談光伏建筑一體化技術應用

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由于化石能源的大量消耗，導致一系列困擾人類的社會問題，譬如：能源危機、環(huán)境污染、溫室效應等。人們迫切需要尋找一種對環(huán)境沒有污染的可再生能源提供人們所需的能源，以替代傳統(tǒng)的化石能源。由于太陽能具有取之不盡、用之不竭的優(yōu)點，且使用過程中不會給環(huán)境帶來污染，得到了人們的青睞。以一年為單位計算，太陽輻射到地表的太陽能約相當于燃燒130萬億t標煤所釋放的能量，因而太陽能是當今最引人關注的可再生能源。在這些背景下，光伏建筑一體化（BuildingIntegratedPhotovoltaic，簡稱BIPV）應運而生。BIPV的概念最早由70年代末的美國學者提出。由于BIPV具有綠色環(huán)保、不占額外的空間、美觀等諸多優(yōu)點，各國學者均開展BIPV技術的研究，BIPV從最初的建筑物上簡單堆砌光伏陣列的形式，發(fā)展為光伏系統(tǒng)與建筑物融為一體的設計。

光伏建筑一體化基本概念

BIPV是將原有建筑樓宇和太陽能發(fā)電裝置組合在一起，在承擔傳統(tǒng)建筑的功能的同時進行光伏發(fā)電，為負載提供一部分電能。另外，對于擁擠的大城市，將光伏發(fā)電技術與房屋建筑結合在一起，可節(jié)省較多的空間，同時實現(xiàn)了光伏發(fā)電。因此光伏建筑一體化在城市中使用，有重要的使用價值和意義。

光伏建筑一體化分類

從光伏發(fā)電技術與建筑物結合的型式來看，光伏建筑一體化可分為兩種型式：（1）光伏發(fā)電設備是建筑物的附加系統(tǒng)的型式。該型式通常以現(xiàn)有的建筑物作為基礎，在建筑 物表面上增加光伏發(fā)電設備。在光伏建筑一體化技術的早期階段，該型式比較常見。這種型式的光伏建筑一體化優(yōu)點是改造容易、且投資較小、施工方便；然而，其缺點也很明顯，通常改造后建筑物的外貌與建筑設計風格不協(xié)調，視覺不美觀，很難達到理想的效果。（2）光伏發(fā)電設備與建筑物相集成的型式。這種型式的光伏組件通常作為建筑物的一部分，在工程的整個設計過程中，光伏組件與建筑物同時考慮，施工和安裝也同時進行，實現(xiàn)光伏發(fā)電設備與建筑完美結合。同時具有發(fā)電和建筑設備的功能。

光伏建筑一體化的應用

BIPV系統(tǒng)可以具有不同的工作模式，既能夠連接到電網還能夠獨立脫離電網使用。并網使用時，發(fā)電量超過本地負載時可以將多余的電能送入電網，反之，發(fā)電量不足時，則使用電網中的電能。對于獨立型的BIPV，通常適合于地理位置偏遠，人煙稀少的草原、沙漠等電網難以接入的地區(qū)。同時，當太陽日曬狀況較好時，BIPV系統(tǒng)生產的富余電量可通過專門的儲能設備進行電能的存儲，以備光照較差時使用，實現(xiàn)自給自足的狀況。

光伏建筑一體化的安裝形式

光伏組件可以組裝成客戶的要求樣式，部分或整體的替換建筑構件。系統(tǒng)安裝的樣式是由選用光伏組件的性能，建筑師的設計的建筑形式，以及項目所在地的氣候條件等幾個因素所共同決定的。其中，光伏組件的性能在整個設計過程當中起到了決定性作用。目前，光伏建筑一體化的安裝形式主要由以下幾種：

遮陽棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖1為遮陽棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光伏電池板安裝形式以遮陽設施為主，太陽能電池板可起到很好的遮陽隔熱效果，可使空調能耗有效的降低，節(jié)約能源并且相比一般的遮陽棚有更美觀的建筑外觀效果。

瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2為瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)，從圖2可看出，瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能屋頂的瓦與常規(guī)分布式并網屋頂設計有所不同，瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)將屋頂與太陽能完美結合。用太陽能瓦片取代常規(guī)瓦片集成為一個斜坡屋頂，使光伏發(fā)電領域的設計和美學達到完美結合。其缺點是太陽能瓦的成本比普通太陽能板成本高，不能帶來較好的經濟收益。

窗間式光伏系統(tǒng)

圖3為窗間式光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)在提供電力的同時，能夠根據季節(jié)的變化以及外界環(huán)境的不同可自動調節(jié)室內的通風、濕度和溫度。相比普通鋼化玻璃頂，窗間式光伏系統(tǒng)帶來了更多方便的功能，可將建筑空間資源充分的利用。

壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖4為壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)。從圖4可看出，壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)將光伏電池板直接安裝在建筑的外墻。這種外掛式獨特的光伏發(fā)電系統(tǒng)使施工和維護變得更簡單。由于太陽能系統(tǒng)安裝在建筑物的外墻，太陽能電池吸收了建筑物外部的輻射光同時并進行了發(fā)電，而這部分輻射光原來是被建筑物表面吸收了，因此有效地降低了建筑物吸收的輻射能，尤其在夏季可有效地降低建筑物內的溫度水平。

百葉窗式光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖5為百葉窗式光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光伏建筑的熱量是通過建筑圍護結構的導熱以及窗戶的輻射，對于改善夏季室內熱舒適性能具有重要的作用。與其他墻體光伏不同，可調節(jié)角度的百葉窗式可以讓建筑最大化利用光能，充分利用建筑空間。采光天窗光伏系統(tǒng)圖6為采光天窗光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)的采光天窗一般位于建筑大堂，通常是國內標志性建筑，如博物館，科技館等場館的大堂天窗。如果改裝或加裝半透明的雙玻光伏板，可以讓建筑天窗空間得到更有效的利用的同時兼顧采光需求，還能為這些科技場館展現(xiàn)現(xiàn)代化的氣息。

具體案例

圖7為上海虹橋站。在建設過程中增加了光伏電站系統(tǒng)，從圖7可看出，光伏電站系統(tǒng)與建筑本身融為一體。在虹橋站的頂部和部分立面均安裝了光伏發(fā)電裝置，總容量可高達6.5MW。在圖8中，我們看到了迪拜時尚的光伏系統(tǒng)。屋頂不僅是屋頂，而且是小型發(fā)電廠。玻璃不再只是玻璃，它變成了一堵結構墻。這種傳統(tǒng)建筑的開放不是改造性的，而是創(chuàng)造性的。他是一個注重表演、人性化、心胸狹窄的建筑人。調和美學和生活方式。

未來研究發(fā)展重點

建筑內消耗的能源大多是用于調節(jié)溫度。目前，被動式太陽房有一些用于供暖的范例，但這些建筑造價相對較高，難以推廣。主動式太陽房造價成本則更加高昂，推廣價值更小。因此，未來對于太陽房的研究必須是一種可再生能源與常規(guī)能源相結合的思路。在方案的實施中，可根據建筑物房間的功能，采用不同方案協(xié)調配合，可有效降低光伏電站用于建筑供能的初投資，提高整個方案的可操作性。建筑物內空氣溫度的控制調節(jié)技術應盡可能智能化地應用，順應自然來達到滿足人類健康和舒適生活的需求?？諝鉁囟鹊目刂普{節(jié)技術的目的應該是盡量減少所謂的人造環(huán)境。在使用主動供能保證建筑內居住的舒適度的前提下，盡可能的將主動功能技術和被動供能技術相結合從而將太陽能建筑物性價比做到最優(yōu)。

結語

BIPV是將原有建筑樓宇和太陽能發(fā)電裝置組合在一起，在實現(xiàn)傳統(tǒng)建筑物的功能的基礎上，進行太陽能光伏發(fā)電的功能，可用于為室內的建筑提供電能。光伏建筑一體化并不是光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物簡單的堆砌，而是兩者有機的結合，能夠達到1+1>2的效果。

作者：畢凱 宋明中 林玉杰 馬昕霞 單位：國家電投集團貴州金元威寧能源股份有限公司