很多，为了能选择出最合适一种类型，就需要在光伏与建筑结合的实际操作过程中不断实践的同时，需要进行记录与收集大量的数据作为支撑，以给研究人员提供参考。各个工程项目之间存在着一定的区别，但是要具体区分它所属的类型还有一定困难，尤其是构建式和支架式的类型很相像。还有例如遮阳构件、雨蓬构件等，都是安装在支撑结构上面的，而是否将其定义为支架，目前还存在着不同的意见。从电池板的生产难度、发电效率以及安装技术难度而言，构件式与支架式光伏一体化技术差别不明显，但是这两种形式和建材式有着明确的区分，仅从光伏产品的加工过程就能明确地进行区分。因此，将光伏和建筑结合分为建材式和非建材式，就能明确的反映光伏和建筑结合的一体化程度。我国目前常用的光伏和建筑结合的方式是构建式和支架式，但是所使用的建筑材料有一定的差异，特别是在光伏产品加工的过程中就能够清晰的区别。因此在设计时就需要考虑到多方面的因素，尤其是光伏发电系统与建筑物之间应该怎样的结合才最为合适。例如：太阳能电池组件与传统的屋顶之间材料是否能够更好地结合在一起，如何才能使光伏组件成为光伏建筑一体化当中的一部分。设计师必须得结合多方面的情况下，既能保证建筑物整体的美观，又能够使光伏系统的发电性能发挥到最大作用，让建筑物与光伏发电系统能够更好的结合到一起[4]。非建材式的光伏建筑一体化技术的优势是它不会对现有的建筑物的整体结构进行较大的改动，整体操作安装起来会较为简便，它的操作过程只需要在建筑物的表面进行金属支架的安装，然后再将光伏组件固定到金属支架上就能够起到固定性，这样的操作方法还能使光伏组件阵列以及固定安装连接件能够稳稳的固定在建筑屋顶或侧墙上，唯一的缺陷就是它会对建筑物的整体美观起到一定的影响以及对建筑的屋顶和外墙造成损坏。光伏建筑一体化系统在市场当中主要是以非建材式的形式出现，但是随着经济的发展和时代的变迁，光伏建筑一体化系统的使用会逐渐增加。

2 光伏电池的选择

光伏发电系统的主要核心便是太阳能电池，因此太阳能电池的整体性能和特点是非常重要的，它能够对光伏建筑一体化起到一定的作用。特别是光伏建筑一体化在进行设计时，对于系统的整体安全有着直接影响。所以在进行光伏建筑一体化设计以及施工前，要进行太阳能光伏电池的选择，而选择的过程中需要考虑到多方面的问题[5]。而目前光伏建筑一体化当中使用的太阳能光伏电池主要是硅基电池，另外一种常用的电池是晶硅类电池。而太阳能电池主要分为三大类，晶体硅电池、非晶体硅电池和砷化镓、砷化镉等其他薄膜电池。每一种电池之间的价格使用性能和寿命都有着明显的差异，但各有优势。晶体硅太阳能电池转换率相对要好一点，但是所使用的成本也要高一点，相应的所使用的寿命也比另外两种要好得多，三者比较之下晶体硅太阳能电池技术相比其他两种更为成熟。非晶硅电池发电效率相对来说要弱一点，但是所使用的成本消耗不高，三种电池当中所消耗成本最低的一种，但是相应的寿命也会有一些短。但是受不同外界环境因素的影响下，非晶硅电池的耐受性相对要高一点，尤其是在外界环境温度急剧升高的情况下，电池整体温度也会有所升高，而辐射照度不高的时候，发电性能还是强于晶体硅电池。尤其是在使用同等功率电池发电的时候，晶体硅电池的电储存量就显得不足。而非晶硅电池的优势是，它在辐射条件差的情况下也能够更好的使用，并且这款电池还可以很好的节能减耗。从多种方面考量之下成本少而又能够有可靠稳定的发电性能，这样的太阳能电池会更受到未来市场发展的欢迎。而另外一种砷化镓、砷化镉等其他薄膜电池不受市场的欢迎的原因是，因为他使用起来效率不是最好的，寿命也不是最长的，成本还是最高的，折旧率也高。唯一的优势便是整体的质量轻、厚度薄、外表光滑。根据这三种电池的性能来选择最为合适光伏建筑一体化所使用的电池，光伏建筑一体化又需要根据施工现场的实际情况来选择最为合适的电池类型。尤其是优先要选择性能比较稳定，寿命比较长，能够有效控制整体性能最佳的电池。而不同的建筑物所使用的电池类型也会有所差异，例如：光伏幕墙宜选用非晶硅薄膜电池，就是因为在四季不停变化的过程中，会受到自然环境因素影响，而光伏幕墙可以起到遮挡的作用，在夏季可以防止建筑物过热，而在冬季又能够利用传统的太阳能进行吸热平衡温度。考虑到这些因素，非晶硅太阳能电池在光伏建筑一体化当中必然会得到广泛的应用，这也是为了能够适应未来建筑行业的发展需求。而砷化镓、砷化镉等其他薄膜电池主要的优势是它用的材料少，质量轻，外表光滑，在安装方面操作起来相对要简单，并且还可以进行弯曲，更适合于安装在建筑构件的表面上，但它的缺陷是成本较高，整体使用寿命不长，考虑到非晶硅太阳能电池的各方面特点后，在光伏建筑一体化当中一般都不会采用这种电池。对比完所有的类型的电池的优缺点之后，需要注意的是，不同的电池的特性会有着怎样的影响。例如：晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。两者之间除了成本有着极大的差异以外，对自然环境当中温度造成的影响也有不同程度的表现。相对比之下晶体硅太阳能电池比较容易受到温度的影响，会导致整体的发电效率达不到正常水准，而非晶硅光伏电池就不会受到温度太多的影响，它的发电效率还是能够保持相对正常。在选择不同的太阳能电池时，对整体的通风设计方面也会有着差异，比如在选择晶体硅太阳能电池时，它的通风设计需要考虑到温度因素的影响，避免太阳能电池温度过高影响到发电效率。另一方面是需要考虑到晶体硅太阳能电池与建筑物相结合后，可能会受到遮挡物的遮挡，而遮挡后无法更好的进行正常工作，对整体的发电量有着较为严重的影响，而相比较之下，非晶硅太阳能电池就不会受到太多影响，哪怕它被遮挡了部分面积，也不会对功率损失有多大影响。如果在建筑物当中常常会存在遮挡物的出现，那么光伏建筑一体化就应该首选非晶硅电池。

