劉 寧 王軍輝

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 西安 710001）

1 引言

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。太陽(yáng)能是資源最豐富的可再生能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開發(fā)利用潛力。充分利用太陽(yáng)能有利于保持人與自然的和諧相處及能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

太陽(yáng)能光伏建筑一體化 BIPV(Bui1ding Integrated Photovoltaias)，是在2006年9月30日深圳太陽(yáng)能學(xué)會(huì)年會(huì)上首次提出。在這次會(huì)議上，建筑領(lǐng)域的代表，介紹了光伏建筑相關(guān)的另一個(gè)重要概念，“零能耗建筑”，一旦光伏建筑的發(fā)電量達(dá)到能夠滿足住戶生活需求，則稱之為“零能耗建筑”。由于建筑是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，一個(gè)完整的統(tǒng)一體，如果要將新型太陽(yáng)能技術(shù)融入到建筑設(shè)計(jì)中，同時(shí)繼續(xù)保持建筑的文化特征，就應(yīng)該從技術(shù)和美學(xué)兩方面入手，使建筑設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能技術(shù)有機(jī)結(jié)合，由此產(chǎn)生了“一體化設(shè)計(jì)”的概念?！耙惑w化設(shè)計(jì)”是指在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)之初，就將太陽(yáng)能利用納入設(shè)計(jì)內(nèi)容，使之成為建筑的一個(gè)有機(jī)組成部分，統(tǒng)一設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試。

2 光伏建筑一體化分類

根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合形式的不同，BIPV可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用；另一類是光伏方陣與建筑的集成。光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。如光電屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?。光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的 BIPV形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。光伏方陣與建筑的集成是 BIPV的一種高級(jí)形式，它對(duì)光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求，同時(shí)還要兼顧建筑的基本功能要求。表1為常見(jiàn)的與建筑結(jié)合的安裝方式。

表1 常見(jiàn)的與建筑結(jié)合的安裝方式

3 建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

光伏建筑一體化是光伏系統(tǒng)依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式，其主體是建筑，客體是光伏系統(tǒng)。因此，BIPV設(shè)計(jì)應(yīng)以不損害和影響建筑的效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命為基本原則，任何對(duì)建筑本身產(chǎn)生損害和不良影響的BIPV設(shè)計(jì)都是不合格的設(shè)計(jì)。

BIPV的設(shè)計(jì)應(yīng)從建筑設(shè)計(jì)入手，首先對(duì)建筑物所處地的地理、氣候條件及太陽(yáng)能的資源情況進(jìn)行分析，這是決定是否選用 BIPV的先決條件；其次是考慮建筑物的周邊環(huán)境條件，即選用BIPV的建筑部分接受太陽(yáng)能的具體條件，如被其他建筑物遮檔，也不必考慮選用 BIPV；第三是與建筑物的外裝飾的協(xié)調(diào)，光伏組件給建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，畫龍點(diǎn)睛的 BIPV設(shè)計(jì)會(huì)使建筑更富生機(jī)，環(huán)保綠色的設(shè)計(jì)理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合；第四考慮光伏組件的吸熱對(duì)建筑熱環(huán)境的改變。

太陽(yáng)能電池與建筑相結(jié)合，有時(shí)不可避免的會(huì)受到遮擋，如樹、廣告牌、女兒墻、其他建筑。遮擋對(duì)于晶體硅電池發(fā)電量影響很大，對(duì)于非晶硅的影響會(huì)小得多。一塊晶體硅電池組件被遮擋了 1/10的面積，功率損失將達(dá)到 50%；而非晶硅受到同樣的遮擋，功率損失只有10%，這就是薄膜電池弱光發(fā)電性能的體現(xiàn)。如果太陽(yáng)能電池不可避免的會(huì)被遮擋，應(yīng)當(dāng)盡量選用非晶硅電池。同時(shí)，建議每一個(gè) BIPV項(xiàng)目都要經(jīng)過(guò)專業(yè)的遮擋分析，長(zhǎng)期處于陰影遮擋下的建筑，是不適合做BIPV的。

設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)該采用專業(yè)生態(tài)環(huán)境分析軟件對(duì)建筑所處環(huán)境進(jìn)行模擬分析，合理布置電池板，使電池板始終在太陽(yáng)的“光芒”下。分析時(shí)對(duì)系統(tǒng)所處位置采用按春分、夏至、秋分、冬至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)。冬至、夏至是太陽(yáng)的南北回歸線，對(duì)于地球來(lái)說(shuō)是太陽(yáng)運(yùn)行距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)端點(diǎn)，如果建筑在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上不被遮擋，那么我們布置的電池板將會(huì)長(zhǎng)年接受陽(yáng)光的照耀。

