馬登彪

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧 大連 116000）

當前，我國正處于新型城鎮(zhèn)化和鄉(xiāng)村振興的重要戰(zhàn)略機遇期。《“十四五”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展規(guī)劃》明確提出，大力發(fā)展鄉(xiāng)村旅游、特色小鎮(zhèn)，建設(shè)美麗宜居的鄉(xiāng)村。在此背景下，鄉(xiāng)村城市建設(shè)迎來了重要機遇。與此同時，我國提出2030 年前非化石能源占一次能源消費比重達到25%的目標，大力發(fā)展清潔可再生能源。太陽能光伏作為清潔可再生能源的重要來源，發(fā)電成本不斷下降，技術(shù)也日益成熟，在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

1 太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 太陽能光伏發(fā)展現(xiàn)狀

當前我國太陽能光伏發(fā)電正處于高速增長期，2020年新安裝的光伏發(fā)電量達到了48.2GW，同比增長26%，累計安裝總量達253GW。這主要得益于光伏組件轉(zhuǎn)換效率的不斷提高、制造成本的大幅降低以及國家政策的大力支持。從技術(shù)上看，當前商業(yè)化的晶硅光伏組件效率已經(jīng)達到了22%左右，一些實驗室的研究也已經(jīng)實現(xiàn)了26%甚至更高的轉(zhuǎn)換效率。隨著技術(shù)的不斷進步，預(yù)計商業(yè)組件效率到2025 年可以達到24%。從成本看，光伏發(fā)電的標準化上網(wǎng)電價也在不斷下降，2020 年已降至0.28～0.39 元/kWh，有競爭力的區(qū)域已接近煤電平價。未來隨著制造規(guī)模效應(yīng)的進一步提升，預(yù)計到2025 年電價可以降低至0.2 元/kWh。從政策上看，國家已明確提出2030 年前光伏發(fā)電總裝機將達到1200GW的目標。因此，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)仍處于快速增長的黃金機遇期。[1]

1.2 建筑一體化技術(shù)情況

建筑一體化技術(shù)是將光伏組件與建筑材料或構(gòu)件整合在一起，實現(xiàn)建筑發(fā)電的技術(shù)方式。當前常見的技術(shù)主要有太陽能光伏玻璃、光伏建材（瓦、板材等）和光伏支架等。太陽能光伏玻璃通過在普通玻璃基板表面覆蓋光伏薄膜，可以直接替代建筑的窗玻璃使用；光伏瓦和板材則在保證基礎(chǔ)功能（遮陽防水等）的同時，嵌入了光伏電池，可在發(fā)揮主要功能的同時發(fā)電；光伏支架則與普通建材分離，直接安裝于墻體或屋頂上。隨著技術(shù)的進步，未來光伏建材的轉(zhuǎn)換效率預(yù)計可以達到18%以上，部分產(chǎn)品壽命可以與建筑本體匹配，這將極大地降低光伏建筑的整體發(fā)電成本。目前建筑一體化光伏發(fā)電已成功應(yīng)用于多項示范工程，但由于制造成本相對傳統(tǒng)散件光伏稍高，大規(guī)模應(yīng)用仍需技術(shù)突破和成本下降。

1.3 存在問題

盡管太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)發(fā)展迅速，但在實際應(yīng)用中仍存在一些問題有待解決，比如技術(shù)整合度不高導(dǎo)致功能發(fā)揮受限，很多光伏建材只是簡單機械堆疊沒有實現(xiàn)與建筑材料的深度融合；制造成本較高，目前多數(shù)光伏建材比普通建材貴50%以上，嚴重影響經(jīng)濟性；使用壽命和建筑結(jié)構(gòu)匹配性差，大多光伏建材壽命只有10～15 年，而建筑使用壽命數(shù)十年；美觀度有待提高，大面積使用光伏建材會對建筑外觀產(chǎn)生一定的負面影響；政策扶持力度不夠，建筑一體化光伏發(fā)電補貼標準遠低于普通電站光伏發(fā)電，新能源政策亟待進一步完善。這些問題的存在無疑制約了光伏建筑的推廣速度和應(yīng)用規(guī)模，下一步行業(yè)亟須加快技術(shù)創(chuàng)新步伐，大幅降低制造成本，吸引更多社會資本和政策支持，以促進建筑一體化光伏產(chǎn)業(yè)快速增長，推動我國建筑節(jié)能減排和可再生能源消納。[2]