3 光伏建筑一体化性能的耗能以及成本

光伏建筑一体化系统的所有成本包含的内容较为广泛，安装以及使用过程中都需要进行定期的维修与保养，这都会产生相应的费用。所以要对费用进行统计，估算出整体成本。而光伏建筑一体化系统当中消耗的能源主要来源是光伏组件以及光伏系统的配件生产，会产生一定的能源消耗。

光伏组件的能源消耗以及成本如下。

在我国现有技术条件下，太阳能电池制作时会使用到大量的硅，每个硅片制成太阳能电池都会有一定的消耗，并且会产生固定的电功率。根据过往实际使用的情况，数据进行收集统计之后得出光伏组件的耗能以及生命周期相结合来看得出结论，产能大于耗能。尽管我国在这一方面一直持续不断的研究，对生产成本也进行了控制，减少了一定的消耗，但是随着经济下行因素的来临，整体的光伏市场受到了急剧的影响。根据研究学家进行研究之后表明，光伏建筑一体化系统的光伏发电成本会大幅度的降低费用，在未来，光伏发电的成本会与光伏建筑一体化运行以及维保成本两者之间达到一个平衡点。不过还是有许多不可控的因素存在，所以也没有办法能够直接的确定光伏建筑一体化未来的发展前景。

4 光伏建筑一体化系统与常规的光伏电站之间存在的差别

下文主要围绕光伏建筑一体化系统与常规的光伏电站之间的差别，举出几点例子以供参考。

（1）光伏建筑一体化系统减少了面积的使用以及建筑的一些基本费用。尤其是建筑物使用建材式的光伏模块代替了建筑材料的使用，这样就从成本上减少了一些资源的浪费，并且也实现了节能减耗。

（2）在建筑物当中必不可少的便是电力输送这一方面，而有些输电线路长期使用必然会造成一些损害，而光伏建筑一体化系统便能够减少电力输送损害，这样一来也就降低了相应的成本，也减少了一些设备的使用。

（3）光伏建筑一体化也并不全是优点，因为安装时会增加一定的安装费以及维修和保养的费用，这些费用都是没有办法具体估计的。

5 光伏建筑一体化的缺点

光伏建筑一体化存在的缺点主要是光伏建筑所需的成本消耗较高，另一缺点是我国对光伏建筑一体化的相关政策以及补贴还不够完善。还有一重要因素是，我国与外国的科技创新相比之下还处于落后的阶段，尽管我国已经对光伏建筑一体化重视起来，也加大了更多资金的投入，但是并没有能够完全掌握光伏建筑一体化的先进核心技术，这导致我国的光伏建筑在发展过程中，还需要依靠着国外的技术。而光伏建筑一体化的发电系统的初始投资以及总体运行所消耗的费用较大，最初开始投资时需要对光伏系统所使用的相关费用包括范围甚广，其中包括了定期维护与修理费用。为了使光伏建筑一体化实现经济性，就必须要对光伏的相关费用进行研究，从而实现光伏与建筑的一体化发展。

6 结语

综上所述，我国的光伏建筑一体化发展较晚，所以需要借鉴国外光伏建筑一体化的相关经验，并根据我国的实际情况来制定出更符合我国的光伏建筑一体化系统。随着我国经济的发展，也对各方面重视起来，尤其是光伏建筑一体化的发展，我国政府部门出台了许多相关的政策条例和投入了大量的资金。在未来，光伏建筑一体化将会得到更好的发展。