太陽能光伏建筑一體化的設計要點

劉 寧 王軍輝

（陜西省水利電力勘測設計研究院 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基礎。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，建筑領域的代表，介紹了光伏建筑相關的另一個重要概念，“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融入到建筑設計中，同時繼續(xù)保持建筑的文化特征，就應該從技術和美學兩方面入手，使建筑設計與太陽能技術有機結合，由此產生了“一體化設計”的概念。“一體化設計”是指在建筑規(guī)劃設計之初，就將太陽能利用納入設計內容，使之成為建筑的一個有機組成部分，統(tǒng)一設計、施工、調試。

2 光伏建筑一體化分類

根據(jù)光伏方陣與建筑結合形式的不同，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)取９夥疥嚺c建筑的結合是一種常用的 BIPV形式，特別是與建筑屋面的結合。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為常見的與建筑結合的安裝方式。

表1 常見的與建筑結合的安裝方式

3 建筑設計要點

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設計應以不損害和影響建筑的效果、結構安全、功能和使用壽命為基本原則，任何對建筑本身產生損害和不良影響的BIPV設計都是不合格的設計。

BIPV的設計應從建筑設計入手，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，光伏組件給建筑設計帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇，畫龍點睛的 BIPV設計會使建筑更富生機，環(huán)保綠色的設計理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結合；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 結構安全性與構造設計要點

光伏組件與建筑的結合，結構安全性涉及兩方面：一是組件本身的結構安全，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式的簡單固定，而是需對連接件固定點進行相應的結構計算，并充分考慮在使用期內的多種最不利情況。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的結構安全性問題不可小視。構造設計是關系到光伏組件工作狀況與使用壽命的因素，普通組件的邊框構造與固定方式相對單一，與建筑結合時，其工作環(huán)境與條件有變化，其構造也需要與建筑相結合。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)的結構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）支撐構件（龍骨）的強度及剛度校核；

（3）電池組件與支撐構件的連接計算；

（4）支撐構件與主體結構的連接計算。

5 發(fā)電系統(tǒng)設計要點

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(結合板塊大小、功率要求、電池片大小進行)、組件的裝配設計(組件的密封與安裝形式)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計，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、橫梁等密閉結構中，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、大氣質量、大氣透明度、日照時間等有關。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、光伏電池的轉換率、光伏電池的工作環(huán)境狀態(tài)等是我們在設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感需與整座建筑協(xié)調。

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，同時通過調整電池片之間的空隙來調整透光量。

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，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，需要結合建筑的不同要求，進行專門的設計與生產。

7 與智能建筑的結合

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)，其本質上是屬于樓宇設備的范疇，但在目前關于 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裝置，在綜合布線系統(tǒng)（PDS）中，應當預設光伏設備的接入端口和線路匣，為以后光伏組件與樓宇設備的結合做準備。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內容的一個重要補充。

8 結語

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、建筑設計、建筑施工等相關方面緊密配合、共同努力，并有適當?shù)恼咧С植拍艹晒Α?/p>

可以預計，光伏與建筑相結合是未來光伏應用中最重要的領域之一，也是建筑領域的一個重要發(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.光伏一體化技術與應用.深圳土木與建筑，2008（1）.

2 曹濤.光伏建筑一體化設計探討.智能建筑電氣技術,2011(2).

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