2 太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)運用的必要性分析

2.1 實現(xiàn)建筑自身的清潔供能

實現(xiàn)建筑自身的清潔供能是太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)運用的當務(wù)之急。傳統(tǒng)建筑能源消耗巨大，我國建筑能耗占全社會總能耗的1/3。而電力及供熱主要依賴煤電，導(dǎo)致建筑運營過程中產(chǎn)生大量碳排放。光伏建筑可以利用自身屋頂及墻體進行發(fā)電，實現(xiàn)對能源需求的自供自足。根據(jù)太陽輻射資源與建筑面積匹配計算，一座標準寫字樓通過建筑一體化光伏設(shè)計，可實現(xiàn)年發(fā)電量達到電力需求總量的30%～50%。這相當于減少建筑30%～50%的外購電量，降低碳排放強度。同時配備儲能系統(tǒng)，光伏發(fā)電與建筑負荷實現(xiàn)最優(yōu)匹配，使節(jié)約用電成本降到最低。在分布式能源與智慧微網(wǎng)相關(guān)政策推動下，未來建筑可實現(xiàn)“多發(fā)少購零排放”的供能模式，真正達到零碳排放。這將大幅減輕大城市的“煤電鎖定”現(xiàn)象，也使偏遠農(nóng)村地區(qū)建筑實現(xiàn)自給自足?？梢?，太陽能光伏與建筑一體化不僅決定了建筑的清潔化與低碳化，更將極大地推動我國能源體系轉(zhuǎn)型升級。

2.2 豐富建筑功能，提升舒適性

太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)的運用可以極大地豐富建筑的功能，提升室內(nèi)舒適性。傳統(tǒng)建筑采暖通風與照明系統(tǒng)分散設(shè)置，調(diào)節(jié)不靈活，同時能耗較大。而光伏建材可根據(jù)建筑使用需求動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電模式，發(fā)揮建村供暖、通風、采光的多功能性。例如光伏木質(zhì)百葉可以按照運行算法自動打開不同角度，實現(xiàn)建筑采暖通風及遮陽的自主控制；光伏玻璃幕墻更可以檢測室內(nèi)溫濕度和光照等數(shù)據(jù)，動態(tài)控制光電轉(zhuǎn)換效率，以達到室內(nèi)溫度和采光最優(yōu)。這類多功能光伏系統(tǒng)可取代傳統(tǒng)空調(diào)及照明設(shè)備，減少建筑60%以上的能耗。與此同時，太陽能光伏與建筑結(jié)構(gòu)的深度融合可以提供美學、耐久性、隔熱保溫等方面的升級，大幅提高建筑使用舒適度。綜上所述，光伏建村的建立不僅意味著清潔能源的獲取，更開啟了建筑從“消耗型”到“生產(chǎn)型”的變革，使建筑由能源的被動接受方轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥墓芾碚吲c參與者，具有重要的技術(shù)意義和應(yīng)用前景。[3]

