光伏建筑一體化技術及應用分析

張勇

（中國建材國際工程集團有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210000）

近年來，為減少建筑業能耗用量與碳排放量，光伏發電在逐漸成為一種常用的可再生能源利用方式，在建筑領域中綻放光彩，起到減少發電用電成本、降低線損量、降低碳排放量等多重作用，光伏系統也成為綠色建筑的重要組成部分。與此同時，光伏建筑一體化技術的問世時間有限，盡管積累起十分成熟的設計、安裝經驗，但在應用期間仍舊暴露出多項問題有待解決。如何探索一套成熟完善的光伏建筑一體化技術應用模式，是加快我國建筑業發展步伐的關鍵，本文就此開展研究。

1 光伏建筑一體化技術概述

1.1 技術概念

光伏建筑一體化并非簡單在建筑屋頂等部位搭載光伏陣列與安裝蓄電池、逆變器等裝置，而是將光伏系統、建筑物結構功能進行有機結合。簡單來講，把建筑物視作為利用太陽能的重要載體，由光伏系統持續將所吸收太陽能輻射能量轉換為交流電，再將交流電提供給建筑用電設備，如照明用電、空調用電、暖通用電，由此來建設新一代的綠色節能建筑，實現太陽能利用、建筑物的優勢互補目的。

1.2 光伏建筑一體化結合方式

根據光伏建筑一體化技術實際應用情況來看，被動太陽能房、主動太陽能房和“零能房屋”是最為常見的三種結合方式，不同方式的實際應用效果、能量轉換效率有著明顯差異，具體如下。

第一，被動式太陽能房。基于傳熱學原理而建設的光伏建筑，在建筑圍護結構上使用大面積的玻璃板材，太陽光通過玻璃板材照射至室內環境，從而獲取、存儲一定的太陽能，通過配置遮陽窗簾、遮陽百葉等裝置，起到“冬暖夏涼”的使用效果。

第二，主動式太陽能房。在建筑內部安裝蓄熱水箱、房間散熱器等設備，在屋頂部位鋪設集熱器，以水為介質，由集熱器主動收集、存儲太陽能，使用太陽能來維持室內溫度，主要用于室內采暖、供熱水等場景，這也是現代建筑中較為常見的一種集熱形式。

第三，零能房屋。這也被稱為零能耗建筑，是在建筑屋頂等部位安裝若干太陽能發電板，以及蓄電池、逆變器等配套設備，組成光伏發電系統，由電池板持續將太陽光輻射能量轉換為直流電，由逆變器將直流電轉換為交流電，將交流電提供給建筑供配電系統，以及將多余電能存儲在蓄電池中留待夜間使用。如此，在不消耗外部電能與煤炭等其他能源的情況下，即可維持建筑正常運轉。同時，零能耗建筑對光伏陣列規模、當地日照條件與時長、建筑能耗總量有著嚴格要求，大多數建筑并未達到零能耗建筑的標準，以外接市電為主、光伏發電為輔。

1.3 光伏建筑一體化應用實例

光伏建筑一體化技術自問世伊始，便得到國內外建筑業的廣泛關注，陸續在上海世博園主題館、日本NTTDoCoMo大廈、德國Mont-Cenis美術館等項目中得到應用，取得顯著節能效果。例如，在上海世博園主題館項目中，如圖1所示，在屋頂凸起部位搭建BIPV光伏發電系統，光伏組件鋪設面積為3萬m，實際發電能力高達2.57MW，體現出人與自然和諧共處、共同發展的理念。

圖1 上海世博園主題館光伏項目俯瞰圖

2 光伏建筑一體化技術的實現方法

2.1 建筑規劃設計

2.1.1 場地評估

考慮到部分建筑所處區域的日照條件較差，所修建光伏發電系統的實際發電能力較差，投入產出不合理，無法在建筑物使用期間通過光伏發電來取得預期的經濟、社會與生態效益。因此，在光伏建筑一體化項目立項前，必須做好場地評估工作，對工程現場的氣候條件、日照情況、建筑結構布局、臨近建筑物分布情況進行全面考察，判斷在發電量、發電穩定性、成本效益等層面上是否具備光伏建筑一體化技術的應用條件，在日照時間過短、周邊密集高層建筑物而遮蔽太陽光、缺乏光伏組件鋪設空間的情況下，不推薦應用此項技術。同時，在確定建設一體化光伏建筑的前提下，根據日影朝向、日照時長等因素，計算最佳的光伏組件鋪設面積，確定光伏組件位置、光伏陣列安裝方法，最大程度提高系統實際發電量。

2.1.2 整體設計

為取得理想的光伏發電效果，設計人員必須做到對光伏系統、建筑物結構二者的統籌兼顧，在不影響建筑物正常使用、結構功能發揮與使用安全的前提下，對建筑整體設計方案進行優化調整，為光伏發電系統的安裝、運行營造良好的外部環境。例如，在建筑外立面造型設計環節，盡可量保持建筑物的造型規則形態，減少凹凸、坡度與弧度，為光伏組件的大面積鋪設提供充足空間。

