張 揚 屈志浩 曾文明 趙嘉睿 劉佳偉

建筑是人類生活與工作的主要場所，每天需要消耗大量的能源。同時，建筑還會排放出大量的二氧化碳氣體，據調查統(tǒng)計，在社會能源消耗當中，建筑能耗的占比最高，在40%以上，而在二氧化碳排放量方面，建筑排放量更是超過50%，不利于社會可持續(xù)發(fā)展。在此背景下，現代建筑領域逐漸開始對太陽能、風能等可再生資源進行了應用，其中，太陽能是最常見且分布較廣泛的能源，已應用到屋頂、墻體等結構中，有效降低了建筑對傳統(tǒng)能源的消耗量。

1 光伏發(fā)電的原理

半導體是現代電子領域比較常見的材料，具有良好的光電特性，即被陽光照射后，材料內部會生成相應的電荷載流子。結構內部較為純凈的半導體通常稱之為本征半導體，當其溫度處于0 K，且外部沒有任何激發(fā)的情況下，共價鍵可約束所有電子。而處于室溫環(huán)境，或是受到外部激勵后，共價鍵的約束會明顯降低，部分電子掙脫約束，變成可以隨意移動的自由電子，這些電子移動后，所產生的空位叫做空穴，相鄰原子的價電子會填補這些空穴，進而產生新空穴?？昭ㄅc自由電子不斷生成的過程中，原有空穴與自由電子會不斷復合，以使材料內部重新處于平衡狀態(tài)。若電子數量超過空穴數量，則稱為N 型半導體材料，反之則稱為P 型半導體，兩種材料獨立應用時，均呈電中性。而兩種材料聯(lián)合使用時，N 型的電子會逐漸向P 型移動，從而出現P-N 結界面。在P-N 界的周邊，N 型側的電子數量越來越少，而P 型側的電子數量則越來越多，并對空穴進行填補，因而P-N結界面的N 型側呈正電荷，而P 型側則呈負電荷，兩者共同構成了內建電場。太陽光照射到P-N 結界面時，由于兩側電子或空穴數量的提升，所產生的內建電場強度也會越強，加快了電子與空穴的移動速度。隨著P-N 結界面的兩側電荷不斷積累，材料內會出現較大的電勢差，從而產生電流[1]。材料獲取的光照越多，結界面的面積越大，因而會產生更多的電流。

2 太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)的設計

2.1 設計條件

2.1.1 氣候條件

太陽能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）系統(tǒng)運行時，光電轉換效率與很多因素有關，如光照時間、輻射量、氣候條件等。其中，光照時間與輻射量是最基礎的因素，只有保證充足的光照時間與較高的輻射量，才能使BIPV 系統(tǒng)正常發(fā)電。而溫度、降雨等氣候因素是主要的影響因素，溫度過高會影響光伏陣列的運行效率，從而降低發(fā)電量，因而通常情況下，環(huán)境最佳溫度應控制在25 ℃以下。而降雨會影響光線的傳輸，降低半導體材料接收太陽光的數量。

針對氣候條件對光伏發(fā)電的影響，美國國家航空航天局設計了一種水平面太陽輻射量的計算公式，具體公式為：

式中：Ht為總輻射量；Hb為直接輻射量；Hd為散射輻射量[2]。

2.1.2 建筑條件

不同的建筑條件，將會使BIPV系統(tǒng)具有不同的運行效率，因而設計BIPV 系統(tǒng)時，應以建筑條件為核心，注重系統(tǒng)整體的設計，合理對裝置進行布設，選擇最佳的連接方式。其中，針對建筑的結構形態(tài)，不僅可以確定BIPV 系統(tǒng)的具體形式，還可以明確最佳的光伏板集成方式，從而為BIPV系統(tǒng)的設計與開發(fā)提供支持。

現代城市中，建筑數量越來越多，兩座建筑間的距離越來越近，使得兩座建筑間必然不會出現一定的遮擋，若選擇硅光伏系統(tǒng)，受到陰影遮擋，將會導致被遮擋處無法發(fā)電，并影響與其他區(qū)域光伏板的連接，進而嚴重干擾整個系統(tǒng)的發(fā)電水平。

