高樹鵬（汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，廣東 汕頭 515031）

發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)節(jié)約型社會，建筑節(jié)能被社會持續(xù)地關(guān)注。尋求新能源、利用可再生能源、提高能源的利用效率和尋求節(jié)能減排技術(shù)是解決能源危機的主要途徑。太陽能是取之不盡，最直接、最普遍、最清潔的可再生能源，有巨大的開發(fā)利用價值。開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。

太陽能光伏發(fā)電直接將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，是一種不需燃料、沒有污染獲取電能的技術(shù)。太陽能電池發(fā)電不會排放二氧化碳或產(chǎn)生對溫室效應(yīng)有害的氣體，無噪音，是一種凈能源，與環(huán)境有很好的相容性。光伏建筑一體化技術(shù)是將光伏發(fā)電與建筑完美結(jié)合，兼顧節(jié)能降耗和立面美觀的要求。光伏組件既具有發(fā)電功能，又是建筑物的構(gòu)件。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概況

1.1 光伏組件

太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射為通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件。光電轉(zhuǎn)換過程通常稱“光生伏特效應(yīng)”，因而太陽能電池又稱為“光伏電池”。一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約0.5V的電壓，遠低于實際使用所需電壓。作電源必須將若干單體太陽能電池串、并聯(lián)連接和嚴密封裝成光伏組件（圖1）。為滿足負載所要求的輸出功率，將光伏組件再經(jīng)過串并聯(lián)就形成了具有一定輸出功率的光伏方陣。

圖1 光伏組件

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏組件在太陽光照射下，吸收光能，將光能轉(zhuǎn)換成電能。光伏組件產(chǎn)生的電壓為直流電壓，為得到穩(wěn)定的可供常規(guī)交流負載使用的交流電，需要采用控制器、逆變器、蓄電池等形成穩(wěn)定的光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩種形式，一種是由光伏方陣、控制器、蓄電池、逆變器、交流負載組成的獨立光伏供電系統(tǒng)；另一種是由光伏方陣、控制器、并網(wǎng)逆變器組成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將電能直接輸入電網(wǎng)（圖2）。將太陽能所發(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負載供電是太陽能光伏應(yīng)用的主要形式[1]。

圖2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.3 影響光伏發(fā)電量的因素

光伏方陣所獲得的太陽光輻射量決定其發(fā)電量，其布置應(yīng)盡可能地朝太陽光入射的方向。光伏方陣安裝的傾角，光伏組件的表面清潔度，光伏電池的轉(zhuǎn)換率、工作環(huán)境狀態(tài)都影響所能獲得的輻射量。

2 光伏建筑一體化的概念及特點

2.1 光伏建筑一體化的概念

光伏建筑一體化通常的意義為集成到建筑物上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，代表了科技建筑的發(fā)展方向。按國家可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會建議將建筑光伏（BMPV）分為BAPV和BIPV兩 種 形 式。BAPV（Building Attached Photovoltaic）是指附著在建筑物上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，也稱為“安裝型”太陽能光伏建筑（圖3）。它的主要功能是發(fā)電，與建筑物功能不發(fā)生沖突，不破壞或削弱原有建筑物的功能。

圖3 “安裝型”太陽能光伏屋面

BIPV（Building Integrated Photovoltaic）是指與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝并與建筑物形成完美結(jié)合的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，稱為“構(gòu)件型”和“建材型”太陽能光伏建筑。它作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，具有發(fā)電功能，提升建筑物的美感，與建筑物形成完美的統(tǒng)一體，是完整意義上的光伏建筑一體化。

2.2 光伏建筑一體化的特點

光伏建筑一體化是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念，將光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護結(jié)構(gòu)外表面，使建筑具有發(fā)電功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的接線盒、旁路二極管、連接線等可隱藏在建筑結(jié)構(gòu)中，不額外占用空間，又可防止陽光直射和雨水侵蝕。光伏組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建筑材料作為建筑物構(gòu)件，滿足建筑美學(xué)的要求，不影響建筑物的外觀。光伏組件沒有機械運動部件，不會對建筑結(jié)構(gòu)造成問題，維護成本低。將光伏組件放在建筑的背景下，不僅從能量的角度考慮，同時作為多功能的建筑因素，提供電能和控制采光，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式。