2.3 提高土地空間利用效率

光伏建筑通過立體式設(shè)計，可以實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑主體的疊加利用，發(fā)揮光伏發(fā)電與建筑主功能的雙重效用，比土地分開單獨建設(shè)光伏電站和建筑物合理利用土地多出一倍以上。具體來說，屋頂及墻體安裝的光伏系統(tǒng)不僅可以發(fā)電，還可以作為建筑外墻結(jié)構(gòu)發(fā)揮遮陽、隔熱、保溫等功能；同時與建筑主體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，確保安全性。此外，光伏建筑系統(tǒng)還可以與農(nóng)業(yè)大棚、車棚等基礎(chǔ)設(shè)施有機結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)設(shè)施與清潔能源的高效復(fù)合開發(fā)。光伏農(nóng)牧業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不但可以增加可利用日照資源約60%，提高農(nóng)作物和草場的單位面積產(chǎn)量，還可以發(fā)揮調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度、阻隔惡劣天氣等多重生態(tài)效益。可以說，太陽能光伏與建筑的結(jié)合是土地空間高效復(fù)合利用的典范，也是推動我國能源多元化的重要切入點。其規(guī)模化發(fā)展也將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.4 促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將有力推動儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)、建材新材料等多種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重大進步。光伏與建筑深度融合需要搭配使用智能化儲能系統(tǒng)和精細化電力電子設(shè)備，以實現(xiàn)太陽輻射強度變化與建筑負荷需求動態(tài)平衡。這將極大地促進電力電子技術(shù)創(chuàng)新，推動逆變設(shè)備大功率化、智能化及質(zhì)量可靠性整體提高，加速推進電池技術(shù)進步和智能微電網(wǎng)建設(shè)。與此同時，光伏建材的設(shè)計制造也需要高效薄膜電池、新型材料、先進光學薄膜等多種新材料和技術(shù)支持，帶動新材料高端化及“多功能一體化”特性的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。此外，光伏建材產(chǎn)業(yè)鏈所延伸的建筑節(jié)能技術(shù)咨詢與設(shè)計、工程安裝施工、運維管理服務(wù)等相關(guān)服務(wù)業(yè)也將獲得長足發(fā)展。據(jù)預(yù)測，到2025 年，我國光伏建筑及相關(guān)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將超過萬億元人民幣。特別是在全球“雙碳”目標推動下，該領(lǐng)域商機巨大，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。

3 太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)在鄉(xiāng)村城市建設(shè)中的運用

3.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

在鄉(xiāng)村城市建設(shè)中，要充分運用太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)，關(guān)鍵是要從建筑設(shè)計開始，采用適應(yīng)光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)體系。具體來說，有以下幾點：第一，選擇南北朝向布局。根據(jù)我國大部分地區(qū)光照資源主要分布在建筑南側(cè)，建筑宜采用南北走向布局。合理設(shè)置南墻體系，確保光伏系統(tǒng)得到充足的太陽輻射；北側(cè)重點考慮采光照明和通風設(shè)計。第二，加強屋頂結(jié)構(gòu)處理。屋頂是設(shè)置建筑一體化光伏的主要位置，要充分考慮光伏板的分布布置，合理加固屋頂承重結(jié)構(gòu)，確保安全。常見的有兩種設(shè)計：激光與屋面成一定角度的支架上安裝光伏板；直接將薄膜光伏組件與防水層和屋面材料一體化構(gòu)造。這需要屋面的材料與組件之間實現(xiàn)良好粘結(jié)。第三，創(chuàng)新墻體結(jié)構(gòu)方案。除屋頂外，建筑墻體也可以通過支架安裝光伏或者采用光伏磚、光伏外墻板等一體化建材。這需要在保證墻體主要功能（如承重、保溫、防水等）不受影響的前提下，做好與光伏產(chǎn)品的匹配。第四，優(yōu)化建筑總布局。要根據(jù)建筑功能合理規(guī)劃室內(nèi)外分區(qū)，保證光伏建材及系統(tǒng)的最佳使用；同時關(guān)注建筑朝向自然通風與采光效果，減少能源消耗。第五，智能化系統(tǒng)聯(lián)動。光伏建材要與建筑環(huán)境控制系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)實現(xiàn)高度協(xié)同，建立動態(tài)優(yōu)化的運行機制，并充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)手段，實現(xiàn)對復(fù)雜建筑系統(tǒng)的精細化監(jiān)測和管理。總之，為充分發(fā)揮太陽能光伏與建筑的協(xié)同效應(yīng)，建筑設(shè)計階段就應(yīng)采用整體系統(tǒng)化思路，使建筑形態(tài)、布局和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光電建村理念的最優(yōu)化落實。這是相關(guān)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于鄉(xiāng)村城市建設(shè)的基礎(chǔ)與前提。[4]