所以，設計BIPV 系統(tǒng)時，應針對建筑的遮擋情況，選擇最佳的光伏陣列，以保證整個系統(tǒng)的發(fā)電效率。此外，還應針對建筑能耗水平，選擇最佳的BIPV 系統(tǒng)規(guī)模，并判斷系統(tǒng)是否需要并網，將多余的電能傳輸給市政電網，或者從市政電網中獲取適量電能。

2.1.3 電網條件

光伏發(fā)電根據運行模式可以劃分成3 種類型―獨立發(fā)電、并網發(fā)電及混合發(fā)電，每種發(fā)電模式具有不同的特點，因此在選取光伏模式前，應該準確了解區(qū)域的電網條件。若無電網覆蓋，僅可選取獨立發(fā)電或是混合發(fā)電模式；若有電網覆蓋，則可以根據具體情況，隨意選擇任意一種發(fā)電模式。

2.2 系統(tǒng)選型

2.2.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

所謂的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，指的是只利用太陽能進行發(fā)電的裝置，該系統(tǒng)通常應用在市政電網無法覆蓋的區(qū)域。需要注意的是，由于該系統(tǒng)發(fā)電源只有太陽能，當陰雨天氣或夜晚時，系統(tǒng)無法正常發(fā)電，因而發(fā)電能力較差。這類光伏系統(tǒng)中，結構最精簡的為直聯(lián)系統(tǒng)，內部并無儲能裝置。

對于安裝了儲能裝置的系統(tǒng)來說，則應用較為廣泛，常見于市政路燈、通信及居民生活等諸多方面。這類系統(tǒng)的能量利用率并不高，供電穩(wěn)定性較差，因此在使用該類型的光伏系統(tǒng)時，需要配備相應的蓄電池，以確保整個供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行[3]。

2.2.2 并網光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)以并網逆變器為媒介，與市政電網連接到一起，當系統(tǒng)產生電能后，將其傳輸給市政電網，由市政電網重新分配。該類型系統(tǒng)主要由5部分構成―光伏陣列、逆變器、控制器、DC/DC 變換器及繼電保護元件。

光伏陣列，用于將太陽能轉化成電能；逆變器，主要對陣列產生的直流電進行轉化，使其變?yōu)橄鄳慕涣麟?；控制器，根據整個系統(tǒng)的運行情況，自動對電流波形、功率予以調節(jié)，以確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行；DC/DC 變換器，用于直流電與直流電的轉換；繼電保護元件，用于保護整個系統(tǒng)。

2.2.3 混合光伏發(fā)電系統(tǒng)

這類光伏發(fā)電系統(tǒng)與上述2 種系統(tǒng)的主要區(qū)別是安裝了獨立的備用發(fā)電裝置。主系統(tǒng)發(fā)電量較少，或是蓄電池內電能儲量不足時，則自動跳轉到備用發(fā)電裝置，由其繼續(xù)發(fā)電，以此驅動負載穩(wěn)定運行。同時，備用設備產生多余電能后，還可在逆變器的作用下，將其傳輸給蓄電池。

2.3 整體設計

2.3.1 光伏屋頂

屋頂是建筑的主要結構，位于建筑的最上方，面積較大，且與太陽光的夾角較大，是光伏系統(tǒng)與建筑結合最佳的區(qū)域。

相對于傳統(tǒng)屋頂，光伏屋頂對防水性、透光性等方面具有更高的要求。根據屋頂的類型，可將其劃分成水平光伏屋頂和傾斜光伏屋頂:

1）水平光伏屋頂。光伏屋頂呈水平狀，可通過2 種方式布置。一種為支架布置法，該方法布置比較靈活，可根據實際情況隨意調節(jié)光伏板的傾角、間距等，使整個光伏系統(tǒng)不會出現陰影，提升系統(tǒng)運行效率。同時，該布置方法結構比較簡單，所需成本較低，易于大規(guī)模推廣。但是，建筑的整體性較差，并且影響建筑的美觀性[4]。另一種為嵌入式布置法，即直接將光伏板嵌入屋面中，不僅能夠用于發(fā)電，還可以作為屋面結構，因此能夠節(jié)約屋面建設材料，但屋面自潔性較差，應定期安排人員清理。

