太陽能光伏系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)探討

摘要：太陽能作為一種無處不在、取之不盡、用之不竭、潔凈且無污染的能源正日益受到人們的重視;它的廣泛應(yīng)用與推廣對于節(jié)約不可再生的礦物能源、保護(hù)環(huán)境、改善人類生存空間、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展等具有重要的意義。當(dāng)代世界太陽能科技發(fā)展有兩大基本趨勢：一是光電與光熱結(jié)合;二是太陽能與建筑的結(jié)合。太陽能是未來人類最適合、最安全、最理想的替代能源。本文通過對太陽能與建筑一體化在實(shí)際工程中應(yīng)用的討論與分析，為推廣與實(shí)踐太陽能與建筑一體化技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能;照明;太陽能與建筑一體化

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口不斷增長，建筑能耗在社會(huì)能源總消費(fèi)量中所占的比例逐年上升，能源已經(jīng)成為全球的熱點(diǎn)、焦點(diǎn)問題。世界各國都面臨著資源和環(huán)保的雙重壓力，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展遭遇了空前的挑戰(zhàn)。能源的緊缺提出了對可再生能源的需求，而太陽能作為一種可以在任何太陽存在的地方都可以使用的能源受到廣泛的關(guān)注，它的使用已經(jīng)從最初在邊遠(yuǎn)地區(qū)和缺電地區(qū)的使用，逐漸的轉(zhuǎn)移到發(fā)達(dá)國家城市的使用;從簡單的使用和安裝太陽電池板，到現(xiàn)在能夠把太陽電池板和建筑進(jìn)行比較好的結(jié)合，使得太陽能光伏發(fā)電得到更廣闊的發(fā)展空間。如何降低我國建筑耗能已經(jīng)是提升到影響國家能源安全和迫切需要解決的問題，建筑中充分利用太陽能是降低我國建筑耗能的一個(gè)有效途徑。

1太陽能光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化的優(yōu)點(diǎn)

從建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看，光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)一般安裝在閑置的屋頂或外墻面上，無需額外用地或增建其他設(shè)施，適合于人口密集的住宅小區(qū)使用，這對于寸土寸金的大中城市中的建筑尤顯重要。

1.2 可實(shí)現(xiàn)原地發(fā)電、原地用電，在一定的距離之內(nèi)可以節(jié)省電站輸送電網(wǎng)的設(shè)施投資;對于聯(lián)網(wǎng)用戶系統(tǒng)來說，光伏供電系統(tǒng)所發(fā)電力既可供給本建筑物負(fù)載使用，也可將富余電力送入電網(wǎng)。在陰雨天、夜晚或光強(qiáng)度較弱的季節(jié)，建筑物所需負(fù)載可以由外電網(wǎng)供電。由于有光伏發(fā)電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)共同負(fù)載供應(yīng)電力，增加了供電的可靠性和安全性。

1.3 夏季是日照旺季，由于大量制冷設(shè)備的使用，使電網(wǎng)成為用電高峰，常出現(xiàn)某些地區(qū)限電拉閘現(xiàn)象，而此時(shí)也是光優(yōu)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最多的時(shí)候，光優(yōu)建筑一體化系統(tǒng)除了保證自身建筑用電外，還可以向外電網(wǎng)供電，從而可大大緩解高峰期電力需求的緊張狀態(tài)。

1.4 電于光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在屋頂、外墻壁等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，吸收了太陽能又把它轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合氣溫，減少了墻體受熱和室內(nèi)空調(diào)機(jī)的負(fù)荷，既節(jié)約了能源，又利于確保室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

1.5 可以杜絕由于采用煤炭等化石燃料發(fā)電而導(dǎo)致的廢氣、廢渣對大自然環(huán)境的嚴(yán)重污染，這也正是當(dāng)前在世界范圍內(nèi)大力倡導(dǎo)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)所尋求的重要途徑之一。

1.6 在建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以促進(jìn)伏部件的大規(guī)模生產(chǎn)，從而可以進(jìn)一步降低光伏部件的市場價(jià)格，這對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣使用有著重要的推動(dòng)作用。

