珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司 ■ 余國保 羅多 王曉丹 陳征 鄔超 姚莉

0 引言

1991年光伏建筑一體化(BIPV)的概念被正式提出，簡單地講，就是將光伏組件或材料作為建筑物的一部分，同時發(fā)揮其發(fā)電功能[1]。BIPV可廣泛適用于住宅、商業(yè)大樓、學(xué)校、醫(yī)院、機場、鐵路站臺頂棚、公交車站的頂棚，以及工廠車間的屋頂，同時作為建筑結(jié)構(gòu)的功能部分，取代部分傳統(tǒng)建筑構(gòu)件如屋頂板、瓦、窗戶、建筑立面、遮雨棚等[2]，也可制作成更多功能的光伏建筑組件，如與光熱系統(tǒng)結(jié)合給其控制部分供電等。BIPV的出現(xiàn)，實現(xiàn)了光伏發(fā)電由邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊應(yīng)用向城市過渡，由集中電站向分布式供電模式過渡，該技術(shù)可進(jìn)一步結(jié)合發(fā)電側(cè)運行優(yōu)化和用戶側(cè)需求預(yù)測管理技術(shù)，必將成為最具前景的建筑節(jié)能技術(shù)之一。國外對光伏建筑一體化的研究已有較長時間，特別是德國、美國、日本及歐洲等一些發(fā)達(dá)國家，已開始對BIPV實行政策引導(dǎo)和財政補貼制度[3]。

表1 部分國家BIPV發(fā)展計劃和政府資助情況[3]

我國在2006年6月實施的GB/T 50378-2006《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中也明確提出：將可再生能源發(fā)電作為綠色建筑評價的最優(yōu)選項；2009年7月21日，三部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動等方式，加快國內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展；2014年《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》發(fā)布后，各地區(qū)積極制定配套政策和實施方案，有力推動了分布式光伏發(fā)電的多種方式利用，截至2013年底，我國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量突破300萬kW[4]，目前世界上最大屋頂電站項目為位于湖南湘潭九華工業(yè)園的興業(yè)太陽能電站項目，裝機容量突破50 MW[5]。

BIPV的優(yōu)點相當(dāng)明顯：1)使用清潔能源，減少燃煤發(fā)電的使用量，減輕了環(huán)境污染；2)發(fā)電就地使用，減少發(fā)輸配電過程的損耗；3)具有保溫隔熱及采光通風(fēng)功能，可降低空調(diào)和采暖負(fù)荷；4)充當(dāng)建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了外裝材料，也節(jié)省了寶貴的城市用地資源[6,7]。

1 應(yīng)用形式

各種不同光伏系統(tǒng)對應(yīng)不同的應(yīng)用場所和用戶需求，例如，離主電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)山區(qū)一般優(yōu)先使用離網(wǎng)的獨立系統(tǒng)，而在離主電網(wǎng)較近的城市或郊區(qū)則一般選用并網(wǎng)系統(tǒng)(見圖1、2)，因此國內(nèi)外BIPV多為并網(wǎng)型。此外，隨著技術(shù)水平的不斷提高，近年來出現(xiàn)了有別于前兩種情況的建筑智能微電網(wǎng)，適用于對電網(wǎng)穩(wěn)定性有特殊要求的場合[1]。對于建筑光伏系統(tǒng)的設(shè)計而言，并非是各自孤立解決建筑設(shè)計和光伏電氣的技術(shù)問題即可，主要還包括結(jié)構(gòu)、電氣安全性和散熱性等技術(shù)方面，以及多項學(xué)科耦合的技術(shù)問題解決，比如散熱和電氣性能問題等。

圖1 帶儲蓄電的BIPV系統(tǒng)原理圖

圖2 并網(wǎng)發(fā)電的BIPV系統(tǒng)原理圖

國內(nèi)外建筑光伏工程與它初誕生時相比，技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度都有了較大發(fā)展，不僅體現(xiàn)在建造數(shù)量的增加，也表現(xiàn)在建造水平的不斷提高，主要應(yīng)用形式越來越豐富(見表2)[8]。圖3～10展示了興業(yè)太陽能近年來開發(fā)的各類BIPV工程。

2 BIPV的技術(shù)要點及現(xiàn)狀

BIPV的核心技術(shù)內(nèi)容包括：1)光伏陣列的安裝結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，包括各類預(yù)埋件、壓碼等的開發(fā)和防水、防潮、防雷、電氣安全及散熱通風(fēng)等方面的施工工藝研究；2)建筑一體化的光伏構(gòu)件設(shè)計與開發(fā)，包括FRP、中空、真空及PVT等新型光伏構(gòu)件的開發(fā)；3)結(jié)合建筑發(fā)、用電預(yù)測和儲能系統(tǒng)的BIPV建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)，以及硬件開發(fā)，如某些特殊的并網(wǎng)逆變器的開發(fā)[2]。