2）傾斜光伏屋頂。傾斜光伏屋頂也可采用2 種布置方法：一是鋪設法，即直接將光伏板鋪設到屋頂表面，光伏板用于發(fā)電，屋面用于遮擋雨水、陽光等；二是嵌入法，與水平光伏屋頂嵌入法基本相同。

2.3.2 光伏墻體

現代建筑建設過程中，可將BIPV系統(tǒng)與外墻結合到一起，一方面提升外墻的美觀性，另一方面用于轉換太陽能。

光伏幕墻主要由5 層結構構成。其中，最外兩側為玻璃基片，用于固定內部結構，與玻璃基片黏結的是聚乙烯醇縮丁醛酯（Polyvinyl Butyral，PVB）膠片，用于玻璃基片與晶硅片的黏結。最中間為晶硅片，即太陽能電池板，用于將太陽能轉化為電能。當太陽光照射到光伏幕墻上后，一部分輻射被吸收，并通過晶硅片的轉換后，轉變成一定量的電能，而另一部分則被幕墻反射回去，有利于調節(jié)室內溫度，以降低空調系統(tǒng)的能耗量。

2.3.3 光伏遮陽板

建筑建設主要是為人類構建出良好、舒適的內部空間環(huán)境，而要想達到這一要求，應在確保采光良好的基礎上，盡可能多地減少透過窗戶的太陽輻射。所以，BIPV 系統(tǒng)中，還應設計相應的光伏遮陽板。陽光照射到遮陽板上后，一方面，可將太陽能轉化成電能，用于建筑電力系統(tǒng)的使用；另一方面，可根據室內空間溫度，結合光伏板接收到的太陽能輻射量，自動調節(jié)遮陽板的角度，以此對室內溫度進行控制。

2.4 陣列設計

斜面太陽輻射，計算斜面太陽輻射量是影響B(tài)IPV 系統(tǒng)運行的重要因素之一，因而在光伏陣列設計時，需要確定合理的斜面太陽輻射量。對于斜面太陽輻射量來說，應滿足直散分離的原理，即總輻射量等于直接輻射與散射的總和。

需要注意的是，大地表面接收的輻射量沒有地表反射分量。確定朝向赤道斜面上的太陽能輻射量時，計算公式為：

式中：Ht為總輻射量；Hbt為直接輻射量；Hdt為天空中的散射量；Hrt為大地的反射量。

若具體地點位置已知，可通過查詢相關資料獲取當地太陽輻射的相關數據，并以此為基礎，通過相應的公式確定上述幾個指標。

計算Hbt時，可引入參數Rb，即直接輻射量與總輻射量的比值，即：

式中：φ為地點的緯度坐標；α為斜面的傾角；δ為太陽的赤緯坐標；hs表示水平面日落時角；hs'為斜面上日落時角，可由式（4）推導得出：

確定Hdt時，選擇Hay 模型。該模型指出，在天空散射當中，主要由兩部分構成，一部分為太陽光的散射，另一部分為其他穹頂的散射，因而可通過下述公式推導Hdt值，表達式為：

式中：H0為大氣層外水平面上的太陽能輻射量，可由式（6）推導得出：

式中：Isc為太陽常數，一般可設置成1367 W/m2。

確定Hrt時，可通過式（7）推導得出：

式中：Hh為水平面總輻射量；ρ為地表的反射率，具體可根據現場具體情況而定，如表1 所示[5]。

表1 地表反射率表

3 結語

綜上所述，現代建筑工程建設過程中，應提高對太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)的重視程度，并根據工程現場的氣候、建筑及電網條件，選擇合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)，合理對光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮擋板進行設計，并確定最佳的斜面太陽輻射量與列陣傾角，以使太陽能在建筑工程領域發(fā)揮出最大的作用。同時，需要注意的是，為了使太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)在現代建筑領域發(fā)揮出更大的作用，未來還應逐漸融入更多光伏發(fā)電功能，以向用戶提供更好的服務。