趙西安

目前，國內(nèi)最大的敦煌光伏電站正在加緊建設(shè)，發(fā)電能力10MW；世界最大的內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯光伏電站預(yù)計(jì)2019年全部建成，總功率達(dá)2000MW，光伏板總面積將超過2000萬平方米。這些電站光電板陣列建在地面上，除發(fā)電外沒有建筑功能，不屬于光伏建筑的范圍。除了這種專用光伏電站外，光伏技術(shù)應(yīng)用的另一條途徑是量大面廣、相對分散的一體化光伏建筑。光伏建筑的發(fā)電部分與建筑是有機(jī)的整體，也是建筑的組成部分，通常同時(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)施工。

近年來，光伏技術(shù)已經(jīng)開始在建筑工程中得到了應(yīng)用，不少項(xiàng)目采用了光伏玻璃幕墻和光伏玻璃采光頂。目前我國光伏基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)正急速發(fā)展，加之國家出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)采用光伏技術(shù)的政策規(guī)定，幕墻行業(yè)在工程中采用光伏產(chǎn)品的積極性不斷高漲，業(yè)主也大力支持，一個(gè)光伏技術(shù)應(yīng)用的新高潮正在形成。

從光伏板陣列與建筑物的關(guān)系來區(qū)分，可以分為分離式和合一式兩種。目前國內(nèi)兩種方式都有應(yīng)用。最近，也有一些建筑同時(shí)采用兩種方式。

一、分離式光伏建筑

分離式光伏建筑中，光伏板陣列靠近主體建筑或在屋頂上設(shè)置，雖然它是整個(gè)建筑的有機(jī)組成部分，但它有自身的支承結(jié)構(gòu)體系，光伏板僅僅作為產(chǎn)能裝置，不作為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建筑物還要另設(shè)建筑幕墻、門窗或屋面 （圖1），或者建筑本身不需要圍護(hù)結(jié)構(gòu) （圖2）。

采用這種體系設(shè)計(jì)和施工都比較簡單方便，避免了幕墻和采光頂?shù)慕ㄖδ苁艿礁蓴_。設(shè)計(jì)光伏板系統(tǒng)時(shí)只需考慮光電系統(tǒng)本身的要求，不用兼顧作為建筑幕墻和采光頂所必須的光學(xué)、熱工、防水、密封等種種復(fù)雜的要求，可以合理朝向，最大限度地發(fā)揮其發(fā)電功能，達(dá)到最佳的光電轉(zhuǎn)換效果。光伏系統(tǒng)容易維護(hù)，修理更換不用擔(dān)心影響建筑幕墻和采光頂受到影響；而建筑幕墻和采光頂破損時(shí)只要更換普通板塊，與光伏系統(tǒng)無關(guān)，不會(huì)影響房屋的供電。加之光伏板與各個(gè)建筑本身關(guān)系不緊密，可以規(guī)格化，成批流水線生產(chǎn)，成本較低。其缺點(diǎn)是造價(jià)較高，分離的光伏陣列有時(shí)還要占用額外的建筑面積。

圖1 屋面上單獨(dú)設(shè)置的光伏板陣列

圖2 北京奧運(yùn)公園給巨型路燈供電的休息亭

江蘇皇明太陽能公司在其辦公樓的頂部和正面設(shè)置了獨(dú)立的弧形光伏板陣列 （圖3），盡顯“太陽”這一個(gè)主題。無錫尚德公司的光伏斜墻面積達(dá)7600平方米，發(fā)電功率為1MW，年發(fā)電量為76萬kWh。這是目前國內(nèi)已建的面積最大單個(gè)太陽能發(fā)電板陣列 （圖4）。光伏板斜墻安裝在辦公樓前面，由水平、豎向和斜向組合鋼管構(gòu)件支承。這些構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)相連結(jié)，水平荷載要傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，主體結(jié)構(gòu)外墻另做玻璃幕墻封閉。

圖3 皇明太陽能建筑

圖5是汕頭金剛公司的光伏遮陽板，獨(dú)立于封閉幕墻之外。

圖4 尚德公司辦公樓前巨大的光伏墻

圖5 幕墻外側(cè)的光伏遮陽板

北京凈雅大酒店的光伏——多媒體幕墻是產(chǎn)能——節(jié)能幕墻應(yīng)用的一個(gè)典型。酒店整個(gè)正面都由光伏板陣遮蓋，白天發(fā)出的電能儲(chǔ)存在電池內(nèi)，晚上對多媒體幕墻的LED光源供電。這一幅幕墻面積達(dá)2200平方米，由2300塊光伏板組成。豎向布置的鋼架單獨(dú)支承面板，離開主體建筑。面板無須密封，所以可以按照建筑設(shè)計(jì)要求成疊瓦狀布置，開放板縫 （圖6、圖7）。光伏板有9種類型，分別布置12~24塊光電池。