表2 光伏建筑一體化的表現(xiàn)形式及建筑要求[8]

圖3 青?？萍拣^光伏百葉工

圖4 興業(yè)園區(qū)光伏瓦屋面、光伏長廊及光伏雨棚

圖5 興業(yè)園區(qū)光伏欄桿

圖6 威海市民文化中心光伏采光頂

圖7 西安鳳城光伏廊橋工程

圖8 湘潭經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的50.8 MW屋頂電站工程

圖9 興業(yè)太陽能湖南產(chǎn)業(yè)園的光伏幕墻發(fā)電工程

圖10 興業(yè)太陽能珠海產(chǎn)業(yè)園的光伏幕墻發(fā)電工程

太陽能光伏建筑一體化不是光伏和建筑的簡單“相加”，而是根據(jù)節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀和經(jīng)濟實用的總體要求，將太陽能光伏發(fā)電作為建筑的一種體系進(jìn)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，同步后期管理。

BIPV的設(shè)計分為3個層次，其原則是：首先，應(yīng)考慮光電建筑的結(jié)構(gòu)和電氣上的安全性、光伏構(gòu)件的重要物理性能指標(biāo)等，包括電池及玻璃材料的選擇，荷載的計算，絕緣性能、溫度系數(shù)、熱斑耐久性、耐候性及濕熱交變下的性能研究；其次，考慮建筑材料的替代和建筑功能的實現(xiàn)，比如透光、通風(fēng)、防水防潮、抗?jié)B透、抗風(fēng)壓、隔熱、防雷及降噪等功能的實現(xiàn)；最后，考慮建筑一體化結(jié)合的美觀[9]。

BIPV設(shè)計之前必須綜合考慮的因素包括：1)光伏陣列的布置與建筑物外觀的協(xié)調(diào)一致；2)建筑物緯度、方位及環(huán)境干擾，包括日照分析；3)預(yù)埋及其他光伏建筑一體化的措施，通風(fēng)散熱措施；4)電氣設(shè)計(防雷、走線及逆變器選型)、電氣計量、配電系統(tǒng)設(shè)計及電氣安全；5)BIPV的使用降低了建筑總負(fù)荷和輻射熱比例，但可能增加了對流換熱，全年通風(fēng)策略需更加科學(xué)合理，中央空調(diào)總冷負(fù)荷的計算及機組選型需基于BIPV工程；6)維修通道的設(shè)置[2]。

光伏建筑一體化工程的設(shè)計施工需遵從相近的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但具體到BIPV的應(yīng)用，現(xiàn)有的參照標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中，某些條文已不足以充分指導(dǎo)BIPV的開發(fā)和應(yīng)用：

1) BIPV 光電屋頂?shù)奈菝嫫叫杏诘孛婊蚱露容^小時，風(fēng)荷載往往不是主要考慮的，需主要考慮承重荷載，而建筑玻璃幕墻的風(fēng)荷載是主要慮的。GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對于光伏屋頂風(fēng)揭系數(shù)的選取沒有明確的規(guī)定，因此亟需針對性地進(jìn)行風(fēng)洞試驗，歸納結(jié)果并指導(dǎo)形成新的條文[1,10]。

2)熱應(yīng)力的存在導(dǎo)致BIPV對玻璃的要求提高，目前還沒有關(guān)于用于建筑物的雙面太陽電池玻璃要求的國家標(biāo)準(zhǔn)。參考夾膠玻璃的相關(guān)技術(shù)規(guī)范及太陽電池組件國家規(guī)范，提出對光電玻璃的性能要求，橈度要求應(yīng)當(dāng)更高，具體取值目前還沒有數(shù)據(jù)支撐，因此亟需試驗證明[11,12]；同時也要確保組件在撓度變形值范圍內(nèi)，其物理性能及發(fā)電性能不會受到影響。

3)幕墻光伏玻璃組件的結(jié)構(gòu)性能和防火必須滿足JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的要求；使用的建筑玻璃BIPV 組件必須符合JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》對撓度變形值的要求[12,13]。

4) BIPV光伏玻璃組件耐撞擊性應(yīng)符合GB/T 21086-2007《建筑幕墻》耐撞擊性能分級標(biāo)準(zhǔn)(需注意PVB和EVA封裝組件的實驗結(jié)果不同)。

