光伏建筑一體化技術(shù)應(yīng)用研究

張馬斌

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國碳排放總量之中，建筑碳排放占比超過一半，建筑運營階段的碳排放量占比高達22%，說明建筑業(yè)已經(jīng)成為實現(xiàn)零碳目標的最大阻力[1]。為了控制碳排放，光伏發(fā)電技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于綠色建筑。

光伏建筑一體化（BIPV）是指將太陽能光伏技術(shù)與建筑技術(shù)相結(jié)合，在建筑外墻或房頂上安裝光伏組件，使建筑能夠充分利用太陽能來發(fā)電，從而滿足居住者的用電需求[2]。BIPV具有安全可靠、低碳環(huán)保的特性，是當(dāng)前最符合綠色建筑發(fā)展趨勢的技術(shù)模式。BIPV 的光伏系統(tǒng)以其技術(shù)成熟和價格低廉的優(yōu)點，尤其適用于綠色建筑。系統(tǒng)中的光伏組件除了能夠產(chǎn)生電力外，還具有其他功能，如隔熱、抗氣候和遮蔽等。采用BIPV 技術(shù)可以有效降低混凝土和鋼材等建材的用量，間接降低建筑碳排放量。

在建筑中應(yīng)用BIPV 技術(shù)，既能滿足自身的電力需求，又能產(chǎn)生額外的能源收益，對建筑物自身以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

綜上，BIPV具有廣泛的應(yīng)用前景，由于此技術(shù)是一種新技術(shù)，發(fā)展時間較短，缺乏設(shè)計和安裝經(jīng)驗，而且在應(yīng)用過程中存在不足。因此，需要探索一種完善且合理的BIPV 技術(shù)，并將其推廣到其他領(lǐng)域，是推動我國建筑行業(yè)綠色發(fā)展的重要途徑。

1 光伏建筑一體化的概念及光伏組件的分類

1.1 光伏建筑一體化的概念

光伏建筑一體化是一種基于整體思想的新建筑節(jié)能技術(shù)，它將太陽能光伏產(chǎn)品融入建筑，并與建筑同時設(shè)計、建造和安裝[3]。在實際應(yīng)用過程中，光伏產(chǎn)品可以與建筑的照明和遮陽設(shè)計有機結(jié)合，從而發(fā)揮更大的作用。此技術(shù)是一種更加先進的綠色技術(shù)，也是未來分布式光伏發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向，對于加快我國“雙碳”戰(zhàn)略的實施具有重要意義。

BIPV 系統(tǒng)主要包括光伏組件模塊、充放電控制器、儲能系統(tǒng)、交流逆變電源、線路保護系統(tǒng)以及后備電源等6 個模塊[4]。在設(shè)計BIPV 系統(tǒng)時，需要從全壽命周期的成本出發(fā)，合理選擇和配置核心部件，同時兼顧建筑的用途、朝向、用電負荷和安全標準等要求，使居住者能夠切實感受到綠色建筑的科技感和舒適感。

1.2 光伏組件的安裝方式

1.2.1 光伏采光頂

在BIPV 技術(shù)的應(yīng)用中，太陽能采光頂一般設(shè)置在屋頂。相較于其他常規(guī)的建材，光伏采光頂具有透光性好和節(jié)能效果好的優(yōu)點。它應(yīng)用了光電發(fā)電技術(shù)，能夠?qū)⑹占墓饽苻D(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)太陽能的高效利用。太陽能采光頂由雙玻太陽能電池板和其他設(shè)備構(gòu)成。當(dāng)將其應(yīng)用于實際項目時，要合理設(shè)計節(jié)點，并選用透光性好的光電模塊，還要在安裝過程中使用有機硅密封粘接劑，控制施工質(zhì)量，以確保設(shè)備的安全性。

1.2.2 光伏幕墻

從結(jié)構(gòu)上來講，光伏幕墻的建造方法和傳統(tǒng)玻璃幕墻相同。將光伏發(fā)電技術(shù)與幕墻技術(shù)相結(jié)合的光伏幕墻，通過光伏組件驅(qū)動將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，從而達到節(jié)能降耗的目的。與其他建材相比，光伏幕墻最大的優(yōu)點是環(huán)保性能好，對周圍環(huán)境產(chǎn)生的不良影響較小，同時還可以起到通風(fēng)的作用。光伏幕墻作為一種新型的光伏建筑集成方式，不僅可以就地發(fā)電，降低電能傳輸過程中的成本及能源消耗，還能為電網(wǎng)提供電力，減輕峰值電力負荷，緩解電網(wǎng)峰谷供需矛盾。

