太陽能光伏技術與建筑一體化應用

【摘 要】太陽能光伏發電是太陽能利用的一種重要形式。光伏建筑一體化是在建筑圍護結構外表面鋪設光伏組件或直接取代外圍結構，將太陽能轉化成電能的技術。常見的形式有：光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮陽板、光伏天窗等。此技術擁有眾多優點，具有廣闊的應用價值和發展前景。

【關鍵詞】太陽能；光伏發電；光伏建筑一體化；光伏組件

太陽能光伏發電是一種新興的、可再生的能源，以前主要用于宇宙飛船、航天飛機、人造衛星等高科技領域。隨著常規能源日益短缺，環境污染日益嚴重，光伏建筑一體化成為光伏技術應用的最重要領域之一，具有廣闊的發展前景和巨大的市場潛力。

1、光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力。主要有兩種結合形式：一是建筑與光伏系統結合。二是建筑與光伏器件相結合。把光伏組件作為一種建筑材料，成為建筑物的一個部分。用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶等。

優點：一是綠色能源。太陽能是清潔的、免費的、可再生的能源，不會污染生態環境。二是不占用土地。光伏陣列安裝在屋頂或外墻上，不需要占用額外的土地資源或者建設其他設施，對于土地昂貴的城市建筑非常有吸引力。三是原地發電，原地用電。可以節約輸電網的投資。對于聯網系統，光伏陣列產生的電能，除了本建筑使用，還可以送入電網，緩解電網的高峰電力需求，或者接收電網供電，增加了供電的可靠性。四是建筑節能。照射到建筑物的太陽能，一部分轉化為電能，可以降低室外綜合溫度，減少墻體的吸熱和空調的冷負荷。五是安全、環保。提高了建筑物的整體品質。

缺點：一是造價較高。光伏建筑一體化，給建筑物增加了光伏發電功能，增加了建設成本。二是發電成本高。目前的科技條件下，光伏建筑一體化產生電能的單位成本遠遠高于常規發電的單位成本。三是發電不穩定。受季節、氣候、晝夜的影響，產生的電能是波動的。四是壽命問題。光伏組件作為建筑物的一部分，除了具備發電功能，還需要具有圍護功能。當前的光伏材料使用壽命普遍低于建筑物的使用壽命。五是外觀問題。當光伏組件作為幕墻或者天窗時，其顏色或者形狀會影響建筑物的美觀，還可能造成光污染。另外，光伏組件會遮擋住一部分陽光，影響室內的光照度。六是維護問題。光伏組件位于建筑物的外表面，經過長時間的風吹雨淋，會造成一些損壞或者堆積一些灰塵，影響光電轉換的效率。

2、系統設計

2.1設計資料

設計資料主要包括：一是地理位置。建筑物所在的經緯度、海拔高度。二是氣象資料。涉及到每個月的太陽能總輻射量、直接輻射量、反射輻射量、平均氣溫、最高最低氣溫、最大連續陰雨天數、平均風速、最大風速，冰雹、降雪等氣象信息。三是建筑及周邊情況。包括可供安裝光伏組件的面積，建筑物被遮擋情況，電網的距離等。四是負載。需要了解負載的類型、功率大小、運行時間、運行規律、運行狀況，從而計算出負載的耗電量。

2.2 軟件設計

包括太陽能方陣最佳傾角計算、電池組件大小和數量計算、防陰影遮擋設計、蓄電池容量計算、方陣年發電量計算等。防陰影遮擋設計非常重要，光伏組件被遮擋一小部分就會嚴重影響其發電性能。