5)由于BIPV組件不但需滿足建筑組件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，還需滿足其作為光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)，國際上目前還沒有專門針對BIPV 組件的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在其應(yīng)用過程中基本采用地面用光伏組件的國際標(biāo)準(zhǔn)。在北美，BIPV組件除進(jìn)行常規(guī)光伏組件的測試外，還需進(jìn)行防火耐燃、耐沖擊及抗風(fēng)壓測試。雙玻璃光伏組件通過IEC 61215及IEC 61730等規(guī)范，經(jīng)過濕熱、濕冷、熱循環(huán)、戶外暴曬等測試，產(chǎn)品須保持正常穩(wěn)定的發(fā)電性能。IEC光伏組件的測試標(biāo)準(zhǔn)局限性是其僅考慮到光伏組件的可靠性，卻未全面地考察光伏組件在長期使用過程中的安全性，且對于現(xiàn)在新型的BIPV 組件，IEC 缺乏相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)。雖然全球著名研究機構(gòu)已開展 BIPV 的戶外測試試驗與安全可靠性相關(guān)研究，但是諸如組件安全可靠性、組件用高分子材料等保證產(chǎn)品長期耐久性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)依舊處于空白[14,15]。

6) BIPV建筑的設(shè)計須滿足GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對于遮陽、節(jié)能和傳熱系數(shù)的規(guī)定[16]，仍需滿足GB/T 50033-2013《建筑物采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對于采光的規(guī)定。

7)光伏組件的防雷接地要求應(yīng)滿足GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求。應(yīng)盡量避免將光伏電站建在易遭雷擊部位，避免避雷針的投影落于光伏組件上。太陽能的接地與建筑共用接地體，接地電阻值應(yīng)滿足其中最小值要求[17]。

8)光伏組件需通過GB 15763.3-2009《建筑安全玻璃第三部分：夾層玻璃》的霰彈袋沖擊測試，也是BIPV組件需達(dá)到的等級。要將光伏組件大規(guī)模應(yīng)用在建筑外圍、門窗等部位，還需進(jìn)一步提高光伏建筑一體化應(yīng)用技術(shù)，完善維護(hù)的及時性，完善應(yīng)急處理、表面破裂、漏電保護(hù)等不確定因素的解決方法，目前尚無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[18]。

BIPV工程質(zhì)量首先依賴于產(chǎn)品質(zhì)量，以及與建筑同步設(shè)計、同步施工、同步驗收、后期運行維護(hù)。BIPV工程涉及面廣、實踐性強、專業(yè)分工多及系統(tǒng)形式多樣化，部分光伏制造廠缺乏BIPV設(shè)計和施工技術(shù)，對幕墻和屋頂?shù)冉ㄖR更是知之甚少，工程倉促上馬后經(jīng)過短期使用很快出現(xiàn)故障，不但造成國家資金的大量浪費，也打擊了投資方對BIPV 的信心，影響整個行業(yè)的健康發(fā)展。比如，國內(nèi)某火車站主站房光電屋頂采光帶采用了銅銦鎵硒太陽能中空玻璃光伏組件，竣工后不久，產(chǎn)生了鋼化玻璃自爆，光電板發(fā)花、脫落等問題(見圖11)，暴露出光伏構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計不成熟、工程施工經(jīng)驗不足等現(xiàn)狀，因此亟待加強這些方面的科研[19]。此前，國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，對于分布式發(fā)電采取0.42元/kWh的補貼，因此為確保發(fā)電收益和后期的良好運行，BIPV的合理設(shè)計、施工質(zhì)量變得更加重要。由珠海興業(yè)承擔(dān)的863子課題“建材型光伏構(gòu)件制造與測試關(guān)鍵技術(shù)及裝備”，正是為克服建材型光伏構(gòu)件設(shè)計和施工知識的不足，研發(fā)高性能的真空玻璃和FRP板的光伏構(gòu)件，建設(shè)相應(yīng)的屋頂示范電站，并在此基礎(chǔ)上著手制訂構(gòu)件開發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以期為BIPV工程探索出一條從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、性能檢測到施工的可靠技術(shù)路線，該項目目前正在有條不紊地進(jìn)行。

圖11 某火車站光伏采光頂工程

3 結(jié)語

我國BIPV的進(jìn)一步的深度發(fā)展與應(yīng)用完全依賴于現(xiàn)有建筑電氣、幕墻玻璃及光伏組件等標(biāo)準(zhǔn)，而受制于自身發(fā)展所需的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范欠缺、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)條文不全、內(nèi)容不具體等客觀因素，建材型光伏構(gòu)件尤其如此。今后光伏建筑一體化發(fā)展的研究熱點將聚焦于建材型光伏構(gòu)件的綜合性能、耐候性、安全性和可靠性研究等。

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