光伏建筑一體化技術在教學建筑中的應用設計初探

李 芳 席 暉

（河北工程大學，河北 邯鄲 056038）

0 引言

在環境污染日益嚴重，能源危機不斷逼近的今天，如何能夠充分高效的利用清潔可再生能源成為了人們熱議的話題。而太陽能作為一種免費的，取之不盡、用之不竭的能源而受到極大的關注，必將成為未來的主要能源之一。光伏建筑一體化技術，是應用太陽能發電的一種新概念。在建筑用能已占全國總能耗30%～40%的今天，利用光伏建筑一體化技術為建筑提供清潔能源必將具有廣闊的發展前景。教學建筑作為量大面廣的公共建筑，在應用光伏建筑一體化技術方面尤其獨特的優勢，并且得到了國家政策支持，根據國務院《關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》，在《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》中明確提出優先支持學校、醫院、政府機關等公共建筑應用光電項目。

1 光伏建筑一體化技術簡介

1.1 分類

光伏建筑一體化就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力。

1.1.1 根據光伏方陣與建筑結合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：

①BAPV，即光伏方陣與建筑的結合。這種方式是將光伏方陣附著于建筑物的表面，建筑物僅作為載體起到支撐作用。

②BIPV，即光伏方陣與建筑的集成。這種方式是將光伏方陣作為一種建筑材料來使用，光伏方陣成為建筑物的不可分割的組成部分。

1.1.2 根據電力運行方式的不同可分為兩大類：

①獨立運行。獨立運行系統又分為直流負載獨立系統和交流負載獨立系統。獨立運行的光伏發電系統需要有蓄電池作為儲能裝置，主要用于無電網的邊遠地區和人口分散地區，整個系統造價高。

②并網運行。在有公共電網的地區，光伏發電系統與電網連接并網運行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價，而且具有更高的發電效率和更好的環保性能。

1.2 組成

一套基本的太陽能發電系統是由太陽能電池方陣、電源轉換、控制系統、儲能系統構成。

①太陽能電池方陣，是將太陽輻射能直接轉換成電能的設施。

②電源轉換包括逆變器和蓄電池兩個部分。逆變器是將直流電轉換成交流電的必不可少的設備，由于太陽能電池是直流電源，當負載是交流負載時，逆變器就發揮了其至關重要的作用。

③控制系統，主要為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發電系統中，對整個系統實施過程控制的設備。

④儲能系統，主要為蓄電池組，是將太陽能光伏方陣發出直流電貯藏起來，供負載使用。

1.3 優勢

①綠色能源。應用太陽能發電不會污染環境，開發利用過程中不會產生任何生態方面的副作用。同時它又是一種可再生能源。

②不占用土地。光伏組件可以有效的利用建筑維護結構表面，不需額外占用土地或增建其他設施。

③調節室內物理環境。由于光伏方陣安裝在屋頂和墻壁等外圍護結構上，吸收太陽能，轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，既節省了能源，又利于保證室內的空氣品質。

2 教學類建筑的使用特點

2.1 數量及分布特點

教學類建筑包括中小學教學樓，大中專院校教學，教輔，實驗等教學用房。由于我國實行九年制義務教育，且我國人口眾多，因此教學建筑在全國的分布非常廣泛，且數量眾多。

2.2 使用時間特點

我國的各級教學機構基本實行雙休日及寒暑假制度，一年中有三個月的集中放假時間，且有50～52個雙休日。大部分教學建筑的使用時間為早七點到晚二十三點之間，中小學校則更短些，一般為早七點到晚十九點，其他時間基本無能耗的要求。

2.3 結構特點

教學類建筑一般多為90～120平方米的大空間，并且要求比較高的采光條件，多數教學類建筑會采用空間更為靈活的框架結構?？蚣芙Y構的墻體部分相對來說更加靈活自由。

2.4 環境特點

通常教學類建筑會有比較寬闊的校園環境作為其外部空間，一般教學樓都能夠做到四面臨空，且長邊間距大于25米。

綜合以上的教學類建筑的特點，可以看到在教學建筑中應用光伏建筑一體化技術，有其特有的優勢，是具有廣闊發展前景的。

3 在教學類建筑中應用光伏建筑一體化技術的策略研究

3.1 太陽能資源分布分析

我國幅員遼闊，太陽能資源較為豐富，但也存在著分布不均的情況，從表1可以看到，從接受太陽能輻射量的大小方面考慮，我國大致可以分為五個區，以一類地區年輻射總量最大，五類地區年輻射總量最小。總體看來我國大部分地區的太陽能資源較為的豐富，適宜于應用光伏建筑一體化技術作為解決建筑能耗的主要手段。少數太陽能資源略微匱乏的地區也可將光伏建筑一體化技術作為一項輔助手段解決部分能耗的來源問題。

3.2 根據建筑所在地區采用不同技術

建筑所處地區若是太陽能資源豐沛的偏遠的山區或農村，在利用光伏建筑一體化技術時，首先應采用離網光電蓄電系統（如圖1所示）。該系統是一種常見的太陽能發電應用方式，由光伏組件，控制器，蓄電池組和逆變器組成，系統簡單，適應性廣。

?