3 光伏建筑一體化的設(shè)計要點

3.1 雙玻光伏組件

光伏建筑一體化通常采用雙玻璃光伏組件（圖4），由兩片玻璃，中間用PVB膠片復(fù)合太陽能電池片組成復(fù)合層，將太陽能轉(zhuǎn)換模板密封在雙層鋼化玻璃中。PVB膠片對玻璃具有良好的粘結(jié)性、韌性和彈性，具有透明、耐熱、耐寒、耐濕、抗紫外線、機械強度高等特性，滿足建筑用安全玻璃的要求，延長太陽能電池片的使用壽命。雙玻組件向光一面采用超白鋼化玻璃制作，通過調(diào)整電池片的排布或采用穿孔硅電池片來達到特定的透光率，滿足采光要求[2]。

圖4 雙玻光伏組件構(gòu)成

光伏建筑一體化將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物結(jié)合為一體，省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，可就地發(fā)電；電可自發(fā)自用，還可向電網(wǎng)供電，舒緩了高峰電力需求，具有極大的社會效益；玻璃中間采用各種光伏組件，色彩多樣，使建筑具有豐富的藝術(shù)表現(xiàn)力。

3.2 光伏建筑一體化的設(shè)計要點

光伏建筑一體化的設(shè)計應(yīng)將光伏發(fā)電作為建筑的一種體系進入建筑領(lǐng)域，納入建設(shè)工程基本建設(shè)程序，同步設(shè)計、同步施工、同步驗收，與建設(shè)工程同時投入使用，使其成為建筑有機組成部分。光伏建筑應(yīng)該從設(shè)計一開始，就要將太陽能系統(tǒng)包含的所有內(nèi)容作為建筑不可或缺的設(shè)計元素加以設(shè)計，巧妙地將太陽能系統(tǒng)的各個部件融入建筑之中一體設(shè)計，使太陽能系統(tǒng)成為建筑組成不可分割的一部分，達到與建筑物的完美結(jié)合[3]。

光伏建筑一體化的設(shè)計從光伏技術(shù)上，必須將建筑物所在當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蠊记闆r，尋找日照發(fā)電最佳角度和方向，以及方陣和逆變器的配合，防雷、絕緣等的安全措施；從建筑設(shè)計上必須按照JGJ102-2003玻璃工程技術(shù)規(guī)范、JGJ113-2009建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行，考慮風(fēng)壓、抗震、風(fēng)荷載所處的標(biāo)高以及密封性能的問題，也應(yīng)考慮陰雨天對室內(nèi)側(cè)光線的影響，通過組件中晶體硅電池片的排列間隔，達到合適的透光率。

4 光伏建筑一體化的應(yīng)用

光伏組件與建筑的集成主要有光電幕墻、光電采光頂、光電遮陽等形式。

4.1 光電幕墻

圖5 光電幕墻節(jié)點

光電幕墻（圖5節(jié)點）是最能體現(xiàn)光伏建筑一體化的一種形式，將雙玻璃光伏組件融合到玻璃幕墻中，替代傳統(tǒng)的玻璃面板材料，使幕墻成為集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一體的新型建筑幕墻，為建筑帶來額外的“綠色概念”，充分體現(xiàn)了建筑的智能化與人性化特點，代表建筑光伏一體化技術(shù)的最新發(fā)展方向。

光電幕墻在滿足外觀和功能的前提下滿足發(fā)電功能要求，克服了傳統(tǒng)幕墻耗能大、光污染嚴重的缺點。光電幕墻作為建筑外圍護體系，直接吸收太陽能，避免了墻面溫度過高，能有效降低墻面溫升，減輕空調(diào)負荷，降低空調(diào)能耗。目前，建筑物上的玻璃墻鏡面反射系數(shù)為82%-92%，而光電幕墻充分吸收光源，能有效減少光對人體的危害。但它存在光伏陣列安裝在垂直幕墻面上，偏離了最佳安裝角度，太陽能電池板的輸出功率偏低。

