張飛 宋輝輝

光伏發(fā)電對(duì)于落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略決策具有重要現(xiàn)實(shí)意義，是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源革命的重要舉措。光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的推廣應(yīng)用不僅是建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新，而且能夠有效降低建筑全壽命周期的能源消耗，具有明顯的節(jié)能減排效果。本文首先從原理、類(lèi)型、特征等方面對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了說(shuō)明，而后以某學(xué)校建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，進(jìn)一步對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、優(yōu)越性進(jìn)行了探析，通過(guò)分析光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用技術(shù)、發(fā)展方向等，闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用前景。

伴隨著“雙碳”戰(zhàn)略決策和戰(zhàn)略部署的大力推進(jìn)，我國(guó)能源領(lǐng)域中能源轉(zhuǎn)型與結(jié)構(gòu)調(diào)整成為亟待解決的問(wèn)題，而在眾多的轉(zhuǎn)型調(diào)整方向中，可再生清潔能源的應(yīng)用顯現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭和廣闊的應(yīng)用前景。太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，取之不盡、用之不竭，有著石化礦物能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，利用太陽(yáng)能就成為了解決能源危機(jī)，平衡氣候變化，減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。

近年來(lái)，光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)步較快，應(yīng)用領(lǐng)域也更加多元化，市場(chǎng)活躍空前，其中光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic）作為建筑市場(chǎng)和光伏發(fā)電領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，成為近年來(lái)熱門(mén)的研究課題。隨著能源危機(jī)的日漸加重和城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，通過(guò)將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)表面提供能源供給來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的光伏與建筑一體化將成為城市發(fā)展、能源利用的重要趨勢(shì)。光伏建筑一體化產(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅能夠促進(jìn)建筑節(jié)能和綠色能源協(xié)調(diào)發(fā)展，而且對(duì)促進(jìn)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)化為直流電能的發(fā)電系統(tǒng)，其中，“光伏”是光生伏特效應(yīng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在光照的情況下不均勻的半導(dǎo)體之間、半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分包括光伏電池組件、充放電控制器、逆電器、測(cè)試和監(jiān)控設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備及其它輔助設(shè)備。光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要能量來(lái)源是太陽(yáng)光，故影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要因素包括光伏組件可能接受的太陽(yáng)能以及光伏組件本身的性能。

光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用較廣，目前主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、水文氣象領(lǐng)域、農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)、照明領(lǐng)域以及建筑領(lǐng)域等，隨著光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步成熟，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更加廣泛。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用類(lèi)型及特點(diǎn)

1. 光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用類(lèi)型

光伏發(fā)電與學(xué)校建筑相結(jié)合的應(yīng)用主要包括建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合（BAPV）和建筑與光伏發(fā)電組件相結(jié)合（BIPV）兩種類(lèi)型。BAPV即安裝型或組裝型太陽(yáng)能光伏建筑，其中的光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑本身沒(méi)有沖突，可以后期安裝，也不會(huì)影響建筑的原有功能和外觀。BIPV即光伏建筑一體化則是構(gòu)建型或建材型太陽(yáng)能光伏建筑，光伏發(fā)電組件與建筑本身同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工，使其成為建筑的組成部分。BAPV與BIPV相比，前者是傳統(tǒng)的通過(guò)建筑屋面、建筑墻面安裝太陽(yáng)能光伏板材，而后者在于光伏發(fā)電系統(tǒng)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身而非附屬設(shè)施。

光伏建筑一體化根據(jù)其光伏發(fā)電組件類(lèi)型來(lái)劃分，可以進(jìn)一步分為光伏屋面系統(tǒng)即屋瓦式組件（PVROOF）、光伏墻面系統(tǒng)即墻體式組件（PV-WALL）和光伏構(gòu)件系統(tǒng)等，通常來(lái)說(shuō)，建筑墻面比屋面的光伏發(fā)電使用面積更大，但屋面比墻面的光伏發(fā)電效率更高。當(dāng)前，北京南站為最大的應(yīng)用太陽(yáng)能屋面采光系統(tǒng)的單體光伏發(fā)電建筑，而深圳方大大廈是國(guó)內(nèi)首個(gè)墻面采用光伏幕墻的光伏發(fā)電建筑。

BIPV根據(jù)其是否與交流電網(wǎng)連接來(lái)劃分，可以分為并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)即連接電網(wǎng)式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立BIPV系統(tǒng)即離網(wǎng)式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立BIPV系統(tǒng)一般用于遠(yuǎn)離外電網(wǎng)，引接電源困難，負(fù)荷容量較小的情況；并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)根據(jù)具體需求考慮是否儲(chǔ)能，是否允許光伏發(fā)電系統(tǒng)向公用電網(wǎng)逆向饋電等進(jìn)行具體方案設(shè)計(jì)。