其優勢在于不受地域限制，分散建設，就地發電，不需要架設遠距離輸電線路，安裝簡單方便，建設周期短。其次在光伏組件與建筑的組合上應采用BAPV方式，即光伏方陣與建筑相結合的方式。該方式對光伏方陣的力學性能要求較低，造價相對便宜。例如可以在屋頂及墻壁上安裝光伏方陣，其蓄電池組的蓄電能力應較大，體積也可略大，由于偏遠山區或農村的建筑密度較低，更有利于太陽能的收集和儲存。

若建筑所處為建筑密度較高的城市，則首先采用并網光電蓄電系統，即將光伏陣列產生的能源不經過蓄電池儲能，通過并網逆變器直接反向進入電網的發電系統。其優勢在于降低了能量損耗及系統成本，對公共電網起到調峰作用，并且擴展了使用的范圍。其次在光伏組件與建筑的結合方面應采用BIPV方式，即光伏組件以一種建筑材料的形式出現，光伏方陣成為建筑的不可或缺的組成部分。其優勢在于光伏組件與建筑的結合更緊密，占用空間小，更符合建筑的美觀要求。

3.3 根據建筑建設情況采用不同手段

對于既有的教學類建筑，可以利用現有的建筑屋頂、雨蓬、墻面加裝光伏方陣，并根據具體情況確定采用離網或并網光電蓄電系統。

對于新建的教學類建筑，則應從規劃及建筑設計階段就將應用光伏建筑組件作為其重要的組成部分加以考慮。首先，在進行校園規劃時，應考慮建筑的朝向以及樓間距等問題，盡可能爭取南向，西南向，東南向等有利于利用太陽能的朝向范圍，樓間距在考慮學校建筑設計規范中長邊間距25米的最小要求之外，尚應滿足朝陽面盡可能長的日照時間。在規劃中建筑群體的不同方位、體形、間距、高低及道路網的布置，廣場綠地的分布等都會影響規劃區的微氣候，影響建筑的日照和通風，影響到建筑的能耗。為合理的規劃小區，確保每棟建筑的有效日照和最大的接收，太陽能可利用“太陽圍合體”對建筑形態進行控制?！疤枃象w”方法是針對特定的區域空間，通過調整圍合建筑的法線方向，使建筑在不遮擋臨近建筑物日照的情況下達到最大的體積容量。其次，在建筑單體設計方面，除考慮建筑物的美觀外，應將太陽能光伏組件與建筑構件有機集成，充分利用建筑的外墻、窗戶及幕墻、屋頂、中庭、雨蓬、陽臺、遮陽板等構件，形成全方位的太陽能光伏方陣。

3.4 根據太陽能分布情況采用不同材料

從表一可以看到，我國的太陽能資源分布并不均勻，一、二、三類地區太陽能資源較為豐富，四、五類地區太陽能資源較差。根據地區間的太陽能資源的分布差異，可采用不同的太陽能電池技術。在太陽能資源豐沛的地區，可采用晶硅類電池，其又可分為單晶硅和多晶硅電池組件兩種。晶硅類電池具有制造技術成熟、產品性能穩定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點。在太陽能資源相對匱乏的地區，則可采用非晶硅薄膜太陽能電池，其具有較好的弱光效應，成本相對于晶硅類太陽能電池低。但由于其原材料的稀缺性及毒性，其規模化生產有一定限制。

4 目前的局限

盡管光伏建筑一體化技術有清潔、環保、低碳等優勢，但也存在一些問題限制了它的發展。如造價高，一些經濟欠發達地區無力使用；太陽能發電的電價成本較高，近年來雖已進入1元時代，但與電網電價相比，還是高了近一倍；太陽能光伏發電不穩定，受天氣影響大，有波動性等。但我們相信隨著科技的進步，國家經濟的發展，這些問題必將得到解決。

5 結語

光伏建筑一體化技術是利用太陽能的清潔，高效的新技術，其與教學建筑的結合將大幅度降低傳統能源的消耗，具有廣闊的發展前景，必將成為21世紀的主流節能方式。

[1]宣曉東.太陽能光伏技術與建筑一體化初探.合肥工業大學碩士學位論文，2007年

[2]李芳.節能構件與建筑立面一體化設計研究.同濟大學碩士學位論文，2007年

[3]褚玉芳.建筑節能催生光伏建筑一體化.工業建筑.2008,38卷6期，p13～15

[4]光電建筑應用委員會網站

[5]智能與綠色建筑文集.中國建筑工業出版社.2006.3，p649