太陽能光伏技術在建筑一體化設計中的應用研究

劉志勇

摘要：現代化社會中，人們對舒適建筑環境的追求越來越高，導致建筑采暖、空氣調節、照明等能耗日益增長，傳統的化石能源也在不斷消耗殆盡。隨著社會的不斷進步和科技的飛速發展，各種新型能源逐步得到人們重視。太陽能作為新型能源中的一種，具有可再生、能量大、普及廣、綠色清潔等優點。近年來，光伏發電在新能源開發利用上得到了廣泛的應用，其中光伏建筑一體化應用技術具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：太陽能;光伏發電;光伏建筑一體化;能源

一、太陽能利用技術方法與優點

工程實踐表明，光伏發電技術是一種技術可靠、使用便捷、低碳環保，易于大規模生產利用的先進可再生能源技術，其優點如下：（1）太陽能資源是一種取之不盡、用之不竭的潔凈的可再生能源。開發利用時不消耗傳統化石燃料能源，不會排放產生廢水、廢氣、廢渣等污染物，是自然能源中較為理想的清潔能源。（2）太陽能利用不受地域條件的限制。任何有太陽的地域均可就地開發利用。不存在選址、運輸等問題，特別是在交通不便利、偏遠的鄉村、海島，太陽能能利用價值更高。（3）太陽能可靠性高、維護簡單。光電板、逆變器、蓄電池等設備分布安裝，提高了整個能源系統的安全性、可靠性及耐久性。即使在惡劣的使用環境下，光伏發電系統故障也較少，因此運行維護成本較低。（4）光伏建筑集成由于占地面積小、安裝便利、供電可靠等原因，是目前國際上太陽能研究發展的前沿。

二、太陽能光伏系統建筑一體化利用方式與優勢

（一）太陽能光伏系統建筑一體化利用方式?！肮夥l電與建筑物一體化”的概念在1991年正式提出，是目前世界上大規模利用光伏發電的研發熱點。太陽能光伏與建筑物相結合主要有兩種形式：一種是在建筑物屋頂、立面安裝平板光伏器、光伏陣列與電網并聯向用戶供電，從而形成用戶聯網光伏系統。第二種形式是將光伏器件與建筑實現集成一體化，即在建筑物屋頂或立面安裝光伏發電電池板，用光伏發電的玻璃幕墻代替普通的玻璃幕墻，由屋頂和墻面的光伏器件直接吸收轉化太陽能，太陽能系統平板既可以做建材又可以發電，進一步降低光伏發電的成本。目前，許多國家已研制出大尺度的彩色光伏模塊可替代昂貴的墻體外飾材料，使光伏發電與建筑物一體化成本進一步降低。

建筑物與太陽能光伏發電系統的進一步有機結合是將太陽能電池板與建筑頂面、立面材料集成一體化。建筑物建設使用過程中，建筑立面墻體結構表面通常采用噴涂涂料、鋪貼瓷磚、安裝幕墻玻璃等。如果用太陽能電池板替代建筑立面墻體及屋頂建筑材料，太陽能電池板既可作為建筑裝飾材料，也可以用于光伏發電系統。由此可見，實現太陽能電池板與建筑的有機一體化結合，是太陽能光伏發電系統建筑一體化推廣與應用的一個關鍵問題，這種結合并非是建筑與太陽能電池板簡單“疊加”，而是在建筑與光伏系統設計方案階段將太陽能電池板納入建筑設計構思中。

太陽能電池板用于建筑材料，必須具備建筑材料的基本要求，如堅固耐久、防水防潮、保溫隔熱、隔音等以及適當的強度和剛度等性能。若安裝在屋頂、窗戶等，還應具有透光的性能。太陽能光伏系統建筑有機結合，根據建筑工程使用及工況的需要，與普通的平板式光伏系統組件不同，太陽能電池板兼有發電與建筑裝飾材料的功能，必須滿足建筑材料的基本性能需要。應該遵循以下原則：①建筑物設計完成后使太陽能電池板成為建筑不可缺少的一部分，成為建筑結構構成部分。②太陽能電池板的顏色和肌理必須與建筑物的相關部分相和諧統一，與建筑物的整體風格相結合。③太陽能電池板的比例和尺度必須與建筑整體的比例與尺度相協調，這將決定太陽能電池板的分格尺寸與形式。④太陽能電池板屋頂具體的細部設計，如材料用量是否最小化、設計細節是否和諧、有機等需統一考慮。

