太陽能光伏建筑一體化的設(shè)計要點

劉 寧 王軍輝

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710001）

1 引言

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力。充分利用太陽能有利于保持人與自然的和諧相處及能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

太陽能光伏建筑一體化 BIPV(Bui1ding Integrated Photovoltaias)，是在2006年9月30日深圳太陽能學會年會上首次提出。在這次會議上，建筑領(lǐng)域的代表，介紹了光伏建筑相關(guān)的另一個重要概念，“零能耗建筑”，一旦光伏建筑的發(fā)電量達到能夠滿足住戶生活需求，則稱之為“零能耗建筑”。由于建筑是一個復雜的系統(tǒng)，一個完整的統(tǒng)一體，如果要將新型太陽能技術(shù)融入到建筑設(shè)計中，同時繼續(xù)保持建筑的文化特征，就應該從技術(shù)和美學兩方面入手，使建筑設(shè)計與太陽能技術(shù)有機結(jié)合，由此產(chǎn)生了“一體化設(shè)計”的概念?！耙惑w化設(shè)計”是指在建筑規(guī)劃設(shè)計之初，就將太陽能利用納入設(shè)計內(nèi)容，使之成為建筑的一個有機組成部分，統(tǒng)一設(shè)計、施工、調(diào)試。

2 光伏建筑一體化分類

根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合形式的不同，BIPV可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用；另一類是光伏方陣與建筑的集成。光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。如光電屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?。光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的 BIPV形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。光伏方陣與建筑的集成是 BIPV的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求，同時還要兼顧建筑的基本功能要求。表1為常見的與建筑結(jié)合的安裝方式。

表1 常見的與建筑結(jié)合的安裝方式

3 建筑設(shè)計要點

光伏建筑一體化是光伏系統(tǒng)依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式，其主體是建筑，客體是光伏系統(tǒng)。因此，BIPV設(shè)計應以不損害和影響建筑的效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命為基本原則，任何對建筑本身產(chǎn)生損害和不良影響的BIPV設(shè)計都是不合格的設(shè)計。

BIPV的設(shè)計應從建筑設(shè)計入手，首先對建筑物所處地的地理、氣候條件及太陽能的資源情況進行分析，這是決定是否選用 BIPV的先決條件；其次是考慮建筑物的周邊環(huán)境條件，即選用BIPV的建筑部分接受太陽能的具體條件，如被其他建筑物遮檔，也不必考慮選用 BIPV；第三是與建筑物的外裝飾的協(xié)調(diào)，光伏組件給建筑設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇，畫龍點睛的 BIPV設(shè)計會使建筑更富生機，環(huán)保綠色的設(shè)計理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合；第四考慮光伏組件的吸熱對建筑熱環(huán)境的改變。

太陽能電池與建筑相結(jié)合，有時不可避免的會受到遮擋，如樹、廣告牌、女兒墻、其他建筑。遮擋對于晶體硅電池發(fā)電量影響很大，對于非晶硅的影響會小得多。一塊晶體硅電池組件被遮擋了 1/10的面積，功率損失將達到 50%；而非晶硅受到同樣的遮擋，功率損失只有10%，這就是薄膜電池弱光發(fā)電性能的體現(xiàn)。如果太陽能電池不可避免的會被遮擋，應當盡量選用非晶硅電池。同時，建議每一個 BIPV項目都要經(jīng)過專業(yè)的遮擋分析，長期處于陰影遮擋下的建筑，是不適合做BIPV的。

設(shè)計時我們應該采用專業(yè)生態(tài)環(huán)境分析軟件對建筑所處環(huán)境進行模擬分析，合理布置電池板，使電池板始終在太陽的“光芒”下。分析時對系統(tǒng)所處位置采用按春分、夏至、秋分、冬至四個時間點。冬至、夏至是太陽的南北回歸線，對于地球來說是太陽運行距離最遠的兩個端點，如果建筑在這兩個時間點上不被遮擋，那么我們布置的電池板將會長年接受陽光的照耀。

BIPV建筑說到底就是一個建筑，它是建筑師的藝術(shù)品，而對于建筑物來說光線就是他的靈魂，因此建筑物對光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃，其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處，這個位置需要光線通透，這時就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，用來滿足建筑物的功能。同時為了節(jié)約成本，電池板背面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。