2.1.3 通風散熱設計

光伏系統的發電功率受到溫度的明顯影響，有著工作溫度與填充因子數量成反比的特性，隨著溫度升高，光伏組件填充因子數量減少，發電效率隨之降低，如果發電板自身溫度過高，將會嚴重削弱光伏系統的發電能力。同時，在一體化光伏建筑中，光伏組件是圍護結構的重要組成部分，在光伏組件溫度較高的情況下，將由此引發室內溫度升高、建筑冷負荷增加。對此，需要在建筑結構設計方案中采取通風散熱措施，具體包括通風屋面、內嵌保溫層。其中，通風屋面是在建筑屋頂部位設置通風間層，在風壓、熱壓作用下，持續向屋頂夾層中吹入新鮮冷空氣與排除渾濁熱空氣，在空氣流動時持續帶走夾層熱量，通過降低周邊環境溫度的方式來維持光伏組件工作溫度，避免組件溫度持續升高。而內嵌保溫層是在建筑墻體內側鋪設保溫層，或是選用雙排混凝土、輕骨料混凝土空心砌塊墻體等自身具備良好保溫隔熱性能的構造形式，起到阻攔室內外熱交換的作用，維持室內環境溫度，在光伏組件工作溫度較高的前提下，也不會明顯增加建筑冷負荷。

2.2 建筑安裝

在一體化光伏建筑安裝階段，需要綜合分析當地氣候條件、光伏陣列尺寸、建筑視覺效果等多方面因素，選擇最佳的建筑、光伏系統結合方式，在確定結合方式后，再制定具體的安裝方案。

2.2.1 建筑屋頂與光伏系統結合

建筑屋頂與光伏系統結合方式也被稱為光電采光頂，在光照條件最佳的建筑屋頂部位大面積安裝光伏組件，有著太陽輻射面積大、光伏組件易于安裝、實際發電量高的優勢，但需要滿足周邊無高大建筑物遮擋的條件。同時，為改善發電效果，需要重點關注陣列傾角、屋頂排水降溫兩項問題。對于陣列傾角問題，在我國北方地區和南方地區，光伏陣列傾角略大于當地緯度的10～15°和5～10°即可。對于屋頂排水降溫問題，可選用全隱結構或是橫隱豎明的屋頂結構形式。

2.2.2 建筑墻體與光伏系統結合

建筑墻體與光伏系統結合方式也被稱為光電幕墻，在建筑物圍護結構的墻體部位上安裝雙玻璃光伏組件來取代傳統玻璃面板，在兩片玻璃中間夾層中設置PVB膠片復合太陽能電池片。如此，既可以將雙玻璃光伏組件直接作為建筑物圍護結構和光伏系統支撐結構，起到保溫隔熱、隔音降噪等多重功能，同時，雙玻光伏組件還可以持續吸收太陽光輻射能量并轉換為電能，并通過吸收太陽能來控制墻面溫度、減小建筑室內冷負荷。根據實際應用情況來看，需要將雙玻光伏組件的鏡面反射系數控制在82%～92%區間內，由于光伏玻璃需要在建筑外側垂直安裝，受到角度限制，光伏系統的實際輸出功率略低于光電采光頂。

2.2.3 遮陽設備與光伏組件結合

遮陽設備與光伏組件相結合也被稱為光電遮陽，在建筑墻體外側安裝鋁合金遮陽百葉和太陽能電池片，既可以起到遮陽降溫的作用，避免太陽光直射入室內環境，同時，還將由遮陽百葉上的太陽能面板持續吸收輻射能量與轉換電能，實現建筑物發電、遮陽功能的完美結合。

此外，光電遮陽系統可分為固定遮陽、跟蹤調節兩種類型。其中，固定遮陽是安裝方向角度無法調節的遮陽百葉與太陽能電池片，有著成本低廉、結構簡單的優勢，根據建筑地理位置、朝向來計算最佳遮陽角度，這類系統的光伏發電能力有限。而跟蹤調節遮陽是在系統中加裝傳感器裝置，安裝新型可調節遮陽百葉，系統主動感知外部環境情況，隨著時間推移與季節變化，自動對遮陽百葉的開啟角度進行調節，這將顯著提升光伏系統的發電功率。

2.2.4 屋頂瓦板與光伏組件結合

這一結合方式是選用新型的太陽能瓦，直接在建筑屋面上鋪設太陽能瓦，以太陽能瓦作為屋面材料，徹底取代了傳統建筑屋面，而傳統光伏系統則是在建筑屋面構造上安裝光伏組件，有著結構復雜、材料用量大、造價成本高昂的局限性。同時，根據實際應用效果來看，相比于光電采光頂、光電遮陽等其他類型光伏系統，這類建筑光伏系統的太陽輻射面積最大，發電效率最高，且光伏系統與建筑物的造價成本略低于其他光伏系統。

