陳霖峰，董惠敏

佛山市順德建筑設(shè)計院股份有限公司，廣東 佛山 528300

0 引言

光伏一體化建筑也被稱為BIPV 建筑，是光伏發(fā)電技術(shù)與建筑集成化的重要成果。隨著BIPV 技術(shù)的深入發(fā)展及生態(tài)環(huán)保理念的深入人心，當(dāng)前有越來越多的公共建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計及立面設(shè)計的過程中，應(yīng)用到光伏系統(tǒng)。尤其是在建筑墻體、屋頂、天棚這些部位，通過設(shè)計光伏幕墻和光伏屋頂，實現(xiàn)建筑工程光學(xué)、力學(xué)、美學(xué)及生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的綜合運用，既滿足建筑自身的用電需求，又通過清潔能源開發(fā)減少建筑碳排放，真正達到經(jīng)濟效益與社會效益的統(tǒng)一[1]。

1 光伏一體化概述

1.1 光伏一體化的定義

光伏一體化（BIPV）是利用太陽能發(fā)電的一種新技術(shù)，簡單而言就是將太陽光伏發(fā)電方陣安裝在建筑維護結(jié)構(gòu)外表，主要目的是給建筑提供電力[2]。光伏一體化與以往的安裝型光伏建筑（BAPV）最大的不同在于一體化設(shè)計，光伏一體化不是簡單地將光伏系統(tǒng)附著在建筑上，而是真正地將光伏技術(shù)及光伏產(chǎn)品與建筑進行一體化設(shè)計。

1.2 光伏一體化的優(yōu)勢

1.2.1 滿足建筑美觀及采光要求

光伏一體化建筑大多采用向光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，通過調(diào)整電池片的朝向，使公共建筑內(nèi)的背光處也能夠滿足光線通透的要求[3]。除此之外，光伏一體化建筑能夠最大限度地滿足現(xiàn)代建筑物的外觀需求。普通的光伏組件接線盒都比較大，在安裝使用的過程中很容易破壞建筑物的美感和設(shè)計感；光伏一體化設(shè)計可以將接線盒省去或者隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中，這樣不僅可以避免線路侵蝕，還能夠達到最優(yōu)的外觀效果。目前已經(jīng)研制出大尺度的彩色光伏模塊，可以進一步豐富建筑外觀。

1.2.2 提高建筑安全性能

光伏組件在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，在一定程度上還能夠提高建筑物的安全性能。光伏一體化組件相比于普通的光伏組件，更具有力學(xué)性能上的優(yōu)勢。光伏一體化組件中的PVB 膠片有良好的黏結(jié)性、韌性和彈性，具有較強的緩沖作用，可以有效防止沖擊物穿透建筑。即使玻璃破損，碎片也會牢牢黏附在PVB 膠片上，不會因為大面積脫落導(dǎo)致傷亡事故的發(fā)生，從而最大限度地提升建筑物的安全性能[4]。

1.2.3 節(jié)約建筑能源

光伏一體化建筑能夠有效利用建筑外圍立面—墻面和屋頂進行一體化設(shè)計，省去了普通光伏的支撐結(jié)構(gòu)。光伏組件與玻璃幕墻的緊密結(jié)合，使幕墻施工方式更為靈活，結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力更強。一部分單元式幕墻還可在工廠內(nèi)加工制作，更容易實現(xiàn)批量化及工業(yè)化生產(chǎn)，最大限度地節(jié)約了建筑資源及人力資源。除此之外，光伏一體化建筑還能夠大大節(jié)約土地資源，通過原地發(fā)電和原地使用，減少電網(wǎng)投資和能源損耗。為了提高光伏一體化組件的散熱能力，降低電池溫度，研究人員還設(shè)計出雙層通風(fēng)幕墻系統(tǒng)，使建筑物更具通風(fēng)換氣、保溫隔熱及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

1.2.4 更具經(jīng)濟效益

相比于普通的光伏組件，光伏一體化建筑所使用的光伏組件及電池組件的壽命更長。普通的光伏組件封裝一般用EVA，EVA 的抗老化性能不強，最長使用壽命是50 年，并且EVA 很容易發(fā)黃，會影響建筑物的美觀；光伏一體化組件主要采用PVB 膜進行封裝，PVB 的透明性、耐熱性、抗寒性、防潮性及機械性能都比較強，并且已經(jīng)成熟地應(yīng)用于建筑夾層玻璃制作，因此BIPV 光伏組件具有更長的壽命，幾乎不需要更換，大大節(jié)省了維護和換新的費用，進一步提升了現(xiàn)代建筑的經(jīng)濟效益。