BIPV建筑說(shuō)到底就是一個(gè)建筑，它是建筑師的藝術(shù)品，而對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)光線就是他的靈魂，因此建筑物對(duì)光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃，其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處，這個(gè)位置需要光線通透，這時(shí)就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，用來(lái)滿足建筑物的功能。同時(shí)為了節(jié)約成本，電池板背面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。

4 結(jié)構(gòu)安全性與構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

光伏組件與建筑的結(jié)合，結(jié)構(gòu)安全性涉及兩方面：一是組件本身的結(jié)構(gòu)安全，如高層建筑屋頂?shù)娘L(fēng)荷載較地面大很多，普通的光伏組件的強(qiáng)度能否承受，受風(fēng)變形時(shí)是否會(huì)影響到電池片的正常工作等。二是固定組件的連接方式的安全性，組件的安裝固定不是安裝空調(diào)式的簡(jiǎn)單固定，而是需對(duì)連接件固定點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并充分考慮在使用期內(nèi)的多種最不利情況。建筑的使用壽命一般在 50年以上，光伏組件的使用壽命也在20年以上，BIPV的結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題不可小視。構(gòu)造設(shè)計(jì)是關(guān)系到光伏組件工作狀況與使用壽命的因素，普通組件的邊框構(gòu)造與固定方式相對(duì)單一，與建筑結(jié)合時(shí)，其工作環(huán)境與條件有變化，其構(gòu)造也需要與建筑相結(jié)合。如隱框幕墻的無(wú)邊框、采光頂?shù)呐潘绕胀ńM件邊框已不適用。

當(dāng)光伏組件與建筑集成使用時(shí)，光伏組件是一種建筑材料，作為建筑幕墻或采光屋頂使用。因此，需滿足建筑的安全性與可靠性需要。光伏組件的玻璃需要增厚，具有一定的抗風(fēng)壓能力，同時(shí)光伏組件也需要有一定的韌性，在風(fēng)荷載作用時(shí)能有一定的變形，這種變形不會(huì)影響到光伏組件的正常工作。

當(dāng)光伏電池作為一種建筑維護(hù)材料，我們必須首先對(duì)其強(qiáng)度和剛度做詳細(xì)的分析檢查。

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全校核應(yīng)包括但不限于以下幾方面：

（1）電池組件（面板材料）強(qiáng)度及剛度校核；

（2）支撐構(gòu)件（龍骨）的強(qiáng)度及剛度校核；

（3）電池組件與支撐構(gòu)件的連接計(jì)算；

（4）支撐構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接計(jì)算。

5 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

BIPV是根據(jù)光伏方陣大小與建筑采光要求來(lái)確定發(fā)電的功率并配套系統(tǒng)。光伏組件設(shè)計(jì)涉及電池片的選型(綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量)與布置(結(jié)合板塊大小、功率要求、電池片大小進(jìn)行)、組件的裝配設(shè)計(jì)(組件的密封與安裝形式)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)類型(并網(wǎng)系統(tǒng)或獨(dú)立系統(tǒng))確定控制器、逆變器、蓄電池等的選型及防雷、系統(tǒng)綜合布線、感應(yīng)與顯示等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

普通光伏系統(tǒng)的大部分連接線都是敞開在大氣中，空氣對(duì)流充分，溫度低。BIPV建筑系統(tǒng)中的連接線大多都在幕墻立柱、橫梁等密閉結(jié)構(gòu)中，其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通光伏系統(tǒng)電線所處的環(huán)境溫度，這對(duì) BIPV建筑系統(tǒng)中電線的要求要高很多。普通系統(tǒng)中，一般使用普通的聚氯乙稀銅線就能滿足要求，但在 BIPV系統(tǒng)中，建議使用光伏專用電線、雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線。另外考慮到溫度對(duì)電阻的影響，BIPV建筑系統(tǒng)中選用的電線直徑應(yīng)該要比普通光伏系統(tǒng)大一些。

在設(shè)計(jì) BIPV建筑時(shí)要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統(tǒng)設(shè)備選型。但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會(huì)造成組件間的電壓、電流不同。這個(gè)時(shí)候可以考慮對(duì)建筑立面進(jìn)行分區(qū)及調(diào)整分格，使 BIPV組件接近標(biāo)準(zhǔn)組件電學(xué)性能，也可以采用不同尺寸的電池片來(lái)滿足分格的要求，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外，還可以將少數(shù)邊角上的電池片不連接入電路，以滿足電學(xué)要求。

