光伏建筑一體化

1、將光伏技術(shù)引入到建筑中全球氣候變化的潛在威脅，日益增長的能源需求，化石能源不可避免的枯竭，使得人類對可再生能源的需求越來越迫切。與此同時，建筑能耗在工業(yè)國家中已經(jīng)占到了20%-30%，因此越來越需要在建筑設(shè)計中考慮能耗和環(huán)境。傳統(tǒng)的節(jié)能建筑考慮了隔熱、采暖、通風、溫室、光照設(shè)計等方面，但光伏發(fā)電主動式地產(chǎn)生高品位能量，與建筑完美結(jié)合，提供了一種可持續(xù)建筑的新理念。什么是光伏建筑一體化光伏建筑一體化（BIPV）是將建筑和光伏發(fā)電結(jié)合的一種理念。這種發(fā)電系統(tǒng)既能夠發(fā)電，又是建筑的一部分。BIPV系統(tǒng)的標準構(gòu)件是光伏組件（PV Module）。太陽光照射在太陽電池上產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)，產(chǎn)生直流電。太陽

2、電池連接起來并封裝在不同的材料上構(gòu)成組件。組件通過電氣的串并聯(lián)方式連接成光伏方陣。光伏方陣輸出的直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⑷腚娋W(wǎng)。光伏組件可以通過多種方式集成到建筑中。最簡單的將光伏組件直接安裝在建筑的外表，但是這只是屋頂?shù)墓夥l(fā)電。我們認為光伏建筑一體化，需要將光伏組件融合到建筑中，成為建筑的整體結(jié)構(gòu)的一部分。當光伏組件放在建筑的背景下，將不僅僅從能量的角度考慮。因為光伏組件的特性也可以作為多功能的建筑因素，提供電能和控制采光，使建筑引進新的設(shè)計理念。建筑一體化的光伏組件（BIPV module）可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建筑材料，降低光伏發(fā)電的成本。它并不占用額外的空間，在人口稠密的城市也能使用。

3、它可以做到發(fā)電就地使用，減少能量運輸?shù)膿p耗。電網(wǎng)電能的需求高時，通常恰好是用電高峰，它可以起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)的作用。設(shè)計良好的一體化系統(tǒng)也能夠提高市場的接受程度，為業(yè)主塑造良好的社會形象，是太陽能利用的最佳形式。光伏組件沒有機械運動部件，不會對建筑結(jié)構(gòu)造成問題，維護成本低。光伏組件已經(jīng)證明可以正常工作至少30年以上。光伏組件是模塊化的技術(shù)，可以根據(jù)實際需要設(shè)計光伏方陣面積。光伏技術(shù)基本到處都是可以使用，組件也容易運輸和裝載。這些因素使光伏技術(shù)，尤其是結(jié)合建筑的BIPV具有優(yōu)越性和可行性，也許目前唯一阻擋它的只有價格。只要光伏組件更好地普及，市場的需求將推動生產(chǎn)規(guī)模的擴大和光伏技術(shù)的進步，價格將有一天

4、為我們所接受。設(shè)計一體化的光伏建筑由于光伏建筑一體化是光伏和建筑的集成，其核心問題就是光伏和建筑的不同設(shè)計目標造成了沖突。光伏發(fā)電系統(tǒng)的目標是通過優(yōu)化光伏方陣方位和角度等因素以最大化能量產(chǎn)出，但是建筑方面需要考慮的包括了建造成本、優(yōu)化建筑面積、采光控制、熱性能和建筑美感。建筑外殼需要適當減少太陽光的入射功率，因為制冷通常是建筑最大的能耗點。光伏則需要獲得最多的太陽輻射以最大化性能。因此一個出色的BIPV設(shè)計需要工程師和建筑師的合作。再談到材料，由于BIPV組件是需要配合建筑結(jié)構(gòu)的使用，它不像一般組件只由一塊玻璃和TPT或兩塊玻璃這樣封裝的，而需要采用了雙層結(jié)構(gòu)、安全玻璃、中空玻璃、low-e玻

5、璃、加干燥劑等技術(shù)。它必須像使用在建筑幕墻的安全玻璃那樣符合建筑的安全標準，以抵抗風壓、冰雹等自然因素的影響。為了減少室內(nèi)采用空調(diào)控制溫度，必須具備一定隔熱的功能。為了減慢組件的老化還必須保持氣密性。為了滿足室內(nèi)采光的要求，必須控制組件的透光率。甚至為了與建筑的外形協(xié)調(diào)，必須考慮組件的顏色和形狀。組件之間的埋線和防雷等更不在話下。而且不僅是組件本身的一體化，光伏系統(tǒng)的維護和運行控制也必須集成到建筑的維護和控制。另外，缺乏美感的光伏應(yīng)用將會在市場遇到更大的阻力，這來自于追求建筑效果的建筑師和期望看到城市良好形象的政府官員，這是對光伏發(fā)電技術(shù)的挑戰(zhàn)，也是BIPV發(fā)展的機會。設(shè)計良好的BIPV，是能

