劉 瓊,李世民

（甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730000）

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新能源技術(shù)。目前光伏市場(chǎng)發(fā)展重點(diǎn)逐漸從沙漠等人煙稀少的地區(qū)轉(zhuǎn)向城市人口密集地區(qū)。因?yàn)槌鞘薪?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力需求量大，發(fā)展光伏發(fā)電有著非常有利的市場(chǎng)空間。在城市中光伏系統(tǒng)的最佳安裝方式是安裝在建筑上，既不用占用額外的地面空間，另一方面可以彌補(bǔ)城市用電的缺口，并且建筑安裝了光伏系統(tǒng)后還可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的[1，2]。

1 光伏系統(tǒng)應(yīng)用于建筑兩種形式

光伏系統(tǒng)應(yīng)用于建筑可以分為兩種形式：第一種是充分利用建筑屋頂或外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，將光伏發(fā)電陣列安裝在建筑屋頂或外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，也就是將光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合。這種方式更適用于既有建筑，并且建筑物可以起到支承系統(tǒng)的作用。第二類是光伏系統(tǒng)與建筑的集成。光伏系統(tǒng)成為建筑材料或構(gòu)件，光伏系統(tǒng)本身就是建筑的一部分，被稱為光伏建筑一體化（BIPV）。本文主要討論的是第一種應(yīng)用形式，在既有建筑上安裝光伏系統(tǒng)，這種方案不僅可以充分利用現(xiàn)有建筑的屋頂或南墻等表面建設(shè)更多光伏發(fā)電系統(tǒng)，而且對(duì)于提升現(xiàn)有建筑的整體節(jié)能性能有積極的意義[3，5]。

2 屋頂光伏系統(tǒng)

將光伏發(fā)電陣列安裝在陽(yáng)光充沛的建筑屋頂是目前最常見(jiàn)的方案之一，通常，我國(guó)的建筑屋頂主要有坡屋面，平屋面以及彩鋼等輕質(zhì)屋頂形式，在安裝光伏發(fā)電陣列時(shí)都具有各自的特點(diǎn)。

2.1 坡屋頂光伏陣列

我國(guó)采用坡屋頂?shù)慕ㄖ芏?，大部分坡屋頂上采用機(jī)瓦或琉璃瓦做防雨覆蓋，由于原建筑朝向和遮擋等原因，在光伏發(fā)電站選址時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇朝向正南且無(wú)陽(yáng)光遮擋的屋面，坡屋面的坡度也應(yīng)盡量接近當(dāng)?shù)氐乩砭暥然蚬夥罴褍A角。通常在建筑坡屋頂上安裝光伏陣列均采用在屋頂瓦面下安裝金屬支腳，然后在支腳上安裝支架并將光伏組件平鋪在支架上的方式。坡屋頂上安裝光伏發(fā)電站是一個(gè)很好的方案，建筑一體化效果明顯，對(duì)原建筑的影響非常小。

需要說(shuō)明的是：坡屋面上安裝光伏發(fā)電，往往受到原建筑的朝向，坡屋面的坡度等因素制約，很難完全滿足光伏發(fā)電設(shè)計(jì)中的最佳傾角和朝向的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，也應(yīng)適當(dāng)放寬要求，不能求全或過(guò)于死搬硬套。

不僅大部分坡屋頂、平屋頂民用建筑可以用以建造光伏發(fā)電站，實(shí)際上我國(guó)大部分工廠企業(yè)和商場(chǎng)都廣泛采用彩鋼瓦、玻璃鋼瓦等輕質(zhì)屋頂，充分利用這些屋頂安裝光伏發(fā)電站，其市場(chǎng)空間更是不言而喻的。

