光伏建筑一體化的應用與優化

瞿明 萬瑞霞

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

隨著國家不斷的提高新能源應用的比例，太陽能在實際的應用中非常廣泛，在工業、民眾生活中的應用日趨成熟。在國家的“十三五”規劃中，發改委明確提出太陽能的應用在2020年和2030年達到占比一次能源比重15%、20%的目標[1]。在“光伏+”、分布式光伏發電等政策鼓勵下，光伏建筑一體化將迎來蓬勃發展的時代。

1 光伏建筑

建筑物是為人們生活生產提供遮風避雨的地方，在使用過程中需要能源供給，據統計其能耗大約占世界總能耗的1/3。如果在建筑設計時融入新能源（例如太陽能），那么對節約建筑能耗有很大的積極意義，“光伏建筑一體化”正式在這種背景下提出的。

光伏效應是指光照在半導體與金屬組合之間能夠產生電位差的物理效應。以太陽能電池作為載體發電，在建筑設計中設計、建造、維護與改造時主動或被動的利用太陽能，在建筑中加入光伏組件使其成為具有能源自給的一體化光伏建筑[2]。光伏建筑一體化簡稱為BIPV。按照太陽能利用的方式不同分為主動式和被動式，主動式光伏建筑是指依靠效率較高的天陽能收集裝置，通過媒介把能量輸送給建筑物；被動式光伏建筑是指利用建筑物的合理設計和結構優化來是獲取太陽能。在歐美、日本等國家這些方式都已被廣泛應用。

2 光伏材料在建筑中的應用及要求

2.1 應用形式

按照太陽能光伏材料在建筑中的不同部位和構造的結合程度，目前主要表現為以下幾種形式。

2.1.1 外置式

太陽能光伏組件主要安裝在建筑物的頂部和墻體外邊面，通常采用支架來進行固定。這種方式要求建筑物的屋頂和墻面有足夠的強度用來安裝組件，支架應當具有抗防水、耐腐蝕的特性。在屋頂的組件不作為建筑物的屋面層，也不承擔建筑屋面的功能。附加式的光伏墻面主要適用于既有的建筑墻面改造。

圖1 外置式屋頂

圖2 外置式墻面

2.1.2 一體式

與外置式不同的是，一體式光伏組件是在設計時已經充分論證，通常不需要安裝起固定和支撐作用的支架，因為光伏組件將承擔建筑屋頂和外墻的作用。在一體式光伏組件的應用中常見為普通太陽能電池、柔性薄膜太陽能電池、太陽能瓦片、光伏幕墻等。

圖3 一體式屋頂

圖4 外置式墻面

2.1.3 建材式

在光伏組件的不斷應用和發展中，有很多新型光伏材料得到應用，這類組件本身具有強度好、柔性可塑、透光性優良等特點，在建筑物的外墻和屋頂可以之間鋪設，實現光伏建筑一體化。例如太陽能光伏瓦片屋面，能夠承受一定的建筑荷載，大量用于新建的瓦型屋面和傳統瓦型屋面的改造。透明光伏窗戶也是新型材料的一種，硅電池組件集成在窗戶的玻璃中，既能實現傳統窗戶功能，還能發出電能使用，可謂一舉兩得。

圖5 光伏瓦屋頂

圖6 光伏窗戶

2.1.4 其他形式

光伏組件在很多公共建筑場所有很廣泛的用途。可以用于建設雨棚、外廊、看臺遮陽、光伏陽臺、公共場館的移動屋頂、農業大棚、路燈、雕塑美化等。

圖7 公共場館屋頂

圖8 光伏頂篷

2.2 設計要求

光伏建筑在使用和設計中還需要考慮諸多因素，這些因素都是保證光伏建筑有效合理應用的基本條件。1）符合建筑物美學的設計；2）符合建筑物對通風和采光的需求；3）符合國家對建筑物安全性能的要求；4）便于安裝和施工；5）與傳統建材相比具有使用壽命長的特點；6）符合綠色環保的要求。

3 光伏建筑屋頂的優化

建筑物的屋頂是接受陽光最直接的區域，世界各國都根據本國實際情況設計了“屋頂計劃”。美國在1997年安排“克林頓總統百萬屋頂光伏計劃”；德國在1998年開始建設“十萬天棚計劃”，鼓勵本國居民在建筑屋頂安裝光伏發電系統；我國的光伏發電系統雖然起步較晚，但是發展非常迅速，在太陽能“十三五”的規劃中，我國明確提出開展建設分布式發電應用示范區，計劃到2020年在全國范圍建成100個分布式光伏發電應用示范區，園區內80%以上的新建建筑的屋頂、50%已有建筑的屋頂均安裝分布式光伏發電系統。可以說，光伏建筑建設進入了示范建設的階段[1，3-4]。

建筑物中墻體主要以立面形式出現，但是建筑物屋頂的形狀很多，在設計光伏建筑的時候應充分考慮光伏組件受光效能最大的因素，這樣就可以使安裝的光伏組件在工作中發揮最大效率。在本文中針對平面坡屋頂和曲面屋頂的最佳傾角的選擇進行分析，為普通建筑大規模使用光伏技術提供參考。

3.1 相關地理參數及天文量

無論是平面還是曲面屋頂，在計算最佳角度時首先應當獲得本地區的地理參數和所需計算的天文物理量。其主要有以下參數：

1）所在地區的地理緯度，可通過GPS設備查詢；2）太陽赤緯角（陽光與赤道面的夾角），可由庫珀方程計算；3）太陽時角；4）太陽高度角（陽光與地平面之間的夾角）；5）太陽方位角（太陽照射的光線在地平面的投影與當地子午線的夾角）；6）日照時間，其是影響太陽輻照量的主要因素，可以根據公式計算得到[5]。

3.2 平面屋頂照射傾角的計算

在計算中太陽輻照量的獲取是由氣象部門監測、記錄的。我們可以根據需要選擇逐日、逐月、逐時的數據。也可以選擇逐月數據的平均量作為依據進行計算。照射面上的輻照總量可以按照Klein的計算方法：傾斜面上的太陽輻照總量HT等于直接太陽輻照量、天空散射輻照量、地面反輻照量Hrt三部分之和[6]。最后根據轉換后的電量計算極值，根據插值的計算方法求解出最佳傾角。

圖9 平面屋頂傾角計算流程

3.3 圓形曲面屋頂照射傾角的計算

像自然界生長的樹一樣，每一片葉子都能夠在自己的位置獲取更多的陽光，最終形成了自己吸收太陽輻射能的最佳位置。建筑物的光伏屋頂如果做成曲面也是可以能夠在有限的面積內吸收更多的陽光，產生更多的電能。

在安裝光伏組件的時候是安裝圓形建筑物的外表面，光伏組件的跨度是圓弧所對應的圓心角，在安裝時如果跨度過大會使東西兩邊的光伏組件使用效率過低，不僅增大了投資，還降低了經濟性能；若跨度較小會導致太陽能利用不夠充分，整體光伏發電系統的輸出能力減弱。

4 結語

圖10 圓形曲面屋頂傾角計算流程

對已經應用的光伏建筑形式和材料做了歸納。在光伏組件與建筑一體化的設計中對平面屋頂和圓形曲面屋頂的優化進行了分析，為使光伏建筑能夠獲得最大太陽能利用率提供理論參考。在光伏建筑的應用和設計中應按照一年用電負荷的使用為目標，避免個別月份過度缺電的情況發生。隨著國家在新能源利用技術中的不斷進步，太陽能在建筑中還有采暖、通風等很多的用途。