2 光伏建筑一體化的應(yīng)用要求

2.1 合理選擇光伏組件

在BIPV 的應(yīng)用過程中，應(yīng)充分利用光伏發(fā)電技術(shù)，將具有節(jié)能和透光等多種特性的材料與建筑的不同部位有機結(jié)合起來，從而達到節(jié)能減排的目的。要想在城鎮(zhèn)住宅中最大限度發(fā)揮BIPV 技術(shù)的應(yīng)用價值，要明確該技術(shù)在住宅中的應(yīng)用要求，并進行合理的設(shè)備選型。這樣不僅能夠滿足城鎮(zhèn)住宅的發(fā)電需求，而且能夠確保建筑材料的實用性。

建筑師在使用太陽能采光頂棚和光伏幕墻等光伏組件時，除了要充分利用太陽能資源，還要分析光伏組件的性能，以便實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的目標。一些光電模塊能夠快速將光能轉(zhuǎn)換為電能，而且不受外部環(huán)境的干擾，實現(xiàn)高效發(fā)電。目前，部分太陽能電池板的轉(zhuǎn)換過程較慢，其對太陽光的吸收能力不強，轉(zhuǎn)化的能量較少。因此，建筑設(shè)計師要對光電模塊進行細致的性能分析，從現(xiàn)實出發(fā)，確保光電模塊與居住環(huán)境相匹配，從而達到節(jié)能降耗的目的。

太陽能建筑集成模塊與普通的平板太陽能電池模塊有很大的區(qū)別。光伏與建筑的集成對光伏模塊提出了更高的要求，既要將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，又要滿足住宅的綠色、低碳和節(jié)能等要求，還要具備保暖、防水和裝飾功能。此外，BIPV 對太陽能電池板的強度和硬度等提出了更高要求。更高的強度和硬度能夠降低建設(shè)過程中對光伏部件的損傷，從而避免資源浪費，保證建材的高效利用，使建筑符合新時期的綠色發(fā)展理念。

光伏發(fā)電與一般的發(fā)電方式有很大的區(qū)別，它以太陽能為能源，利用光電模塊將采集到的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為住宅供電。光伏模塊與建筑的集成，會受到多種因素的影響。隨著太陽能電池技術(shù)的不斷升級和更新，太陽能電池模塊的種類逐漸增加。因為每個住宅小區(qū)的地理位置不同，所以太陽光的照射范圍有差異。針對這一情況，建筑設(shè)計師必須根據(jù)不同地區(qū)的實際情況和地域特點，因地制宜地使用太陽能電池模塊，從而達到理想的發(fā)電效果。

2.2 合理布置光伏方陣

將BIPV技術(shù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)住宅時，應(yīng)結(jié)合住宅的實際狀況布置光伏陣列，具體為：

1）由于城鎮(zhèn)住宅的空間功能相對固定，因此建筑設(shè)計師需根據(jù)實際情況，圍繞節(jié)能和低耗等需求，結(jié)合光伏組件特點，合理布局光伏陣列。

2）建筑設(shè)計師在布局光伏陣列時，要將太陽照射方向和住宅方位等因素結(jié)合起來，保證光伏陣列的有效利用。

3 主要技術(shù)問題和解決方案

光伏與建筑融合的優(yōu)勢，使BIPV在城市中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，若要在城市中大規(guī)模推廣該技術(shù)，則需要解決若干關(guān)鍵技術(shù)難題。如對發(fā)電功率影響較大的是太陽能電池模塊散熱問題和遮擋問題。目前，業(yè)界對太陽能光伏發(fā)電功率的影響因素已經(jīng)展開了較為深入的研究。

3.1 散熱問題及解決方案

太陽能電池板只能吸收大約20%的太陽輻射，其中絕大部分被轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池溫升過快，嚴重時會引起電池過熱損傷。針對這一問題，有研究者提出了光伏光熱建筑一體 化（Building Integrated Photovoltaic/Thermal，BIPV/T）系統(tǒng)[5]。

BIPV/T 系統(tǒng)是基于BIPV 系統(tǒng)的一種新型蓄能系統(tǒng)，它不僅能吸收太陽能電池板的余熱，而且能有效提高電池的使用壽命，還能提升其發(fā)電效率和熱效率。此外，該系統(tǒng)還能將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，在冬季為建筑供暖，從而降低建筑的熱負荷，提高建筑的居住環(huán)境質(zhì)量。BIPV/T 系統(tǒng)分為風(fēng)冷型BIPV/T 系統(tǒng)和水冷型BIPV/T 系統(tǒng)兩類。