（二）太陽能光伏系統建筑一體化優勢。太陽能光伏發電系統建筑一體化的方式各不相同，這取決于地理、文化及政府政策等。在國外，由于公共建筑的建造與設計程序嚴格，太陽能電池板系統在個人住宅與公寓建筑使用的較為普遍。而在我國，特別是城市建筑，由于建筑開發是商家或政府性行為，因此是否采用太陽能電池板系統完全取決于開發商或政府。在我國，日照充足的地區無論公共建筑還是住宅屋頂和墻面使用太陽能電池板系統的市場潛力十分巨大，從建筑結構、技術利用和經濟效益來分析，太陽能電池板與建筑的一體化優勢如下：

（1）節約用地，便于安裝，保護環境。太陽能光伏發電系統一般安裝于建筑物的屋頂或外立面墻體上，無需額外占用土地或增建其他建筑設施，適用于人口比較密集的建筑群、辦公區使用，尤其適用于土地昂貴的城市。由于太陽能電池板的組件集成化，光伏設備安裝比較方便，而且可以根據負載的耗電量來選擇裝機容量。與此同時，由于太陽能光伏發電系統設備安裝在建筑物的屋頂或立面墻體結構上，太陽能轉換為電能可降低建筑物臨近室外區域的溫度，從而達到減少室內空調制冷用電負荷，既節約了能源，又保證了室內的空氣質量，同時也避免了由于使用傳統化石能源燃料發電所導致的環境污染。（2）減少投資，保證供應，實現安全用電。太陽能光伏發電系統安裝不受地域條件限制，可實現就地發電用電，因此可以大幅度減少電站及輸送電網的建設投資。建筑物實現光伏發電系統一體化，光伏發電系統所發電力既可供給本建筑物使用，也可儲存于蓄電池或外送入電網。在自然條件差，負載可由蓄電池供電;在自然條件差較好，通常會出現電網用電高峰，以往需采取拉閘限電措施，但此時也正是太陽能光伏發電系統發電量最多的時候。建筑一體化太陽能光伏發電系統除可保證建筑物負載用

電外，還可以向外電網供電，太陽能光伏發電系統的集成特性可以節約儲存電力的費用，另外用電安全性能也得到提高，從而緩解夏季電力高峰需求壓力，從而徹底解決電量不夠的問題。（3）增效規模，降低成本。建筑一體化太陽能光伏發電系統中，太陽能光伏發電系統面板代替建筑屋頂或立面墻面，可以節約大量的建筑成本。另外，太陽能光伏發電系統面板在建筑用電地點發電，避免傳輸和分電損失（5%～10%），降低了電力傳輸、分配投資和維修費用。在建筑屋頂或立面結構上安裝太陽能發電系統設備，用太陽能電池板代替部分建筑材料，可以促進太陽能電池板工廠化規模生產，從而能進一步降低工程造價，有利于太陽能發電系統光伏產品的推廣與應用，市場潛力巨大。

三、太陽能光伏發電系統建筑一體化設計原則

太陽能光伏發電系統建筑一體化的設計原則要求，運營系統既要保證建筑中光伏發電系統的長期運行可靠，又要充分滿足用電設備的需要，使系統的配置實現合理、經濟。工程建設與投產中使用盡量少的太陽能光伏系統組件，使太陽能光伏發電組件與建筑物有機合為一體，替代部分建筑材料，如屋面與立面墻體裝飾材料，達到建筑節能的效果。協調光伏系統與建筑成本之間的關系，在滿足正常需要，保證系統、建筑質量的前提下盡可能的節約建筑與安裝成本投資，達到投入與產出最好的經濟效益。

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