圖6 凈雅大酒店光伏——多媒體幕墻

圖7 光伏板疊瓦式開縫布置

除大陸外，我國臺(tái)灣省也建造了一些分離式光伏建筑，如臺(tái)灣電力公司的開敞式展覽館，四周無墻，屋面是獨(dú)立的發(fā)電采光頂 （圖8）。

最近舉行的高雄世界運(yùn)動(dòng)會(huì)會(huì)場采用了光伏屋頂 （圖9），共使用了8800塊光伏板，輸出功率1MW。

圖8 臺(tái)灣電力公司展棚

圖9 高雄世界運(yùn)動(dòng)會(huì)光伏屋頂

二、合一式光伏建筑

合一式光伏建筑與分離式設(shè)置不同，光伏板本身就兼作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面板。由于只有一層面板、一套支承結(jié)構(gòu)，施工簡化，材料節(jié)省，也提高了建筑面積的使用率。但這樣一來，玻璃夾層板就要具有兩重功能：一方面作為幕墻板和采光頂板件，要具有透光、遮陽、防水、密封、隔音和熱工性能；另一方面，作為光伏板，要滿足超白、小變形和電工方面的要求。有時(shí)候這兩方面的要求互相矛盾，就會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)或施工的困難。例如當(dāng)保溫要求采用中空玻璃采光頂時(shí)，從安全方面考慮，內(nèi)側(cè) （下側(cè)）玻璃應(yīng)為夾層玻璃，單片鋼化玻璃放在外側(cè) （上側(cè)）；而作為光伏板，夾有光電池的夾層玻璃應(yīng)放在外側(cè)、上方。這樣一來只得采用雙夾膠中空玻璃來同時(shí)滿足兩者的要求，幕墻本身的造價(jià)要增加。而且，如果要更換損壞的幕墻、采光頂板塊，就會(huì)牽涉到電路上的一些問題，比較麻煩。此外光電板的遮擋、美觀等問題要與建筑設(shè)計(jì)方面協(xié)調(diào)，光伏板的布置和朝向不能隨意選取，無法發(fā)揮最大的光電轉(zhuǎn)換效果。由于和具體的建筑外觀設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起，光伏板型號(hào)、規(guī)格很多，難以批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本高，周期長。

現(xiàn)在合一式光伏建筑在國內(nèi)應(yīng)用迅速增長，幕墻廠家也在大力推廣這種形式。最早的工程如深圳方大幕墻公司辦公樓 （圖10）。最近汕頭金剛光伏公司辦公樓也是這種形式 （圖11）。

圖10 光伏板同時(shí)是采光頂面板

圖11 汕頭金剛公司剛伏采光頂

北京南站屋面有3500平方米的光伏板，輸出功率300kW （圖12）。國家體育館屋面有2500平方米光伏板，輸出功率200kW （圖13）。2010年上海世界博覽會(huì)主題館的屋面使用了30000平方米的光伏面板，輸出功率達(dá)2.57MW，年發(fā)電量為250萬kWh（圖14、圖15），這是目前世界最大面積的光伏屋面單體建筑。

威海市民文化中心采用非晶硅薄膜光電池，面積6030m2，輸出功率275kW （圖16）。

圖12 北京南站光伏屋頂

圖13 奧運(yùn)會(huì)國家體育館

圖14 上海世博會(huì)主題館光伏屋頂

圖15 世博主題館合一式光伏屋面局部

圖16 威海市民文化中心光伏屋面

最近完工的火車站也廣泛采用合一式光伏采光頂，圖17為呼和浩特車站，光伏板1000m2，輸出為85kW。圖18為青島火車站光伏屋頂。

不僅大型公共建筑，光伏幕墻現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于許多辦公和旅館建筑。如保定硅谷錦江光伏工程，其光電池直接夾入窗玻璃板內(nèi) （圖19）。

圖17 呼和浩特火車站

圖18 青島火車站

圖19 窗玻璃中的光電池

在工程應(yīng)用過程中，我國的合一式光伏建筑又有了自己的創(chuàng)造，如長沙中建大廈（高度99.4米）的光電池是安裝在玻璃百頁上，把發(fā)電與遮陽功能有機(jī)地結(jié)合在一起，很有創(chuàng)意（圖20、圖21）。光伏玻璃總面積2000平方米，年發(fā)電量22萬kWh。玻璃百葉前玻6毫米超白，后玻6毫米鍍膜，總厚度36毫米。百葉45度斜放，間隔20毫米。

圖20 光電池就裝在玻璃百頁中

圖21 光伏玻璃百葉

廣州電視塔將光伏幕墻設(shè)置到了創(chuàng)世界記錄的460米高度。在最高的第五段幕墻頂部標(biāo)高為450米至460米的區(qū)段，布置了1078平方米的光伏板，共四組360塊，總功率為18KW。由于是環(huán)形布置，只有三分之一的光伏板受到陽光照射，加之外圍柱子遮擋，同一時(shí)刻直接受陽光照射的光伏板并不多。好在本工程采用非晶硅薄膜電池，弱光下也有一定的電力輸出。雖然總功率不算很大，但是這個(gè)工程的實(shí)踐，為特殊、超高、極端氣候條件下工作的光伏幕墻創(chuàng)造了新的經(jīng)驗(yàn) （圖22、 圖 23）。

雙層通風(fēng)幕墻也可以在外層布置光伏板件，形成雙層光伏幕墻 （圖24）。圖25為上海越洋大廈，雙層幕墻的外層采用了173m2的光伏板，輸出功率20kW。

圖22 廣州電視塔

圖23 電視塔頂部設(shè)置光伏幕墻

三、混合式

有些工程在一座建筑物中同時(shí)采用了上述兩種方式以滿足多種多樣的建筑功能要求，如最近開工的上海松江佳預(yù)科技大廈 （圖26），立面設(shè)置了分離的光伏遮陽板，而采光頂則同時(shí)分區(qū)采用斜放分離式光電板和水平設(shè)置的合一式光電板。

四、小 結(jié)

我國的光伏建筑剛剛起步，有著廣闊的發(fā)展前景。對于各種形式的光伏建筑系統(tǒng)，還有一個(gè)深化認(rèn)識(shí)、不斷探索的過程。我們將在工程實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造出符合我國國情的光伏建筑設(shè)計(jì)施工的成套技術(shù)，為綠色節(jié)能建筑作出貢獻(xiàn)。

圖24 雙層光伏幕墻

圖25 上海越洋大廈

圖26 松江佳預(yù)科技大廈