光伏建筑一體化技術應用與展望

珠海興業綠色建筑科技有限公司 ■ 余國保 羅多 王曉丹 陳征 鄔超 姚莉

0 引言

1991年光伏建筑一體化(BIPV)的概念被正式提出，簡單地講，就是將光伏組件或材料作為建筑物的一部分，同時發揮其發電功能[1]。BIPV可廣泛適用于住宅、商業大樓、學校、醫院、機場、鐵路站臺頂棚、公交車站的頂棚，以及工廠車間的屋頂，同時作為建筑結構的功能部分，取代部分傳統建筑構件如屋頂板、瓦、窗戶、建筑立面、遮雨棚等[2]，也可制作成更多功能的光伏建筑組件，如與光熱系統結合給其控制部分供電等。BIPV的出現，實現了光伏發電由邊遠地區和特殊應用向城市過渡，由集中電站向分布式供電模式過渡，該技術可進一步結合發電側運行優化和用戶側需求預測管理技術，必將成為最具前景的建筑節能技術之一。國外對光伏建筑一體化的研究已有較長時間，特別是德國、美國、日本及歐洲等一些發達國家，已開始對BIPV實行政策引導和財政補貼制度[3]。

表1 部分國家BIPV發展計劃和政府資助情況[3]

我國在2006年6月實施的GB/T 50378-2006《綠色建筑評價標準》中也明確提出：將可再生能源發電作為綠色建筑評價的最優選項；2009年7月21日，三部委聯合發布了《關于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動等方式，加快國內光伏發電的產業化和規模化發展；2014年《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》發布后，各地區積極制定配套政策和實施方案，有力推動了分布式光伏發電的多種方式利用，截至2013年底，我國分布式光伏發電累計裝機容量突破300萬kW[4]，目前世界上最大屋頂電站項目為位于湖南湘潭九華工業園的興業太陽能電站項目，裝機容量突破50 MW[5]。

BIPV的優點相當明顯：1)使用清潔能源，減少燃煤發電的使用量，減輕了環境污染；2)發電就地使用，減少發輸配電過程的損耗；3)具有保溫隔熱及采光通風功能，可降低空調和采暖負荷；4)充當建筑物的外圍護結構，節約了外裝材料，也節省了寶貴的城市用地資源[6,7]。

1 應用形式

各種不同光伏系統對應不同的應用場所和用戶需求，例如，離主電網較遠的偏遠山區一般優先使用離網的獨立系統，而在離主電網較近的城市或郊區則一般選用并網系統(見圖1、2)，因此國內外BIPV多為并網型。此外，隨著技術水平的不斷提高，近年來出現了有別于前兩種情況的建筑智能微電網，適用于對電網穩定性有特殊要求的場合[1]。對于建筑光伏系統的設計而言，并非是各自孤立解決建筑設計和光伏電氣的技術問題即可，主要還包括結構、電氣安全性和散熱性等技術方面，以及多項學科耦合的技術問題解決，比如散熱和電氣性能問題等。

圖1 帶儲蓄電的BIPV系統原理圖

圖2 并網發電的BIPV系統原理圖

國內外建筑光伏工程與它初誕生時相比，技術應用的廣度和深度都有了較大發展，不僅體現在建造數量的增加，也表現在建造水平的不斷提高，主要應用形式越來越豐富(見表2)[8]。圖3～10展示了興業太陽能近年來開發的各類BIPV工程。

2 BIPV的技術要點及現狀

BIPV的核心技術內容包括：1)光伏陣列的安裝結構和工藝設計，包括各類預埋件、壓碼等的開發和防水、防潮、防雷、電氣安全及散熱通風等方面的施工工藝研究；2)建筑一體化的光伏構件設計與開發，包括FRP、中空、真空及PVT等新型光伏構件的開發；3)結合建筑發、用電預測和儲能系統的BIPV建筑微電網系統開發，以及硬件開發，如某些特殊的并網逆變器的開發[2]。

表2 光伏建筑一體化的表現形式及建筑要求[8]

圖3 青海科技館光伏百葉工

圖4 興業園區光伏瓦屋面、光伏長廊及光伏雨棚

圖5 興業園區光伏欄桿

圖6 威海市民文化中心光伏采光頂

圖7 西安鳳城光伏廊橋工程

圖8 湘潭經濟技術開發區的50.8 MW屋頂電站工程

圖9 興業太陽能湖南產業園的光伏幕墻發電工程

圖10 興業太陽能珠海產業園的光伏幕墻發電工程

太陽能光伏建筑一體化不是光伏和建筑的簡單“相加”，而是根據節能、環保、安全、美觀和經濟實用的總體要求，將太陽能光伏發電作為建筑的一種體系進入建筑領域，納入建設工程基本建設程序，同步設計、同步施工、同步驗收，與建設工程同時投入使用，同步后期管理。

BIPV的設計分為3個層次，其原則是：首先，應考慮光電建筑的結構和電氣上的安全性、光伏構件的重要物理性能指標等，包括電池及玻璃材料的選擇，荷載的計算，絕緣性能、溫度系數、熱斑耐久性、耐候性及濕熱交變下的性能研究；其次，考慮建筑材料的替代和建筑功能的實現，比如透光、通風、防水防潮、抗滲透、抗風壓、隔熱、防雷及降噪等功能的實現；最后，考慮建筑一體化結合的美觀[9]。

BIPV設計之前必須綜合考慮的因素包括：1)光伏陣列的布置與建筑物外觀的協調一致；2)建筑物緯度、方位及環境干擾，包括日照分析；3)預埋及其他光伏建筑一體化的措施，通風散熱措施；4)電氣設計(防雷、走線及逆變器選型)、電氣計量、配電系統設計及電氣安全；5)BIPV的使用降低了建筑總負荷和輻射熱比例，但可能增加了對流換熱，全年通風策略需更加科學合理，中央空調總冷負荷的計算及機組選型需基于BIPV工程；6)維修通道的設置[2]。