風(fēng)冷型BIPV/T 系統(tǒng)在運行時，是采用自然對流或者風(fēng)機吹風(fēng)的方式進行強迫對流，以達到降溫的目的，進而可以提升系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率，該系統(tǒng)造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單。研究結(jié)果表明，當(dāng)空氣流速由0.008 kg/s 提高到0.016 kg/s 時，太陽能電池板的光熱轉(zhuǎn)換效率由13.50%高至22.75%。比較自然通風(fēng)條件下不同風(fēng)道間距和風(fēng)口間距對太陽能電池板表面溫度的影響，當(dāng)太陽能電池板采用通風(fēng)道結(jié)構(gòu)并在屋面間設(shè)置通風(fēng)道，其表面溫度下降約20 ℃，發(fā)電效率增加約8%。

采用自然通風(fēng)的制冷設(shè)備成本較低，但當(dāng)環(huán)境溫度超過20 ℃時制冷效率急劇下降。在這種情況下，水冷型設(shè)備更具優(yōu)勢。水冷型BIPV/T 系統(tǒng)通過在太陽能電池板下方設(shè)置的流道中引入低溫水，來降低系統(tǒng)溫度，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。與風(fēng)冷型BIPV/T 系統(tǒng)相比，水冷型BIPV/T 系統(tǒng)的綜合性能更好，可獲更多熱能。

BIPV/T 的工作性能受到外部和內(nèi)部2 個方面的因素影響：外部因素包括輻射照度、環(huán)境溫度和空氣流速等。內(nèi)在因素包括太陽能集熱器的太陽能覆蓋率、空氣空腔厚度與集熱器長寬比等結(jié)構(gòu)參數(shù)。在水冷型BIPV/T 系統(tǒng)中，管間距與管徑之比和肋板厚度等參數(shù)也是影響B(tài)IPV/T 裝置性能的內(nèi)在因素。雖然外部因素難以控制，但是可以通過調(diào)節(jié)特定的參數(shù)來提高組件的性能。因此，研究這些參量是優(yōu)化BIPV/T 系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

集主動制冷與自清潔于一體的光伏/光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在太陽能電池板背面采用強迫式氣流進行主動降溫，在其正面采用水循環(huán)進行輔助散熱和清洗。研究表明，與單獨使用太陽能電池板相比，該系統(tǒng)太陽能電池板的平均溫升降低了15 ℃，能源利用率提高5.7%。

除上述常規(guī)制冷方法，以相變材料（Phase Change Material，PCM） 為基礎(chǔ)的新型制冷技術(shù)受到業(yè)界關(guān)注。PCM 可在相變過程中吸附或釋放大量潛熱。相變儲能技術(shù)將太陽能電池輸出的熱能轉(zhuǎn)換為潛熱，使太陽能電池的溫度維持在較低值附近。利用相變儲能技術(shù)能夠構(gòu)建空氣制冷的雙流道光伏/光熱轉(zhuǎn)換裝置。

3.2 陰影遮擋問題及解決方案

BIPV 系統(tǒng)采用光伏組件替代傳統(tǒng)的建筑材料，將其與建筑的屋面、外墻和門窗等有機結(jié)合，實現(xiàn)建筑與太陽能光伏產(chǎn)品的一體化。該技術(shù)不僅能夠為建筑物提供電能和熱能，達到節(jié)能減排的目的，還能節(jié)省安裝太陽能電池板所需的空間。但是，由于樹木、建筑和其他太陽能面板的影響，BIPV 系統(tǒng)的發(fā)電功率會下降。

為了降低陰影遮擋對BIPV 系統(tǒng)的影響，應(yīng)該在規(guī)劃選址的時候，計算BIPV 系統(tǒng)的陰影率，以選取最優(yōu)位置。但是，在充分利用太陽能的基礎(chǔ)上，在規(guī)劃設(shè)計階段，還必須權(quán)衡BIPV 系統(tǒng)的發(fā)電容量和建筑外觀、結(jié)構(gòu)和功能要求。