2.2 平屋頂光伏陣列

平屋頂上安裝光伏和地面上安裝光伏基本相似，通常是采用混凝土基礎(chǔ)和鋼支架的方案。不同于地面安裝光伏的是：平屋頂安裝光伏系統(tǒng)應(yīng)采用混凝土樁，與地面光伏不同的是屋頂光伏如果無(wú)法與原建筑屋頂混凝土鋼筋直接連接的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力情況采用混凝土重樁放置在屋頂上，通常每個(gè)獨(dú)立裝的重量不宜超過(guò)100kg。對(duì)于經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)襲擾的沿海地區(qū)，建議采用條形混凝土樁，不僅能確保光伏陣列系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，而且可以減少對(duì)建筑屋頂?shù)膲毫?。連接支架的鋼螺栓必須與混凝土澆筑一體，不能用膨脹螺栓代替混凝土基礎(chǔ)與支架間的連接。特別要說(shuō)明的是：絕對(duì)不能在平屋頂屋面上直接打孔或安裝膨脹螺栓，以免破壞原建筑屋頂?shù)姆浪Y(jié)構(gòu)[6]。

對(duì)于建筑屋頂承重能力差、不能直接采用混凝土重樁的情況，可采用不銹鋼繩牽拉固定。需要說(shuō)明的是牽拉支架的不銹鋼繩不能直接打膨脹螺絲固定在屋頂上，通常是固定在建筑外墻或其他相對(duì)穩(wěn)定堅(jiān)固的地方。

3 屋頂光伏系統(tǒng)的降溫作用

在屋頂上安裝光伏發(fā)電不僅可以利用屋頂來(lái)發(fā)電，而且還能有效遮擋陽(yáng)光直接暴曬屋頂，為建筑屋頂降溫，起到建筑空調(diào)降溫的作用[7，8]。

一般來(lái)說(shuō)，普通建筑或高層建筑頂樓的由于屋頂受到陽(yáng)光直射，表面溫度往往很高，導(dǎo)致居住舒適度大大下降，大大增大了室內(nèi)降溫的能耗。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常的辦法是在新建建筑時(shí)增加屋頂?shù)谋匦阅?，降低建筑屋頂傳熱，采用增加空氣隔層或采用鋁膜復(fù)合油氈鋪設(shè)屋面，形成屋面反射能力等方法。但如果屋頂安裝了光伏系統(tǒng)后，光伏組件可以部分覆蓋或者完全覆蓋屋面，起到遮擋的作用。下面是兩個(gè)示意圖，分別展示了斜坡屋頂和平屋頂安裝了光伏組件的降溫作用如圖1、2 所示。

圖1 斜坡屋頂光伏陣列的降溫作用示意圖

圖1 展示的是一個(gè)斜坡屋頂安裝光伏電站組件后的情況，光伏組件可以完全覆蓋原屋面，不僅對(duì)原瓦屋面起到了保護(hù)作用，而且由于有了光伏組件的覆蓋，陽(yáng)光被光伏組件遮擋并轉(zhuǎn)換成電和熱，盡管組件溫度比較高，但是光伏組件和原屋面有10～15cm 的通風(fēng)空間，大量的熱空氣都可以散發(fā)到大氣環(huán)境中，使得安裝光伏組件后的屋面溫度比直接暴曬在陽(yáng)光下的屋面大大降低。同時(shí)也降低了室內(nèi)的溫度。

圖2 是安裝在平屋頂建筑上的光伏陣列示意圖。由于光伏陣列的安裝，遮擋了大部分陽(yáng)光直接暴曬，不僅大大降低了屋頂溫度和室內(nèi)溫度，還可以延長(zhǎng)屋頂覆蓋防雨材料使用壽命。實(shí)踐證明，在屋頂上安裝太陽(yáng)能光伏陣列，除了能充分利用屋頂陽(yáng)光發(fā)電外，還可以有效降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)負(fù)荷10%～20%。

圖2 平屋頂建筑上的光伏陣列降溫作用示意圖

4 建筑屋頂安裝光伏的施工中其他應(yīng)注意事項(xiàng)