6 光伏方陣與光伏組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

影響光伏發(fā)電有兩個(gè)因素，一是光伏組件可能接受到的太陽(yáng)能；二是光伏組件本身的性能。由于太陽(yáng)能發(fā)電的全部能量來(lái)自于太陽(yáng)，因而太陽(yáng)能電池方陣所能獲得的輻射量決定了它的發(fā)電量。而太陽(yáng)輻射量的多少與太陽(yáng)高度、地理緯度、海撥高度、大氣質(zhì)量、大氣透明度、日照時(shí)間等有關(guān)。一年當(dāng)中四季的變化，一天當(dāng)中時(shí)間的變化，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射直散分量的比例，地表面的反射系數(shù)等因素都會(huì)影響太陽(yáng)能的發(fā)電。但這些因素對(duì)于具體建筑而言是客觀因素，幾乎只能被動(dòng)選擇。對(duì)于光伏組件而言，光伏方陣的傾角、光伏組件的表面清潔度、光伏電池的轉(zhuǎn)換率、光伏電池的工作環(huán)境狀態(tài)等是我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮的。對(duì)于某一具體位置的建筑來(lái)說(shuō)，與光伏方陣結(jié)合或集成的屋頂和墻面，所能接受的太陽(yáng)輻射是一定的。為獲得更多的太陽(yáng)能，光伏方陣的布置應(yīng)盡可能地朝向太陽(yáng)光入射的方向，如建筑的南面、西南、東南面等。

用于 BIPV的光伏組件，由于其安裝朝向與部位的要求，在不可能作為建筑外裝飾的主要材料的前提下，光伏組件的顏色與質(zhì)感需與整座建筑協(xié)調(diào)。

在光伏組件與建筑集成使用時(shí)，如光電幕墻和光電采光頂，通常對(duì)它的透光性會(huì)有一定要求。這對(duì)于本身不透光的晶體硅太陽(yáng)電池而言，在制作組件時(shí)采用雙層玻璃封裝，同時(shí)通過(guò)調(diào)整電池片之間的空隙來(lái)調(diào)整透光量。

普通光伏組件并沒(méi)有像中空玻璃一樣的隔熱空氣層，只是簡(jiǎn)單地安裝在建筑物上或者支撐構(gòu)件上，和建筑物并沒(méi)有形成統(tǒng)一的整體。這時(shí)的光伏組件作為 BIPV組件來(lái)使用往往會(huì)將大量的熱量帶入室內(nèi)，造成耗能和節(jié)能相矛盾的情況，同時(shí)也不能滿足建筑的隔音要求。這時(shí)可以將普通光伏組件做成中空Low-E玻璃的形式，這樣既能隔熱又能隔音。

目前市場(chǎng)上大部分的光伏組件用于為光伏電站和與光伏電子產(chǎn)品配套，規(guī)格相對(duì)比較單一，不能適應(yīng)建筑多樣化與個(gè)性化的要求。用于BIPV的光伏組件，需要結(jié)合建筑的不同要求，進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

7 與智能建筑的結(jié)合

在現(xiàn)代飛速發(fā)展的智能建筑（IB）中，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）是一個(gè)重要組成部分。對(duì)于BIPV系統(tǒng)，其本質(zhì)上是屬于樓宇設(shè)備的范疇，但在目前關(guān)于 BAS的資料文獻(xiàn)中還沒(méi)有被納入其中。根據(jù)以后的發(fā)展情況，BIPV系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)納入BAS中。在實(shí)際建筑施工中應(yīng)當(dāng)預(yù)留光伏陣列的鋪設(shè)裝置，在綜合布線系統(tǒng)（PDS）中，應(yīng)當(dāng)預(yù)設(shè)光伏設(shè)備的接入端口和線路匣，為以后光伏組件與樓宇設(shè)備的結(jié)合做準(zhǔn)備。隨著光伏組件的廣泛應(yīng)用和價(jià)格大幅度下降，未來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的建筑物必定要配裝BIPV系統(tǒng)，同時(shí)這也是對(duì)IB內(nèi)容的一個(gè)重要補(bǔ)充。

8 結(jié)語(yǔ)

光伏系統(tǒng)和建筑是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，將這兩個(gè)系統(tǒng)相結(jié)合，所涉及的方面很多。要發(fā)展光伏與建筑集成化系統(tǒng)，并不是光伏制作者能獨(dú)立勝任的，必須與建筑材料、建筑設(shè)計(jì)、建筑施工等相關(guān)方面緊密配合、共同努力，并有適當(dāng)?shù)恼咧С植拍艹晒Α?/p>

可以預(yù)計(jì)，光伏與建筑相結(jié)合是未來(lái)光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，也是建筑領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場(chǎng)潛力。

1 謝士濤.光伏一體化技術(shù)與應(yīng)用.深圳土木與建筑，2008（1）.

2 曹濤.光伏建筑一體化設(shè)計(jì)探討.智能建筑電氣技術(shù),2011(2).

3 羅多，李廣立.光伏建筑一體化的建筑設(shè)計(jì)要素.建筑玻璃與工業(yè)玻璃,2010(2).