1.3 光伏一體化的常見應(yīng)用形式

1.3.1 光伏幕墻

光伏幕墻是將光伏組件與建筑幕墻結(jié)合的一種應(yīng)用形式。光伏幕墻的最大優(yōu)點在于安裝方便，光伏幕墻的施工手段比較靈活，主體結(jié)構(gòu)也具有較強的適應(yīng)性，是當(dāng)前我國公共建筑中采用最多的形式。光伏幕墻根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)不同有著不同的應(yīng)用形式。一是橫向和豎向框架不顯露式。這種形式下，在玻璃幕墻的外表面看不到框架，在玻璃分隔間看不到龍骨和窗框，僅可見安裝縫。全玻璃組件的安裝固定主要靠結(jié)構(gòu)膠的黏合，幕墻整體美觀，外觀統(tǒng)一，具有較強的通透感，適合建筑風(fēng)格樣式簡潔明快的公共建筑。二是橫向和豎向框架顯露式。在玻璃分隔間可以看到龍骨和窗框，幕墻平面表現(xiàn)為矩形風(fēng)格，全玻璃組件的安裝和固定主要靠結(jié)構(gòu)膠黏合及構(gòu)件壓接，幕墻整體表現(xiàn)出明顯的層次感，光伏電池組件與龍骨型材成為建筑裝飾，更具有美學(xué)價值。

1.3.2 光伏天棚

光伏天棚是將光伏組件與建筑物天棚結(jié)合的一種應(yīng)用形式。光伏天棚要求光伏組件更為透明。一般情況下，光伏組件透光率越大，電池片的排布越稀疏，其發(fā)電功率也越小。除了一些有種植需求的現(xiàn)代大棚，出于組件效率的考量，一般不會在城市的公共建筑中大面積使用光伏天棚，主要用于建筑連接部分。

1.3.3 光伏屋頂

光伏屋頂是將光伏組件與建筑屋頂結(jié)合的一種應(yīng)用形式。從發(fā)電的角度來看，光伏屋頂更多地適用于平頂結(jié)構(gòu)。主要原因如下：平頂結(jié)構(gòu)更好找到最佳的安裝角度，從而獲取最大發(fā)電量；平頂結(jié)構(gòu)的使用面積較大，可以采用標(biāo)準(zhǔn)化的光伏組件安裝，從而獲取最佳性能；與建筑物的功能不發(fā)生沖突，可以利用南向斜屋頂，更具有經(jīng)濟價值。

2 南方醫(yī)科大學(xué)順德醫(yī)院案例

2.1 案例概況

南方醫(yī)科大學(xué)順德醫(yī)院位于廣東佛山順德區(qū)（見圖1），規(guī)劃總用地面積為135 761.90 m2，計容總建筑面積為269 066.46 m2，容積率約為1.98。南方醫(yī)科大學(xué)順德醫(yī)院項目創(chuàng)造性地將光伏技術(shù)與產(chǎn)品集成到建筑上，可原地發(fā)電、原地使用。

圖1 南方醫(yī)科大學(xué)順德醫(yī)院外觀

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)組成：光伏骨架覆蓋面積約9 574 m2，光伏電池板面積約7 176m2，板件分別設(shè)置在建筑立面和屋頂造型架上。設(shè)計總安裝容量約為100.4×104Wp，其中建筑立面系統(tǒng)采用9 074 塊44 Wp、142 塊28 Wp、66 塊19 Wp 和157 塊14 Wp 的雙玻單晶硅光伏組件，總功率約為40.7×104Wp；屋頂光伏系統(tǒng)采用常規(guī)多晶硅光伏組件2 387 塊，每塊組件峰值功率為250 Wp，總功率約為59.7×104Wp。

（2）屋頂系統(tǒng)：采用多晶硅太陽電池組件，峰值功率為250 Wp，轉(zhuǎn)換效率為14.7%以上（含邊框）；立面系統(tǒng)采用單晶硅太陽能組件，采用雙面夾膠玻璃組件，組件功率為44 Wp。

（3）室外照明：光伏一體化的日均產(chǎn)電量約為1 800 kW，其產(chǎn)生的電力主要用于室外園區(qū)照明與標(biāo)識照明，可節(jié)約電站送電網(wǎng)的投資和減少輸電、分電損耗。對于醫(yī)院這種用電量大的大型公共建筑，自產(chǎn)自用的供電方式可緩解電力需求高峰時期的供需矛盾，具有極大的社會效益。