4 結(jié)構(gòu)安全性與構(gòu)造設(shè)計要點

光伏組件與建筑的結(jié)合，結(jié)構(gòu)安全性涉及兩方面：一是組件本身的結(jié)構(gòu)安全，如高層建筑屋頂?shù)娘L荷載較地面大很多，普通的光伏組件的強度能否承受，受風變形時是否會影響到電池片的正常工作等。二是固定組件的連接方式的安全性，組件的安裝固定不是安裝空調(diào)式的簡單固定，而是需對連接件固定點進行相應的結(jié)構(gòu)計算，并充分考慮在使用期內(nèi)的多種最不利情況。建筑的使用壽命一般在 50年以上，光伏組件的使用壽命也在20年以上，BIPV的結(jié)構(gòu)安全性問題不可小視。構(gòu)造設(shè)計是關(guān)系到光伏組件工作狀況與使用壽命的因素，普通組件的邊框構(gòu)造與固定方式相對單一，與建筑結(jié)合時，其工作環(huán)境與條件有變化，其構(gòu)造也需要與建筑相結(jié)合。如隱框幕墻的無邊框、采光頂?shù)呐潘绕胀ńM件邊框已不適用。

當光伏組件與建筑集成使用時，光伏組件是一種建筑材料，作為建筑幕墻或采光屋頂使用。因此，需滿足建筑的安全性與可靠性需要。光伏組件的玻璃需要增厚，具有一定的抗風壓能力，同時光伏組件也需要有一定的韌性，在風荷載作用時能有一定的變形，這種變形不會影響到光伏組件的正常工作。

當光伏電池作為一種建筑維護材料，我們必須首先對其強度和剛度做詳細的分析檢查。

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全校核應包括但不限于以下幾方面：

（1）電池組件（面板材料）強度及剛度校核；

（2）支撐構(gòu)件（龍骨）的強度及剛度校核；

（3）電池組件與支撐構(gòu)件的連接計算；

（4）支撐構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接計算。

5 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要點

BIPV是根據(jù)光伏方陣大小與建筑采光要求來確定發(fā)電的功率并配套系統(tǒng)。光伏組件設(shè)計涉及電池片的選型(綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量)與布置(結(jié)合板塊大小、功率要求、電池片大小進行)、組件的裝配設(shè)計(組件的密封與安裝形式)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，即系統(tǒng)類型(并網(wǎng)系統(tǒng)或獨立系統(tǒng))確定控制器、逆變器、蓄電池等的選型及防雷、系統(tǒng)綜合布線、感應與顯示等環(huán)節(jié)設(shè)計。

普通光伏系統(tǒng)的大部分連接線都是敞開在大氣中，空氣對流充分，溫度低。BIPV建筑系統(tǒng)中的連接線大多都在幕墻立柱、橫梁等密閉結(jié)構(gòu)中，其溫度遠遠高于普通光伏系統(tǒng)電線所處的環(huán)境溫度，這對 BIPV建筑系統(tǒng)中電線的要求要高很多。普通系統(tǒng)中，一般使用普通的聚氯乙稀銅線就能滿足要求，但在 BIPV系統(tǒng)中，建議使用光伏專用電線、雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線。另外考慮到溫度對電阻的影響，BIPV建筑系統(tǒng)中選用的電線直徑應該要比普通光伏系統(tǒng)大一些。

在設(shè)計 BIPV建筑時要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統(tǒng)設(shè)備選型。但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會造成組件間的電壓、電流不同。這個時候可以考慮對建筑立面進行分區(qū)及調(diào)整分格，使 BIPV組件接近標準組件電學性能，也可以采用不同尺寸的電池片來滿足分格的要求，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外，還可以將少數(shù)邊角上的電池片不連接入電路，以滿足電學要求。