2.3 硬件設計

包括光伏方陣、光伏接線箱、并網逆變器、蓄電池及其充電控制裝置、電能表及顯示電能相關參數的儀表等。

2.4 主要因素

影響光伏建筑一體化設計的主要因素有：一是電池方陣設計。是按照用戶要求、負載用電量、技術條件計算出電池組件的串聯數量、并聯數量。二是光伏方陣的規模。根據建筑物所有的日常負載乘以其在一天內的使用時間，進行累加來確定建筑物的總用電量。然后，根據當地一天的陽光平均輻射量，選擇光伏模塊的型號和模塊數量。三是電池方陣方位角和傾斜角計算。方位角是電池方陣的垂直面與正南方向的夾角。一般情況下，電池方陣偏向正南，發電量是最大的。傾斜角是電池方陣與水平地面的夾角。一般來說，緯度較高地區，最佳傾斜角也較大。在建筑設計中，電池方陣的方位角和傾斜角要受到建筑物外觀的影響。四是陰影間距設計。計算發電量時，往往是根據理想狀態進行的，沒有考慮陰影的因素。建筑物的光伏組件會受到周圍建筑物、地形的影響，受到陰影的遮擋，降低發電效率。另外，當光伏陣列是前后放置時，前面光伏陣列可能遮擋后面光伏陣列的光照。為了避免前后光伏陣列的遮擋，在緯度較高地區，可以增加光伏陣列之間的間距；對于采取防止積雪措施的光伏陣列，可以增加傾斜角度，增加光伏陣列的高度，需要增加光伏陣列之間的間距。

3、光伏建筑的集成模式

主要包括：太陽能光伏窗、垂直式光伏幕墻、鋸齒式垂直幕墻、鋸齒式光伏幕墻、風箱式光伏幕墻、傾斜式光伏幕墻、結構式光伏幕墻、臺階式光伏幕墻、獨立太陽能光伏立面、集成太陽能光伏屋頂、獨立太陽能光伏屋頂、鋸齒式光伏屋頂、光伏板中庭、光伏板天窗、柔性太陽能光伏屋面、光伏遮陽板、光伏陽臺、光伏入口雨篷和門斗、屋頂花園光伏遮陽板等。

4、注意事項

4.1 力學性能

光伏建筑一體化中使用的光伏組件，性能要求高于普通的光伏組件。在不同的區域、樓層高度、安裝方式下，對光伏組件的力學性能也有區別的。

4.2 美學要求

建筑物使用功能和外觀效果都是重要的，對光伏組件提出了更高的要求。比如：光伏組件所用的雙面玻璃組件需要更高的透光性，才能達到幕墻或者采光頂的通透效果。為了節約成本，電池板背面玻璃依然采用普通光面鋼化玻璃。光伏組件的接線盒需要省去或者隱藏起來，旁路二極管、連接線也需要隱藏在幕墻結構中，才不會破壞建筑物的外觀細節，又能夠防止陽光直射和雨水侵蝕。

4.3電學性能配合

建筑物外墻或者屋頂，有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成的，這就需要對外墻或者屋頂進行分區或者調整分格，使光伏組件接近標準組件電學性能。另外，根據分區或者分格的不同，可以采用不同尺寸的電池片，滿足建筑物外墻或者屋頂的外觀效果，為了防止組件間的電壓、電流不同，可以把少數邊角上的電池片不連接入電路。

4.4 隔熱隔音

為了滿足建筑物隔熱隔音的要求，光伏組件可以使用中空低輻射玻璃，或者采用雙層外循環系統的幕墻形式。

4.5 建筑采光

光伏建筑一體化中，考慮室內的采光要求，電池片的間距在25mm左右，使組件的透光率在30%左右。

4.6 安裝要求

光伏組件的安裝高度較高，安裝空間較小，難度較大。因此，可以把光伏組件和結構做成單元式結構，方便拆卸又能提高安裝精度。

4.7 光伏系統壽命

在光伏建筑一體化中，采用PVB代替EVA封裝光伏組件，會有更長的使用壽命。光伏組件的連接線大多位于幕墻立柱、橫梁等密閉結構中，環境溫度較高，需要使用雙層交聯聚乙烯浸錫銅線并選用較大的電線直徑。

參考文獻：

[1]王云釗，楊嶸春.光伏發電技術與建筑一體化的實際應用[J].陜西電力，2010，（6）： 72-75.

[2]馬一鳴，馬龍翔.太陽能光伏發電與建筑一體化[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2011，（1）：9-12.

[3]彭晉卿，呂琳，楊洪興.太陽能光伏建筑一體化技術研究[J].建設科技，2012，（21）： 54-59.

[4]郝斌，李現輝.太陽能光伏建筑一體化探討[J].建設科技，2009，（20）：32-34.

[5]王曉青.淺談太陽能光伏系統與建筑一體化[J].科技致富向導，2013，（11）：240-240.