6、夠?qū)⒐夥膬?yōu)勢和建筑的特點完美的融合。因此評價BIPV的設(shè)計需要從三個方面考慮。從光伏技術(shù)上，必須考慮光伏方陣的空間位置和方向，方陣和逆變器的配合，防雷、絕緣等的安全措施；從建筑設(shè)計上，必須滿足特殊的建筑標準，減少建筑的能耗，提高居住的舒適度；從建筑美學上，這是最少科學、比較主管的判斷。光伏建筑的案例分析我們從一個具體的案例來應(yīng)用以上所提到的技術(shù)。北京火車南站光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在南站屋面中央采光天窗上，按照整個采光天窗約30%比例布置光伏電池板，光伏方陣分布在最大長度約為400米,最大寬度約為50米的屋面上兩側(cè)及兩端。光伏方陣朝向為北偏西45度，光伏方陣的傾角為7度。單塊光伏全玻組件的功率分別為

7、150W和225W，分別使用了720塊和604塊，由此構(gòu)成BIPV光伏屋面。光伏組件采用了CIS太陽電池，相比晶體硅電池，其優(yōu)點可以選擇具有不同透光率。因為采光帶下方是高架旅客候車廳，必須滿足透光和遮陽的要求。中央采光帶彩釉玻璃的透光率為40%，光伏組件透光率控制在10%。晶體硅達到透光性必須通過組件的間隔，建筑視覺效果不如CIS。此外，此應(yīng)用中的傾角較理想角度小，CIS的發(fā)電功率受入射角的影響要比晶體硅電池小。光伏組件作為直接作為建筑屋頂，還必須能夠承受一定的風壓和積雪重量。因此采購的CIS光伏組件結(jié)構(gòu)強度不夠，不能直接作為建筑材料。南站是采用了采用了2塊75W的CIS太陽電池組件加封裝玻璃

8、構(gòu)成一塊光伏全玻組件和3塊75W的CIS太陽電池組件加封裝玻璃構(gòu)成一塊光伏全玻組件。封裝玻璃必須具有滿足建筑要求的強度，并切割成所需的尺寸。同時在全玻組件中加入干燥劑滿足水密性，減緩太陽電池老化。光伏組件與屋頂結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合保持了屋頂結(jié)構(gòu)的建筑風格和觀賞性。整個光伏屋頂系統(tǒng)由30個子系統(tǒng)構(gòu)成,系統(tǒng)總安裝功率為243.9kWp。光伏系統(tǒng)采用無儲能裝置與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，并網(wǎng)方式為不可逆流，并滿足一定的電能質(zhì)量要求。直流系統(tǒng)采用不接地系統(tǒng)，交流系統(tǒng)采用的與建筑交流系統(tǒng)一致。為保護逆變器不受直流系統(tǒng)和市電引入的感應(yīng)雷破壞，在直流配電柜和交流配電柜分別安裝了防雷器。該光伏電站年實現(xiàn)發(fā)電約l0萬kWh，可節(jié)約

9、燃煤36t，減少二氧化碳排放8.7噸。它有著在全社會倡導節(jié)能環(huán)保的功效，成為公眾示范建筑。光伏建筑發(fā)展的愿景中國政府早期通過國際間的合作，完成了中國西部的系列示范項目。主要是采用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)或建設(shè)小型光伏電站，解決偏遠地區(qū)無電村和無電戶的供電問題另外，光伏發(fā)電在通訊、氣象、長距離管線、鐵路、公路等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。這兩者占據(jù)了目前我國的光伏發(fā)電的主要部分，但都不是并網(wǎng)發(fā)電，而且兩者的建筑一體化的水平都較低，或者基本不考慮。光伏發(fā)電技術(shù)的最好的實現(xiàn)形式是光伏建筑一體化和并網(wǎng)發(fā)電。目前我國BIPV的發(fā)展水平總體處于示范階段，BIPV的市場并未形成，特別是建筑設(shè)計部分較為薄弱。目前有條件發(fā)展BI

10、PV的是在經(jīng)濟較發(fā)達、現(xiàn)代化水平較高的大中城市。國家可再生能源中長期規(guī)劃中提到，建設(shè)與建筑一體化的屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電設(shè)施，首先在公益性建筑物上應(yīng)用，然后逐漸推廣到其它建筑物，同時在道路、公園、車站等公共設(shè)施照明中推廣使用光伏電源?！笆晃濉睍r期，重點在北京、上海、江蘇、廣東、山東等地區(qū)開展城市建筑屋頂光伏發(fā)電試點。到2010年，全國建成1000個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘?0MW。到2020年，全國建成2萬個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘?000MW。政府的一些公共項目的確開始采用光伏技術(shù)，并且隨著光伏開始進入公眾視野，2007年已經(jīng)有7000萬m2的建筑使用了光伏發(fā)電，比2005年增長了40%，當中出現(xiàn)了一些大型的BIPV的應(yīng)用，如深圳園博園1MW、首都博物館300kW、北京南站200kW的光伏并網(wǎng)電站等。隨著快速的經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程，中國正經(jīng)歷一個建筑行業(yè)的高速發(fā)展時期，當前的建筑將很大程度決定未來一段時期的城市風貌，我們應(yīng)該考慮一些未來的技術(shù)和應(yīng)用，以免造成的將來的遺憾。當然目前一系列關(guān)于光伏集成的國家光伏標準已經(jīng)或正在出臺。中國政府將加強光伏集成建筑的示范項目。甚至為了保護和評價光伏設(shè)備和環(huán)境影響，國家已經(jīng)制定了有關(guān)的光伏建筑標準和準則，以及提供了國家級的訓練和評價體系。但是中國光伏建筑的發(fā)展不僅依賴于法律法規(guī)和政策，更重要的是可持續(xù)發(fā)展的概念是否已經(jīng)被決策層、公共管理人員和