2. 光伏建筑一體化的特點(diǎn)

考慮到資源豐富的太陽(yáng)光和廣闊的建筑屋面和建筑墻面，打造光伏發(fā)電組件與建筑完美融合的光伏建筑一體化，推動(dòng)從傳統(tǒng)的耗能型建筑到符合可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)能型建筑轉(zhuǎn)變，勢(shì)必成為綠色建筑走可持續(xù)發(fā)展道路的最優(yōu)選擇。

（1）太陽(yáng)能資源豐富，為清潔能源，采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電可以大大緩減石化燃料發(fā)電導(dǎo)致的空氣污染問(wèn)題。

（2）有效利用閑置屋面或墻面，特別是對(duì)于人口密集、用地相對(duì)緊張的區(qū)域，優(yōu)勢(shì)更加明顯；可以就地發(fā)電就地使用，減少輸變電損耗及輸變電費(fèi)用，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與規(guī)模擴(kuò)大，光伏建筑的廣泛應(yīng)用可在一定程度上緩解區(qū)域內(nèi)的用電供需矛盾，可以減輕傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施的投入壓力。

（3）在民用建筑中，通常采用可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)通過(guò)并網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行，在光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電時(shí)段采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)向負(fù)荷供電，倘若有多余電量還可以逆流上網(wǎng)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)非發(fā)電時(shí)段自動(dòng)由電網(wǎng)向負(fù)荷供電，保證負(fù)荷用電需求，增加供電可靠性。

（4）夏季日照充足時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率高，正逢制冷設(shè)備使用多，用電處于高峰時(shí)期，可以有效緩減電網(wǎng)供電壓力，穩(wěn)定電網(wǎng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)，起到調(diào)峰作用。

（5）光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑屋面或建筑墻面維護(hù)結(jié)構(gòu)上，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能輻射的吸收，可以大大減少室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，有利于節(jié)約能源。特別是隨著城市化進(jìn)程的加快，公共建筑在城市建筑中占比逐漸增大，節(jié)能減排效果越加明顯，因?yàn)橄啾扔诰幼〗ㄖ?，公共建筑具有更豐富的輻射面積，且能耗更大。

三、項(xiàng)目案例

1. 項(xiàng)目基本情況

西安交通大學(xué)智慧輸變電裝備多工況模擬試驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目屬于教育部“雙一流”建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資15937萬(wàn)元，總建筑面積約11997平方米，包括試驗(yàn)與仿真樓，多波形電源及戶(hù)內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)，強(qiáng)電磁環(huán)境暗室、高功率微波源及電磁脈沖源室，E3大廳，單錐地下室共計(jì)5個(gè)單體建筑，其中試驗(yàn)與仿真樓是教學(xué)辦公樓，屬于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上五層，地下一層；單錐地下室是試驗(yàn)用房，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上一層，地下一層；其余三個(gè)試驗(yàn)廠房均為鋼結(jié)構(gòu)單體，地上一層。

2. 項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)方案

為了積極響應(yīng)政府“雙碳”政策導(dǎo)引，智慧輸變電裝備多工況模擬試驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目三個(gè)鋼結(jié)構(gòu)單體原設(shè)計(jì)方案在外墻部分區(qū)域采用了光伏幕墻組件。為了更好地利用社會(huì)投資進(jìn)行新型能源開(kāi)發(fā)建設(shè)，充分利用屋面日照條件的優(yōu)越性，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率，經(jīng)與西咸新區(qū)自然資源與規(guī)劃局灃西工作部多次溝通，最終將項(xiàng)目三個(gè)鋼結(jié)構(gòu)單體的外墻光伏方案調(diào)整為屋面光伏組件。

項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案中包含光伏板約3116平方米，施工總承包單位報(bào)價(jià)為841元/平米，造價(jià)約262萬(wàn)元；方案調(diào)整后，原光伏板回歸為雙層壓型鋼板復(fù)合體系，施工總承包單位報(bào)價(jià)為167元/平米，造價(jià)約52萬(wàn)元；而調(diào)整后的屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)由陜西某新能源有限公司進(jìn)行全額投資進(jìn)行建設(shè)，總體節(jié)約項(xiàng)目建設(shè)投資約210萬(wàn)元，項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案及調(diào)整后設(shè)計(jì)方案詳見(jiàn)圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)方案及調(diào)整方案