利用非晶態(tài)硅薄膜太陽電池板也能夠有效減少陰影帶來的影響。與常規(guī)的單晶硅和多晶硅太陽能電池板相比，非晶態(tài)硅薄膜太陽能電池板具有不受陰影遮擋、顏色豐富和成本低廉的優(yōu)點，在BIPV 領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其光電轉(zhuǎn)換效率較低。為了更好地解決BIPV 系統(tǒng)的陰影遮擋問題，本文結(jié)合實際建筑的遮陰率和當(dāng)?shù)貧庀髼l件，通過修正太陽偏角和再選取光伏陣列傾斜角度，降低遮擋效應(yīng)。還可以通過調(diào)節(jié)支架立柱高度或安裝傾角的方法解決遮擋問題。

光伏組件所處的位置一般為南北向，如果所處的位置為南北向斜坡，則光伏組件南北方向的排列距離不但與所處的緯度和安裝傾角有關(guān)，而且還與地形坡度有關(guān)。

處于斜坡的光伏組件的南北向最小間距計算公式為：

式中：D'為南北自然角度條件下，光伏模塊南北方向的最小間距；θ為南北方向的自然角度；t為東西方向的自然角度；L為太陽能電池板的長度；α為光電組件的安裝傾斜角度；i為冬季每天09:00 的太陽方位角；β為冬季每天09:00 的太陽高度角。

從式（1）可知，在光伏組件設(shè)計中，若沒有將斜坡因子納入考慮，將會影響光伏組件的南北最小間隔的計算精度。光伏組件的最優(yōu)安裝角度隨季節(jié)的變化而改變。固定型光伏支架可以通過調(diào)節(jié)立柱高度和光電模塊安裝角度的方法，減少影子遮擋區(qū)域。對于單體光伏支架，則可以按照季節(jié)調(diào)整傾斜角度。采用固定可調(diào)式光伏支架，可以在一年中多次調(diào)整傾斜角度，能夠獲得更多陽光照射，進而提高發(fā)電效率。

根據(jù)PVsyst 仿真結(jié)果，安裝固定可調(diào)節(jié)支架的光伏陣列的發(fā)電功率能夠提高2%～5%。但固定可調(diào)式光伏支架的調(diào)整幅度不得大于原有的固定安裝角度。

4 光伏建筑一體化的未來思考

4.1 未來市場空間

“3060”雙碳目標的提出和風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為未來十年的風(fēng)電和光伏等新能源產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。據(jù)國家統(tǒng)計局預(yù)測，到2025 年，光伏建筑的新增市場和存量市場規(guī)模將達到20 億元，BIPV 的市場規(guī)模將達到700 億元，而太陽能電池板的市場規(guī)模也將達到2000 億元。隨著一系列相關(guān)規(guī)范的落地和綠色建筑、碳中和等政策的落實，BIPV 總體滲透率將迅速接近20%，其未來的發(fā)展空間巨大。

4.2 面臨的挑戰(zhàn)

4.2.1 工業(yè)生態(tài)環(huán)境不完善

進入BIPV 行業(yè)的參與者數(shù)量不斷增加，涵蓋光伏、逆變器、防水、金屬防護以及建筑等多個領(lǐng)域，行業(yè)之間的整合難度較大，尤其是光伏和建筑行業(yè)的融合。目前，BIPV 行業(yè)尚處于起步階段，整個行業(yè)的生態(tài)有待完善，且項目的運行和維護都面臨著諸多的挑戰(zhàn)，急需探索一種成熟的商業(yè)模式。

4.2.2 標準不完善

BIPV 系統(tǒng)是一種涉及多產(chǎn)業(yè)和多領(lǐng)域的綜合性產(chǎn)品。對于BIPV 行業(yè)標準的制訂，不僅要考慮電氣、力學(xué)和可靠性等方面的要求，還要考慮建筑防火和安全等。應(yīng)深入研究和分析BIPV 產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上建立專門的標準。除了行業(yè)標準，在設(shè)計方面也缺乏相應(yīng)的標準，制訂和完善BIPV設(shè)計標準，應(yīng)涵蓋產(chǎn)品設(shè)計、工程施工及竣工驗收等各個階段，為光伏建筑一體化工程的設(shè)計和建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

BIPV 系統(tǒng)我國城市建筑節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。要想使光伏建筑在未來能夠有效運行，就必須充分掌握BIPV 技術(shù)，并因地制宜地對其進行利用。面對光伏產(chǎn)業(yè)廣闊的發(fā)展前景和政府的政策鼓勵，應(yīng)保持冷靜思考，深刻認識到行業(yè)目前面臨的挑戰(zhàn)，通過對BIPV 的研究和應(yīng)用，為此技術(shù)的發(fā)展做出貢獻。