3 光伏建筑一體化技術的應用策略

3.1 氣候適應

建筑光伏系統的發電能力、發電穩定性受到當地氣候條件的明顯影響，如果當地日照條件不佳、日照時間不長，導致光伏系統實際發電量隨之降低。而在當地氣候多變的情況下，將在光伏系統運行期間出現形成較大瞬時電流、電壓不穩等問題，系統穩定性較差。對此，為減小氣候條件對系統運行造成的影響，實現光伏發電效率最大化目標，應從設定最佳傾角、降溫節能、防雨保護三方面著手，具體如下。

第一，設定最佳傾角。為保證光伏組件在晝間可以接收最多的太陽輻射、延長光伏組件實際發電時長，需要根據建筑物朝向、當地日影朝向與經緯度來選擇光伏組件的傾斜角度和安裝位置。例如，在我國沈陽地區，光伏組件的最佳傾角為36°。而在我國上海地區，光伏組件最佳傾角為23～26°。

第二，降溫節能。在一體化光伏建筑中，普遍選擇在屋頂、墻面等部位來安裝黑色太陽能電池板作為光伏組件，由于黑色具有吸熱屬性，且光伏組件長時間接收太陽能輻射，大量熱能在組件上蓄積，引發發電功率降低、建筑空腔結構溫度升高、室內冷負荷增加等連鎖問題出現。針對這一問題，需要采取調整配套設備安裝位置、清理光伏組件、遮陽降溫的措施，起到降溫節能的效果。其中，調整設備安裝位置是增加逆變器、蓄電池等配套設備與太陽能電池板的間隔距離，在設備間形成空氣流線，在空氣流動時帶走一定的熱量，避免設備間距過小而導致熱量集中分布。清理光伏組件是在建筑投運使用期間，定期擦除光伏組件表面附著的灰塵，如果灰塵清理不及時，將會明顯提高附灰部位的溫升速度與溫度，嚴重時會損壞光伏組件，在表面形成燒壞暗斑。而遮陽降溫是在蓄電池、逆變器等部位搭設遮陽傘等設施，避免太陽光直射而提高配套設備工作溫度、影響發電量。

第三，防雨保護。如果光伏組件、蓄電池、逆變器和電纜線路長時間浸泡在水中，容易出現短路等電氣故障，嚴重時引發人員觸電、電氣火災等安全事故。對此，必須在一體化光伏建筑項目中重點關注防雨問題，可以選擇設計坡屋面來取代傳統平屋面，屋頂雨水在重力作用下快速排出，避免雨水匯集后形成積水。

3.2 成本把控

除去上海世博園主題館等大型公共建筑、城市地標性建筑外，減少建筑用電成本，是老舊建筑和新建中小型建筑工程選用光伏建筑一體化技術的首要目的，如果光伏發電系統的總體使用成本超過所節省用電成本，則違背一體化光伏建筑的初衷目的。因此，在建筑設計階段，設計人員需要提前做好現場實地考察工作，收集氣候條件、不同季節日照時長、周邊建筑物高度與間距等相關資料，應用BIM技術，在BIM軟件中導入工程資料和構建3D實景模型，開展日照模擬分析實驗，通過實驗結果來論證在采取不同結合方式、光伏陣列安裝位置、陣列傾角時的實際發電量，從中選擇最佳方案。例如，在建筑物周邊無高層建筑物遮擋自然光線、屋頂面積較大時，優先采取光電采光頂系統。同時，在原定方案中光伏系統造價成本較為高昂時，可以通過調整光伏材料品種、縮減光伏陣列規模面積的方法，將實際成本控制在可接受程度內，確保光伏建筑一體化技術在多數建筑工程中都具備實際應用條件。

3.3 安全保障

除去光電幕墻等少數幾種光伏系統外，多數建筑光伏系統都選擇將光伏組件布置在室外，與外界環境直接接觸。在光伏系統運行期間，受到外部環境侵蝕、強風暴雨等惡劣氣候的影響，導致光伏組件與配套設備、線路的老化速度加快，有可能出現光伏組件墜落、絕緣失效、線路漏電、電氣火災等事故，存在安全隱患，致使部分建筑企業對應用光伏建筑一體化技術存在顧慮。對此，為保障光伏建筑使用安全，預防各類安全事故的出現，必須在技術應用期間落實安全性策略。例如，對于電氣火災問題，在光伏系統中建立繼電保護機制，安裝斷路器、繼電器等裝置，在檢測到輸電線路、蓄電池等設備出現異常情況時，在短時間內自動切除故障部分與非故障部分連接，避免形成電氣故障和電氣火災。而對于防雷保護問題，在建筑屋頂部位安裝避雷針和布置接地網，主動從云層中接引雷電流并泄入大地，避免光伏組件、蓄電池、逆變器等設備因流經雷電流而燒損。

4 結語

綜上所述，光伏建筑一體化技術的應用，是現代建筑工程的必然發展趨勢，也是優化我國能源消費結構、加快生態城市建設步伐的關鍵。建筑企業必須做到對光伏建筑一體化技術的全面了解，遵循實際出發、因地制宜的應用原則，根據工程現場情況來制定設計方案、選擇光伏建筑結合方式，積極落實氣候適應、成本把控、安全保障三項應用策略，確保光伏系統與建筑物在各個方面都保持兼容匹配狀態。