光伏建筑一體化工程的設計施工需遵從相近的標準和規范，但具體到BIPV的應用，現有的參照標準或規范中，某些條文已不足以充分指導BIPV的開發和應用：

1) BIPV 光電屋頂的屋面平行于地面或坡度較小時，風荷載往往不是主要考慮的，需主要考慮承重荷載，而建筑玻璃幕墻的風荷載是主要慮的。GB 50009-2001《建筑結構荷載規范》對于光伏屋頂風揭系數的選取沒有明確的規定，因此亟需針對性地進行風洞試驗，歸納結果并指導形成新的條文[1,10]。

2)熱應力的存在導致BIPV對玻璃的要求提高，目前還沒有關于用于建筑物的雙面太陽電池玻璃要求的國家標準。參考夾膠玻璃的相關技術規范及太陽電池組件國家規范，提出對光電玻璃的性能要求，橈度要求應當更高，具體取值目前還沒有數據支撐，因此亟需試驗證明[11,12]；同時也要確保組件在撓度變形值范圍內，其物理性能及發電性能不會受到影響。

3)幕墻光伏玻璃組件的結構性能和防火必須滿足JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》的要求；使用的建筑玻璃BIPV 組件必須符合JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》對撓度變形值的要求[12,13]。

4) BIPV光伏玻璃組件耐撞擊性應符合GB/T 21086-2007《建筑幕墻》耐撞擊性能分級標準(需注意PVB和EVA封裝組件的實驗結果不同)。

5)由于BIPV組件不但需滿足建筑組件的相關標準，還需滿足其作為光伏組件的標準，國際上目前還沒有專門針對BIPV 組件的統一標準，在其應用過程中基本采用地面用光伏組件的國際標準。在北美，BIPV組件除進行常規光伏組件的測試外，還需進行防火耐燃、耐沖擊及抗風壓測試。雙玻璃光伏組件通過IEC 61215及IEC 61730等規范，經過濕熱、濕冷、熱循環、戶外暴曬等測試，產品須保持正常穩定的發電性能。IEC光伏組件的測試標準局限性是其僅考慮到光伏組件的可靠性，卻未全面地考察光伏組件在長期使用過程中的安全性，且對于現在新型的BIPV 組件，IEC 缺乏相關測試標準。雖然全球著名研究機構已開展 BIPV 的戶外測試試驗與安全可靠性相關研究，但是諸如組件安全可靠性、組件用高分子材料等保證產品長期耐久性的技術標準依舊處于空白[14,15]。

6) BIPV建筑的設計須滿足GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》對于遮陽、節能和傳熱系數的規定[16]，仍需滿足GB/T 50033-2013《建筑物采光設計標準》對于采光的規定。

7)光伏組件的防雷接地要求應滿足GB 50057-94《建筑物防雷設計規范》相關要求。應盡量避免將光伏電站建在易遭雷擊部位，避免避雷針的投影落于光伏組件上。太陽能的接地與建筑共用接地體，接地電阻值應滿足其中最小值要求[17]。

8)光伏組件需通過GB 15763.3-2009《建筑安全玻璃第三部分：夾層玻璃》的霰彈袋沖擊測試，也是BIPV組件需達到的等級。要將光伏組件大規模應用在建筑外圍、門窗等部位，還需進一步提高光伏建筑一體化應用技術，完善維護的及時性，完善應急處理、表面破裂、漏電保護等不確定因素的解決方法，目前尚無相關技術標準規范[18]。

BIPV工程質量首先依賴于產品質量，以及與建筑同步設計、同步施工、同步驗收、后期運行維護。BIPV工程涉及面廣、實踐性強、專業分工多及系統形式多樣化，部分光伏制造廠缺乏BIPV設計和施工技術，對幕墻和屋頂等建筑知識更是知之甚少，工程倉促上馬后經過短期使用很快出現故障，不但造成國家資金的大量浪費，也打擊了投資方對BIPV 的信心，影響整個行業的健康發展。比如，國內某火車站主站房光電屋頂采光帶采用了銅銦鎵硒太陽能中空玻璃光伏組件，竣工后不久，產生了鋼化玻璃自爆，光電板發花、脫落等問題(見圖11)，暴露出光伏構件產品設計不成熟、工程施工經驗不足等現狀，因此亟待加強這些方面的科研[19]。此前，國家發改委發布《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》，對于分布式發電采取0.42元/kWh的補貼，因此為確保發電收益和后期的良好運行，BIPV的合理設計、施工質量變得更加重要。由珠海興業承擔的863子課題“建材型光伏構件制造與測試關鍵技術及裝備”，正是為克服建材型光伏構件設計和施工知識的不足，研發高性能的真空玻璃和FRP板的光伏構件，建設相應的屋頂示范電站，并在此基礎上著手制訂構件開發和生產相關規范和標準，以期為BIPV工程探索出一條從產品設計、生產、性能檢測到施工的可靠技術路線，該項目目前正在有條不紊地進行。

圖11 某火車站光伏采光頂工程

3 結語

我國BIPV的進一步的深度發展與應用完全依賴于現有建筑電氣、幕墻玻璃及光伏組件等標準，而受制于自身發展所需的標準和規范欠缺、現有標準條文不全、內容不具體等客觀因素，建材型光伏構件尤其如此。今后光伏建筑一體化發展的研究熱點將聚焦于建材型光伏構件的綜合性能、耐候性、安全性和可靠性研究等。

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