在屋頂上安裝光伏發(fā)電的過(guò)程中要注意既有建筑的特點(diǎn)，也要注意施工安全，在具體施工過(guò)程中可能要注意以下幾個(gè)方面：

（1）斜坡屋頂或彩鋼屋頂上安裝光伏，要注意將支架與建筑屋頂梁架或構(gòu)建與屋面的可靠、牢固連接，要注意支架連接件的防銹問(wèn)題。

（2）在斜坡屋頂或彩鋼屋頂上施工時(shí)若遇到必須要打孔固定的情況，打孔后必須要做好防水密封措施。

（3）光伏組件搬運(yùn)到屋頂時(shí)，不要在屋頂堆放，應(yīng)均勻平鋪在屋頂施工現(xiàn)場(chǎng)，以免屋頂局部重量過(guò)載，壓垮建筑屋頂。

（4）屋頂光伏電站的陣列支架要做好防雷接地，如果原建筑已有屋頂防雷接地系統(tǒng)，要將光伏支架接地端與原建筑屋頂防雷接地引出線可靠并接。

（5）屋頂施工要注意高空施工安全，特別要注意不要在雷雨天進(jìn)行屋頂施工。

5 建筑南墻光伏系統(tǒng)

除了在建筑屋頂上安裝光伏系統(tǒng)，還可以在建筑南墻外安裝光伏系統(tǒng)，選擇南墻的原因主要是城市中更多的都是高層建筑，屋頂面積相對(duì)小，充分利用建筑南墻安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電有著廣泛的市場(chǎng)潛力。

5.1 建筑南墻直接安裝光伏

把光伏組件直接安裝到建筑外墻面上，既能起到建筑裝飾作用也可以起到發(fā)電的作用。從追求發(fā)電的角度講，這種設(shè)計(jì)適合于應(yīng)用在高緯度地區(qū)，表1 展示了用PVSYST 軟件分析我國(guó)不同緯度地區(qū)的太陽(yáng)能輻射資源的數(shù)據(jù)，特別要注意的是對(duì)于垂直的南墻面，緯度越高的地區(qū)南墻面與最佳傾角輻射的比值越大，也就是緯度高的地區(qū)比較適合在垂直面安裝光伏。譬如：如果在廣州地區(qū)的建筑南墻面上安裝光伏的話，其發(fā)電量只有最佳傾角面上發(fā)電量的55%左右，而如果在沈陽(yáng)、長(zhǎng)春等高緯度地區(qū)的建筑南墻面上安裝光伏的話，其發(fā)電量可達(dá)最佳傾角面上發(fā)電量的70%以上。

表1 我國(guó)不同緯度地區(qū)的最佳傾角和垂直面太陽(yáng)能輻射

5.2 建筑南墻做斜撐支架安裝光伏

在建筑南墻面的窗戶上沿做斜撐支架安裝光伏是另外一種設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到各種建筑上而不受地理緯度的限制。由于光伏組件相對(duì)比較輕（連支架和組件，每平方米不到20kg），安全性好，外掛在外墻面上還可以起到遮陽(yáng)，遮雨的作用，不僅可以安裝在普通建筑上，在高層建筑上也是有用武之地的。它的傾角完全可以按照最佳傾角或者按照用戶的要求設(shè)計(jì)，其發(fā)電效果甚至高于屋頂安裝的光伏系統(tǒng)（因?yàn)橛薪ㄖw的反射陽(yáng)光）如圖3 所示。

圖3 在建筑外墻上直接安裝光伏組件和在建筑南墻做斜撐支架安裝光伏

6 結(jié)語(yǔ)與展望

光伏和建筑結(jié)合因?yàn)楣夥袌?chǎng)的繁榮和龐大的建筑市場(chǎng)，必將存在著無(wú)限廣闊的發(fā)展前景。在具體的設(shè)計(jì)和施工要充分考慮建筑特點(diǎn)、當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源情況、安全因素。隨著新能源的蓬勃發(fā)展，設(shè)計(jì)和建設(shè)綠色、節(jié)能環(huán)保的建筑將逐漸成為建筑市場(chǎng)的主流。