3.2 施工環(huán)節(jié)注意事項

光伏與建筑一體化施工過程中，需要注意許多重要環(huán)節(jié)以保證工程質(zhì)量和發(fā)電效果，首先是光伏組件的運輸與存放，要注意防護減震，避免材料在運輸及倉儲過程中受損；其次是支架的制作安裝，不同位置建筑面應(yīng)采用適宜的支架模式，確保連接牢固構(gòu)造合理；同時光伏組件的串聯(lián)過程中要注意極性不能錯誤，每一串組件的參數(shù)應(yīng)高度一致；另外還要重點關(guān)注防水層與支架安裝對建筑主體的影響，如需破壞房頂墻體防水層，施工完畢必須修復(fù)嚴密，防止未來滲漏；此外，還需要檢查光伏增加的額外載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響，必要時適當加固；電氣系統(tǒng)方面線路配置要規(guī)范隔離，逆變器設(shè)置要便于監(jiān)測管理，調(diào)試與并網(wǎng)運行要確?？刂茀f(xié)調(diào)；最后，通過至少72 小時的連續(xù)觀測確認各項指標達標。只有嚴格落實好施工的種種細節(jié)，才能確保光伏建筑工程質(zhì)量，發(fā)揮設(shè)計功能。

3.3 操作維護要點

為保證系統(tǒng)長期安全可靠運行，使用單位的維護與管理工作尤為重要，需要注意以下要點：第一，建立巡檢制度。光伏建筑系統(tǒng)和設(shè)備要建立周期性巡檢計劃，重點檢查組件外觀、接線端子、支架連接、防水層等易損易老化部位。一般季度檢查1 次，及時發(fā)現(xiàn)隱患。第二，組件清洗維護。塵垢覆蓋會降低發(fā)電效率，應(yīng)定期對光伏板進行清洗，一般半年1 次，也可以根據(jù)污染情況適當增加頻次。清洗時不能使用酸、堿類溶劑，最好采用無污染的純水來降低成本。第三，遮陽檢查與修剪。光伏建筑附近如有高大樹木，每季要查看遮陰情況并及時修剪，確保充足光照，這也是屋頂光伏經(jīng)常被忽視的一環(huán)。第四，逆變器更換更新。高溫和長時間轉(zhuǎn)換運行會加速電子器件老化，一般5年更換1 次逆變器，時刻注意轉(zhuǎn)換效率下降情況。更新投運后要重新進行調(diào)試。第五，系統(tǒng)性能監(jiān)測。光伏系統(tǒng)的發(fā)電量、供建筑用電情況要持續(xù)監(jiān)測記錄，月度匯總分析是否達預(yù)期。相關(guān)軟硬件需要保證持續(xù)正常運行。第六，故障處理和系統(tǒng)升級。針對運行期間出現(xiàn)的各類故障，要制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案并建立完善的處理流程體系。及時更新和完善光伏建筑的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，確保設(shè)備發(fā)揮最大效用。通過科學規(guī)范的運維管理，可以延長光伏建筑使用壽命至20～30 年，使之真正成為建筑的“永久器官”，為使用者提供持續(xù)的環(huán)境與經(jīng)濟效益。[5]

4 未來鄉(xiāng)村城市的應(yīng)用構(gòu)想

隨著光伏新材料和一體化技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進步，太陽能建筑在未來鄉(xiāng)村城市建設(shè)中的應(yīng)用前景巨大而美好。預(yù)計到2030 年，我國鄉(xiāng)村和城市的大部分新建建筑將會實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的標準配置。到2050 年，幾乎所有老舊屋頂都會改造實施建筑一體化光伏。屆時，無論城市高樓還是農(nóng)家小屋，都將通過自身完成清潔低碳的供能與發(fā)電。這將極大地減少中國對化石能源的依賴，也將萬家千村變成宜居宜業(yè)的生態(tài)社區(qū)。同時，以光伏建筑為基礎(chǔ)的智慧微電網(wǎng)和分布式能源體系將完全崛起，支撐城鄉(xiāng)的綠色智能化進程。我們有理由相信，太陽能與建筑的深度融合必將開創(chuàng)我國美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和可持續(xù)城鎮(zhèn)化的全新篇章。

5 結(jié)語

本文從施工單位角度出發(fā)，著眼未來鄉(xiāng)村城市建設(shè)對太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)的需求，深入研究該技術(shù)在鄉(xiāng)村城市建設(shè)中的運用。研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，但仍需解決技術(shù)與管理等問題。本文為推動該技術(shù)在鄉(xiāng)村城市建設(shè)中的應(yīng)用提供了參考借鑒。后續(xù)可繼續(xù)深入開展技術(shù)經(jīng)濟分析、示范工程建設(shè)等研究。