2.2 光伏一體化建筑設(shè)計

在本項目中，光伏與建筑的一體化主要有三種應(yīng)用形式：一是光伏板與墻體幕墻結(jié)合；二是光伏方陣與屋面的結(jié)合；三是光伏板與建筑中庭的結(jié)合。

2.2.1 光伏板與墻體幕墻結(jié)合

在光伏一體化建筑中，光伏幕墻使用的光伏組件屬于標(biāo)準(zhǔn)模塊，采用立面設(shè)計。在立面設(shè)計中可以采取多樣化的組合設(shè)計方式，常見的組合設(shè)計方式為水平式、垂直式及散點式[5]。該項目的立面光伏板的設(shè)計采用了水平式，使得建筑立面呈現(xiàn)出統(tǒng)一、協(xié)調(diào)及現(xiàn)代化的特點。同時，這種設(shè)計不僅滿足了光伏發(fā)電的要求，還具備一定的通風(fēng)遮陽功能。

立面設(shè)計模塊化的優(yōu)點還在于能夠加快施工進度，同時標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計還更加便于后期維護，在滿足技術(shù)性要求的同時，還符合功能性、文化性、整體性及協(xié)調(diào)性的原則。

2.2.2 光伏方陣與屋面的結(jié)合

本項目將光伏陣列設(shè)置于天面層上，巧妙地做成了雙層屋頂?shù)男问?。這種脫離建筑圍護結(jié)構(gòu)的做法有利于避免光伏組件影響建筑主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計和安裝簡單，具有發(fā)電效率高、安裝面積廣及遮擋少的特點。

光伏陣列與建筑天面之間有較大的空間，光伏板與建筑的天面之間的空間高度達到了4 m 以上，為建筑增加更多的使用可能性，有利于醫(yī)院功能的不斷優(yōu)化與拓展。

2.2.3 光伏板與建筑中庭的結(jié)合

醫(yī)院的建筑中庭屋頂設(shè)置光伏玻璃，最大限度地利用建筑頂面空間，增大發(fā)電的效能。光伏玻璃透光性好，具有一定的隔熱功能，對進入室內(nèi)的陽光輻射有一定的阻隔作用，在進行室內(nèi)裝修設(shè)計時，不需在中庭設(shè)置帆布或織物來反射陽光，有利于簡化室內(nèi)裝修的風(fēng)格、易于維護及降低裝修成本。把光伏玻璃運用到采光中庭中，是本項目具有創(chuàng)造性的重要實踐（見圖2）。

圖2 光伏玻璃與中庭的結(jié)合

3 光伏一體化建筑對相關(guān)組件的要求

在進行光伏一體化建筑設(shè)計的過程中，需要應(yīng)用相應(yīng)的光伏組件，主要包括電池組件和遮陽組件。了解這些組件的性能要求，更能夠提升光伏一體化建筑效果。

3.1 電池組件

在光伏一體化建筑中，建筑部位不同，所選擇的光伏電池組件不同。例如，建筑屋頂、墻面及玻璃幕墻的光伏一體化設(shè)計中，大多采用多晶硅薄膜及非晶硅薄膜電池組件。與晶硅電池相比，多晶硅薄膜電池及非晶硅薄膜電池對折射光、散射光及直射光等各種光源都有良好的吸收效應(yīng)，能夠更穩(wěn)定地輸出電流，適合長時間持續(xù)性的光電轉(zhuǎn)換。

3.2 遮陽組件

在光伏一體化建筑中，往往采用高性能透光玻璃進行幕墻和屋頂設(shè)計，在提升建筑透光效果的同時，在一定程度上會增加建筑耗能，使光伏一體化建筑面臨熱損失的問題。基于此，要利用遮陽組件來構(gòu)建完善的光伏遮陽系統(tǒng)，將遮陽板上的太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能。一般情況下，光伏遮陽組件主要是采用兩種形式進行組裝。一種是將光伏器件單面封裝后與鋁合金葉片組裝，這樣更能保持葉片的流暢外形，確保建筑外觀統(tǒng)一。鋁葉片的強度高，在進行大跨度設(shè)計時不需要額外設(shè)計支撐主軸。另一種是直接將光伏器件雙面玻璃封裝后作為葉片使用，但是這種形式并不適合大跨度的設(shè)計。在實際應(yīng)用的過程中，要根據(jù)建筑物的需求進行選擇。

4 結(jié)束語

綜上，光伏一體化增加了公共建筑的創(chuàng)作和設(shè)計的思路，無論是從建筑美觀的角度，還是從經(jīng)濟適用的角度來看，光伏一體化建筑都具有重要的應(yīng)用和推廣價值，對于未來建筑業(yè)的健康發(fā)展也具有一定的推動作用。