劉奉軍（上海寶冶集團有限公司，上?！?00941）

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光伏建筑一體化技術與應用研究

劉奉軍
（上海寶冶集團有限公司，上海200941）

【摘 要】隨著能源緊張局面的不斷加劇，各個國家都開始了新能源、可再生能源的深入研究。光伏建筑一體化技術（BIPV），是當前的重點內容。文章先對光伏系統(tǒng)原理進行簡要分析，然后對光伏建筑一體化對光伏方陣、光伏組件的要求進行探討，之后進行了光伏建筑一體化設計的分析，最后利用實例分析對光伏建筑一體化技術的應用進行論證。

【關鍵詞】光伏一體化建筑應用

人口的加劇和經濟的飛速增長，在很大程度上促使能源的消耗過渡，當前可利用的能源并不多。想要獲得長久的生存和發(fā)展，就必須研究一系列的能源再生技術，或者是能源的節(jié)省應用技術。經過多方面的探討和分析，認為光伏建筑一體化技術，能夠在當前滿足社會上的需求，且在未來擁有很大的提升空間，能夠在客觀上實現能源的持續(xù)利用。針對光伏建筑一體化技術進行實踐和理論研究，能夠與當前客觀實際相結合，從而制定出合理的發(fā)展方案，確保最終的成果是符合需求的。

1　光伏系統(tǒng)原理

與一般的技術有所不同，光伏建筑一體化技術的核心是“光伏系統(tǒng)”，該系統(tǒng)能夠將可再生能源——太陽光，進行充分的利用和加工，從而提供較多的能源轉換和供應。光伏系統(tǒng)的研究，經過了漫長的考驗和分析，僅僅在資料搜集和處理上，經歷了數年才得以完成。通過對光伏系統(tǒng)的原理進行分析，能夠找出光伏建筑一體化技術的關鍵所在，并且以原理來指導具體的技術手段和操作方法，從而在客觀上取得突出的技術成就。

1.1光伏電池

可再生能源的一大特點在于，雖然含有的資源量比較龐大，但在利用上卻非常的困難，特別是在能源的存儲、轉換方面，并不容易有效的處理。研究光伏系統(tǒng)原理時，發(fā)現光伏電池有很大的積極作用。光伏電池是一種特殊的“轉換器”，其能夠將太陽能，合理的轉化為電能。該設備的發(fā)電原理，主要是“光生伏打效應”。太陽光在照射到光伏電池上時，電池能夠將太陽光的能量進行充分吸收，自身會產生光生電子，即學術上的“空穴對”，在電池內建電場的作用下，光生電子、空穴會被分離形成電壓，從而產生想要的電能。光伏電池在存儲能源、轉換能源方面，與客觀上的需求是比較符合的，因此在可行性方面值得肯定。

1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏建筑一體化技術在研究的過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有非常重要的作用。從原理的角度來分析，光伏電池的作用雖然突出，但光伏發(fā)電系統(tǒng)則是具體運作的媒介，缺乏媒介的作用，太陽能即便轉化為電能，依然無法實現充分的利用，屆時所造成的浪費將會非常嚴重。太陽能電池單體，作為光伏轉換的最小單元，工作過程中的電壓徘徊在0.45V--0.5V之間，在多數情況下，其不能作為單獨的電源進行使用。為此，需要針對太陽能電池單體進行有效的處理，光伏建筑一體化技術的處理方法為，將太陽能電池單體進行串并聯的處理，同時在封裝完成后，就可以形成單獨電源的獨立組件，該組件被稱之為光伏組件。另一方面，想要充分的滿足負載的輸出功率，還要將光伏組件進行再一次的串并聯，由此來形成具有較高輸出功率的光伏方陣、太陽能陣列，如圖1所示。

圖1　太陽能光伏電池片、組件、方陣示意圖

2　光伏建筑一體化對光伏方陣、光伏組件的要求

2.1影響光伏發(fā)電的因素

光伏發(fā)電與一般的發(fā)電方式不同，其主要是利用太陽能進行發(fā)電，從而滿足日常的電力需求。影響光伏發(fā)電的因素，主要包括兩個方面：第一，光伏組件可能接受到的太陽能。現階段的光伏組件類型較多，由于各地區(qū)的太陽能分布情況不均勻，因此在光伏組件的選擇上要保持因地制宜，否則很難確保最終的發(fā)電效果。第二，光伏組件本身的性能。太陽能是一種可再生能源，除了要考慮到天氣因素的影響，還必須照顧到光伏組件本身的性能。有些光伏組件性能較強，即便是在很少的陽光下，也可以吸收較多的太陽能，其在能源轉換、利用等方面表現突出；有些光伏組件的性能較弱，即便是陽光強烈，對太陽能的吸收依然不理想，最終的發(fā)電效果較為低下。