本項(xiàng)目光伏發(fā)電裝機(jī)容量700kW，屋面光伏組件引出端經(jīng)過(guò)控制器、逆變器后，通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱間隙從屋面引至高低壓配電室，進(jìn)而與國(guó)家電網(wǎng)對(duì)接，形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)、國(guó)家電網(wǎng)并聯(lián)向項(xiàng)目供電的系統(tǒng)。

項(xiàng)目屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)由陜西某新能源有限公司負(fù)責(zé)進(jìn)行建設(shè)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)，同時(shí)享受合作期內(nèi)收益。該投資公司承諾優(yōu)先將光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電提供給西安交通大學(xué)使用，對(duì)光伏發(fā)電電價(jià)給予當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)購(gòu)電含稅電價(jià)9折優(yōu)惠；25年合作期滿(mǎn)后，承諾將該光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)償捐贈(zèng)給西安交通大學(xué)用于教學(xué)或科研實(shí)踐基地。

3. 光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用優(yōu)越性

智慧輸變電裝備多工況模擬試驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，不但通過(guò)利用社會(huì)資金為項(xiàng)目建設(shè)節(jié)約了造價(jià)，而且為學(xué)校及社會(huì)的節(jié)能減排做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

（1）該項(xiàng)目節(jié)能效果顯著，有效地降低建筑全壽命周期的能源消耗。經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠起到保溫隔熱作用，省去了設(shè)置保溫隔熱層的費(fèi)用，并有效改善室內(nèi)溫差。

（3）學(xué)校能夠享受優(yōu)惠電價(jià)，進(jìn)一步減少項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本。

四、展望與思考

伴隨著能源革命向縱深發(fā)展，中國(guó)能源革命有了明確、清晰的發(fā)展道路和發(fā)展目標(biāo)，清潔、低碳、安全、高效的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)將加快推動(dòng)太陽(yáng)能等可再生能源的快速發(fā)展。為了更好地執(zhí)行國(guó)務(wù)院的“雙碳”工作意見(jiàn)，光伏建筑一體化成為綠色建筑的重要發(fā)展方向，也成為了學(xué)校建筑節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。

（1）公共建筑的耗能相對(duì)較大，光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校公共建筑中應(yīng)用前景廣泛，節(jié)能空間大，示范效應(yīng)好。

（2）在光伏建筑一體化的過(guò)程中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)光伏建筑基礎(chǔ)研究，在新型光伏材料、多能互補(bǔ)、智能控制與調(diào)度等方面爭(zhēng)取突破，使建筑從能源消耗者轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲哪茉瓷a(chǎn)者，為進(jìn)一步踐行零能耗建筑理念創(chuàng)造條件。

（3）大力發(fā)展裝配式光伏建筑，努力實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化的構(gòu)件化、建材化、產(chǎn)業(yè)化、科技化、信息化和智慧化。

（4）光伏建筑一體化技術(shù)在鄉(xiāng)村振興、抗震救災(zāi)中的應(yīng)用研究和潛力。

（5）既有學(xué)校建筑改造潛力巨大，光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的廣泛應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

未來(lái)光伏建筑一體化的目標(biāo)是低成本、高效率、高可靠、長(zhǎng)壽命，但由于材料、技術(shù)、市場(chǎng)等客觀原因，目前仍然存在如下問(wèn)題：

（1）光伏建筑一體化建筑初始投資占比較大，建造成本相對(duì)較高，投資回報(bào)率低，回報(bào)周期較長(zhǎng)。

（2）符合建筑功能要求的光伏組件產(chǎn)品偏少，材料問(wèn)題導(dǎo)致的發(fā)電效率問(wèn)題以及光伏組件的壽命還不能很好地與建筑設(shè)計(jì)使用年限相匹配。

（3）功能性和藝術(shù)性結(jié)合方案探索。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的利用相對(duì)更加廣泛，但由于光伏發(fā)電自身的效率、成本等方面的限制，光伏產(chǎn)能與市場(chǎng)需求仍然存在一定矛盾。

隨著光伏材料發(fā)電效率的提高，光伏建筑未來(lái)將能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷脫網(wǎng)甚至用戶(hù)脫網(wǎng)，終將成為綠色能源和綠色建筑的領(lǐng)頭雁。當(dāng)光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展到一定程度，光伏發(fā)電系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用能夠達(dá)到零耗能，進(jìn)而達(dá)到建筑脫網(wǎng)，為綠色建筑戰(zhàn)略的進(jìn)一步發(fā)展提供光伏建筑一體化新模式。