6 光伏方陣與光伏組件的設(shè)計要點

影響光伏發(fā)電有兩個因素，一是光伏組件可能接受到的太陽能；二是光伏組件本身的性能。由于太陽能發(fā)電的全部能量來自于太陽，因而太陽能電池方陣所能獲得的輻射量決定了它的發(fā)電量。而太陽輻射量的多少與太陽高度、地理緯度、海撥高度、大氣質(zhì)量、大氣透明度、日照時間等有關(guān)。一年當中四季的變化，一天當中時間的變化，到達地面的太陽輻射直散分量的比例，地表面的反射系數(shù)等因素都會影響太陽能的發(fā)電。但這些因素對于具體建筑而言是客觀因素，幾乎只能被動選擇。對于光伏組件而言，光伏方陣的傾角、光伏組件的表面清潔度、光伏電池的轉(zhuǎn)換率、光伏電池的工作環(huán)境狀態(tài)等是我們在設(shè)計過程中應該考慮的。對于某一具體位置的建筑來說，與光伏方陣結(jié)合或集成的屋頂和墻面，所能接受的太陽輻射是一定的。為獲得更多的太陽能，光伏方陣的布置應盡可能地朝向太陽光入射的方向，如建筑的南面、西南、東南面等。

用于 BIPV的光伏組件，由于其安裝朝向與部位的要求，在不可能作為建筑外裝飾的主要材料的前提下，光伏組件的顏色與質(zhì)感需與整座建筑協(xié)調(diào)。

在光伏組件與建筑集成使用時，如光電幕墻和光電采光頂，通常對它的透光性會有一定要求。這對于本身不透光的晶體硅太陽電池而言，在制作組件時采用雙層玻璃封裝，同時通過調(diào)整電池片之間的空隙來調(diào)整透光量。

普通光伏組件并沒有像中空玻璃一樣的隔熱空氣層，只是簡單地安裝在建筑物上或者支撐構(gòu)件上，和建筑物并沒有形成統(tǒng)一的整體。這時的光伏組件作為 BIPV組件來使用往往會將大量的熱量帶入室內(nèi)，造成耗能和節(jié)能相矛盾的情況，同時也不能滿足建筑的隔音要求。這時可以將普通光伏組件做成中空Low-E玻璃的形式，這樣既能隔熱又能隔音。

目前市場上大部分的光伏組件用于為光伏電站和與光伏電子產(chǎn)品配套，規(guī)格相對比較單一，不能適應建筑多樣化與個性化的要求。用于BIPV的光伏組件，需要結(jié)合建筑的不同要求，進行專門的設(shè)計與生產(chǎn)。

7 與智能建筑的結(jié)合

在現(xiàn)代飛速發(fā)展的智能建筑（IB）中，樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）是一個重要組成部分。對于BIPV系統(tǒng)，其本質(zhì)上是屬于樓宇設(shè)備的范疇，但在目前關(guān)于 BAS的資料文獻中還沒有被納入其中。根據(jù)以后的發(fā)展情況，BIPV系統(tǒng)應當納入BAS中。在實際建筑施工中應當預留光伏陣列的鋪設(shè)裝置，在綜合布線系統(tǒng)（PDS）中，應當預設(shè)光伏設(shè)備的接入端口和線路匣，為以后光伏組件與樓宇設(shè)備的結(jié)合做準備。隨著光伏組件的廣泛應用和價格大幅度下降，未來實現(xiàn)智能化的建筑物必定要配裝BIPV系統(tǒng)，同時這也是對IB內(nèi)容的一個重要補充。

8 結(jié)語

光伏系統(tǒng)和建筑是兩個獨立的系統(tǒng)，將這兩個系統(tǒng)相結(jié)合，所涉及的方面很多。要發(fā)展光伏與建筑集成化系統(tǒng)，并不是光伏制作者能獨立勝任的，必須與建筑材料、建筑設(shè)計、建筑施工等相關(guān)方面緊密配合、共同努力，并有適當?shù)恼咧С植拍艹晒Α?/p>

可以預計，光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應用中最重要的領(lǐng)域之一，也是建筑領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場潛力。

1 謝士濤.光伏一體化技術(shù)與應用.深圳土木與建筑，2008（1）.

2 曹濤.光伏建筑一體化設(shè)計探討.智能建筑電氣技術(shù),2011(2).

3 羅多，李廣立.光伏建筑一體化的建筑設(shè)計要素.建筑玻璃與工業(yè)玻璃,2010(2).