2.2光伏方陣布置要求

電能需求的提升，要求光伏建筑一體化技術在“光能轉化為電能”的效率上要有所提升。目前，我們必須要針對光伏方陣布置進行深入的研究。經過討論，認為光伏方陣布置要求集中在以下幾個方面：第一，建筑的具體位置是無法改變的，建筑與光伏方陣結合、集成的屋頂與墻面，能夠接受的太陽能輻射是固定的。因此，在光伏方陣布置的過程中，要求相關工作人員，將光伏方陣布置得能夠最大限度吸收太陽能輻射。第二，所有光伏方陣的布置工作，都必須盡量的朝向太陽光照射的方向，包括建筑物的南面、西南位置、東南位置等等。

2.3光伏組件要求

隨著光伏建筑一體化技術的研究深入，科研人員認為，光伏組件的要求達到的越多，最終的發(fā)電效果越好。目前，國家對光伏組件的要求正在不斷的增加。第一，光伏組件的顏色、質感，應該與建筑物進行協(xié)調應用，不可胡亂搭配。第二，光伏組件的強度、抗變形能力要達到基礎標準。例如，光伏組件在風荷載的作用下時，必須能夠出現變形，但變形不可以影響組件的正常應用。第三，光伏組件的透光率設定，應與光伏建筑一體化技術本身相符合，透光率需在精密的計算后決定。第四，組件的尺寸、形狀盡量的直接訂購，確保組件能夠被派上用場。

表1　光伏建筑一體化的主要形式

3　光伏建筑一體化設計

對于光伏建筑一體化技術而言，其最終的目的就是為建筑物提供足夠的電力能源供應，減少各方面的問題和影響，使用清潔能源、可再生能源來滿足生產、生活的需求。為此，光伏建筑一體化的設計工作，要將每一項內容都當作重點來完成，要減少不協(xié)調的情況，充分實現光伏建筑一體化的各項優(yōu)勢、功能，創(chuàng)造出最大的價值。

3.1設計原則

光伏建筑一體化的設計，必須在健全的原則下進行，否則很容易導致設計結果與客觀需求不符，甚至是出現很多的問題。為此，開展光伏建筑一體化的設計之前，必須將原則方面的內容健全。第一，光伏建筑一體化的相關工作，具體表現為光伏系統(tǒng)依賴、依附于建筑，是一種新能源的利用形式，主體是建筑物，客體是光伏系統(tǒng)，二者地位是非常明確的。第二，光伏建筑一體化的設計、落實、運行當中，絕對不能對建筑物造成任何的損壞，包括建筑物的結構安全、功能影響、使用壽命等等。我們開展光伏建筑一體化設計，目的是提升建筑物的電能供應，而不是以犧牲建筑的部分組成來完成“等價交換”。第三，任何對建筑物產生損壞、不良影響的光伏建筑一體化設計，都不可以落實到具體的工作當中，其在設計階段就直接被否定，且不能再次提起。

3.2建筑設計

光伏建筑一體化的設計應用，必須要從客觀、主觀兩個方面著手，充分滿足客觀需求的同時，要加強主觀功能、美觀等方面的標準提升，確保最終的建筑能夠取得最大化的成績。結合以往的工作經驗和當前的設計標準，認為光伏建筑一體化的設計應用，可從以下幾個方面出發(fā)：第一，針對建筑物所在位置的氣候條件、太陽能資源等情況進行深入的分析，了解各方面的條件，是否可以滿足技術的使用要求，是否滿足建筑物的標準。第二，針對建筑物周邊的情況進行了解和總結。當前的地區(qū)密集度比較高，建筑物雖然在高度上有了很大的提升，但在接收太陽能的過程中，一旦被其他的建筑物所阻擋，則最終的光伏效果勢必會大打折扣，發(fā)電效率下降，造成的損失是比較嚴重的。第三，所有的建筑物都需要在外部裝飾上保持協(xié)調，而光伏建筑一體化設計，最先考慮的是建筑的功能和光伏效果，這就與外部裝飾產生了一定的矛盾。所以，要求設計人員在具體的應用技術時，要將外部的裝飾盡量美觀，與裝飾團隊進行討論和分析，制定多元化的設計方案，既不影響光伏效果和建筑工程，同時又可以實現美觀度的較大提升。第四，針對光伏組件的吸熱情況、對建筑物熱環(huán)境改變情況進行分析。我國現階段的建筑物數量持續(xù)增長，光伏組件的吸熱達不到標準時，不能開展光伏設計。同時，建筑熱環(huán)境的承受范圍是有限的，倘若熱范圍過于惡劣，也不能進行光伏設計。表1為光伏建筑一體化的主要形式類型，可以此作為參考。