4.2 光電采光頂

在現(xiàn)代的大型的公共活動場所，都需要布置大面積的采光頂。光電采光頂（圖6節(jié)點）是光伏建筑一體化最佳的安裝結(jié)構(gòu)形式。光電采光頂是將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑屋頂結(jié)構(gòu)的一部分，安裝地點要選擇光照好，周圍無高大的建筑物遮擋的地方，可以有效的收集利用太陽能，發(fā)電效率較高。為了更好利用太陽能，光電采光頂一般需傾斜設(shè)置，在選擇陣列傾角，應(yīng)綜合考慮太陽輻射的連續(xù)性、均勻性和冬季極大性等因素。大體來說，在我國南方地區(qū)，陣列傾角可比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?0°～15°；在北方地區(qū)，陣列傾角可比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?°～10°。

光電采光頂具有發(fā)電、采光功能，又是建筑屋頂外圍護結(jié)構(gòu)，既保持了屋頂結(jié)構(gòu)的建筑風(fēng)格，又增強了建筑的觀賞性。光電采光頂考慮排水通常需采用橫隱豎明或全隱結(jié)構(gòu)形式。光電采光頂吸收太陽能，同樣避免了屋頂溫度過高，有效降低太陽光輻射，減輕空調(diào)負荷，降低空調(diào)能耗。

4.3 光電遮陽

隨著建筑節(jié)能觀念深入人心，建筑遮陽越來越受到建筑師的關(guān)注。光電遮陽由鋁合金遮陽板（戶外百葉）與太陽能電池片組合而成，是光伏建筑一體化應(yīng)用的更高級形式[4]。光電遮陽不但肩負遮陽的功能，還巧妙地利用遮陽板最大限度的遮擋陽光這一特點，在上面集成高轉(zhuǎn)換率的太陽能面板，達到建筑遮陽和發(fā)電功能最完美的統(tǒng)一結(jié)合。

圖6 光電采光頂節(jié)點

光電遮陽有自動跟蹤和固定兩種類型，自動跟蹤光電遮陽（圖7）可以根據(jù)太陽高度角、方位角的變化自動跟蹤，隨太陽角度不同調(diào)準(zhǔn)方向，起到最大限度的遮陽與光電效率；固定光電遮陽是根據(jù)建筑地理位置設(shè)計好它的最佳朝陽角度，以達到最大的平均發(fā)電功率，從而獲得更加高的性價比。

光電遮陽不但提升了遮陽效果，同時進行光電轉(zhuǎn)化，并且自動跟蹤智能角度調(diào)節(jié)，改變了以往太陽能固定角度的不足，使太陽能片可以根據(jù)季節(jié)與時間的不同調(diào)整朝向，大大提高光伏率。

圖7 自動跟蹤光電遮陽應(yīng)用實例

5 結(jié) 語

太陽能是地球上的主要能量來源，也是潔凈、安全、可持續(xù)供給、應(yīng)用最廣、最具開發(fā)前景的可再生能源。光伏建筑一體化將外裝飾與光伏組件協(xié)調(diào)結(jié)合，使建筑更富有生機，利用屋頂和墻面資源，有效地增加能源供應(yīng)，更能體現(xiàn)現(xiàn)代建筑的環(huán)保綠色設(shè)計理念。光伏建筑一體化雖增加了投入，但可使投資者在以后的使用過程中得到回報。

［1］謝士濤. 光伏建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用［J］.門窗，2007，（9）.42-45

［2］莊大建，鄭鴻生.雙玻璃光伏組件建筑一體化應(yīng)用［J］.建設(shè)科技，2009（20）.72-73

［3］龍文志. 太陽能光伏建筑一體化［J］.建筑技術(shù)，2009（9）.36-44

［4］黃慶文. BIPV革命一智能光伏外遮陽系統(tǒng)［C/OL］. 2010-3-26