3.3發(fā)電系統(tǒng)設計

在光伏建筑一體化設計當中，技術的核心內容，就是發(fā)電系統(tǒng)的設計。與一般的發(fā)電系統(tǒng)有很大不同，該系統(tǒng)的設計包括光伏方陣、光伏組件、光伏發(fā)電系統(tǒng)3個組成部分，各個部分既是獨立存在的，又保持相互協(xié)調的狀態(tài)，所獲得的發(fā)電效果是值得肯定的。第一，光伏方陣的設計，必須考慮到建筑的效果，特別是在顏色、板塊的大小方面。另外，方陣還必須考慮到受光條件的情況，包括朝向的影響、傾角的影響等等。第二，光伏組件的設計，涉及到的內容較多，應針對不同的內容開展測試和分析，選擇合理的組件來完成設計，并進行實踐上的總結，由此來確保組件能夠長久、穩(wěn)定的運行。第三，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計，可選擇并網系統(tǒng)或者是獨立系統(tǒng)，在控制器、逆變器、蓄電池等方面，均可以進行多元化的選擇，以建筑物的需求為基準，將性價比作為重要衡量指標。

3.4結構安全性設計

光伏建筑一體化的設計工作中，上述幾項內容完成后，還必須在結構安全性、構造設計兩方面做出足夠的努力。當前的很多建筑物都采用了新型的設計方案，光伏建筑一體化技術作為突出的技術類型，有些地方仍然具有較大的提升空間。為了確保光伏建筑一體化能夠取得最佳成績，必須將安全工作提升到最高水平。建議今后的結構安全設計，從以下幾個方面出發(fā)：一是組件本身的結構安全，如高層建筑屋頂的風荷載較地面大很多，普通的光伏組件的強度能否承受，受風變形時是否會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式的簡單固定，而是需對連接件固定點進行相應的結構計算，并充分考慮在使用期內的多種最不利情況。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的結構安全性問題不可小視。

4　實例介紹

光伏建筑一體化技術，已經開始在我國廣泛的推廣應用，一線城市的應用效果最佳。例如，由深圳市政府投資承建的1兆瓦太陽能光伏電站于 2004年8月在深圳國際園林花卉博覽園內建成發(fā)電。電站安裝于園內綜合展館、花卉展館、管理中心、南區(qū)游客服務中心和北區(qū)東山坡，采用與市電直接并網的運行方式，是目前亞洲最大的并網太陽能光伏電站之一。該電站總容量1000.322kWp，年發(fā)電能力約為100萬kW·h。工程采用了超過4000個單晶硅及多晶硅光伏組件（160W和170W組件）。由此可見，光伏建筑一體化技術在應用后，對建筑物產生了非常積極的影響，且在經濟效益、社會效益等方面均比較突出。隨著人口的增加和土地利用面積的緊張，傳統(tǒng)的發(fā)電方式已經無法滿足國家的要求，積極落實光伏建筑一體化技術，將建筑物的發(fā)電方法進行轉變，不僅可以滿足生產、生活的要求，還可以在某種程度上加強對環(huán)境的保護，這種持續(xù)性的積極影響，是可以進行深入拓展的。

5　結語

本文對光伏建筑一體化技術與應用展開討論，國內對該項技術

············

的掌握程度是比較高的，且獲得了很大的積極效果，社會反響強烈。作為一個人口大國，未來的發(fā)展?jié)摿κ侵档每隙ǖ?，但如果技術長久保持在單一的水平上，那么潛力也會被一點點的埋沒。建議相關機構、企業(yè)，針對光伏建筑一體化技術開展深入的研究，將每一個組成部分都進行完美的設計和拓展。

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