當(dāng)今社會(huì)，光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化研究已成為 21 世紀(jì)重要的研究課題。由于建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，牽涉面廣，如果將新型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)融入到建筑設(shè)計(jì)中，同時(shí)還應(yīng)保持建筑的固有功能特征和文化內(nèi)涵，就應(yīng)該從建筑技術(shù)和建筑美學(xué)兩方面入手，使建筑設(shè)計(jì)與太陽能技術(shù)有機(jī)會(huì)結(jié)合，并由此而產(chǎn)生“一體化設(shè)計(jì)”新概念。所謂“一體化設(shè)計(jì)”是指在建筑規(guī)劃和設(shè)計(jì)之初，就將太陽能利用納入設(shè)計(jì)內(nèi)容之中，使之成為建筑物的一個(gè)有機(jī)組成部分，統(tǒng)一 設(shè)計(jì)、精心施工和調(diào)試。

2 太陽能光電系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀

太陽能的利用，可分為太陽能熱能和太陽光電兩方面。本文所討論的內(nèi)容為后者，即光-電轉(zhuǎn)換的太陽能光電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)利用了物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象來進(jìn)行發(fā)電。我國，乃至全世界，正大力發(fā)展太陽能這種潔凈能源，但在發(fā)展太陽能這條路上面臨著三大困難：

（1）轉(zhuǎn)換率低。

（2）電池、組件和輔助設(shè)備的成本及安裝費(fèi)、維護(hù)費(fèi)過高。

（3）發(fā)電成本高。

3光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化的組織形式

光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化有兩種方式：一種是建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合;另一種是建筑與光伏器件相結(jié)合。

3.1 建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合

就是把組裝好的光伏組件（平板或曲面板）安裝在住宅樓或高層建筑的屋頂（或外墻面）上，再與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載等裝置相聯(lián)。這種做法質(zhì)量要求和技術(shù)含量較高，且成本也較高，普遍推廣受一定限制。

3.2 建筑與光伏器件相結(jié)合

建筑與光伏系統(tǒng)的進(jìn)一步結(jié)合是將光伏器件與建筑材料集成化;由于一般建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面通常采用外墻涂料、幕墻或各式外墻面磚，目的是保護(hù)結(jié)構(gòu)主體和裝飾建筑外表。如果將光伏器件代替部分建筑材料，做成像外墻面磚、幕墻玻璃等樣子來“裝飾”建筑物的屋頂、外墻、門窗和遮陽設(shè)施，這樣，既可當(dāng)作保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和裝飾建筑外表的裝飾材料，又可用來發(fā)電，供建筑物內(nèi)部照明等設(shè)施和冬季采暖、夏季制冷所需之電力，可謂一舉多得。

但是，要把光伏器件當(dāng)作建材來使用，必須具備建材所要求的幾項(xiàng)基本條件：堅(jiān)固耐用、保溫隔熱、防水防潮，具有一定的強(qiáng)度和剛度等。

1）光伏器件用作屋頂材料

建筑物的屋企頂用作太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的一種部分有其特有的優(yōu)勢：日照條件好，基本上不容易被它物遮擋，可以充分接受太陽光的輻射，且光伏器件組成系統(tǒng)后可以緊貼屋面結(jié)構(gòu)安裝，減少了自然界風(fēng)力對其的不利影響;太陽能電池組件替代屋面保溫隔熱層來保護(hù)屋面不受嚴(yán)寒酷暑侵襲，不但節(jié)約了建筑成本，就是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)本身，其單位面積的價(jià)格也可大大降低;用太陽能光伏器件代替建筑屋頂材料，使其適用范圍不再局限于平屋面，坡屋面、弧形或球形屋面也同樣可以采用。與屋面結(jié)合為一體的另一種光伏發(fā)電系統(tǒng)是：采用太陽能瓦代替普通瓦。太陽能是太陽能光電池與屋頂瓦結(jié)合成一體化的產(chǎn)品;這種材料的特點(diǎn)在于使太陽能光伏器件與建筑實(shí)現(xiàn)真正意義上的一體化，即把太陽能光電瓦像普通瓦一樣攤鋪在屋面上，不需要另外安裝什么支架，只需把太陽能瓦拼縫部位處理得不透風(fēng)、不漏水即可。

2）光伏器件與外墻面相結(jié)合

對多層、小高屋和高層建筑來說，朝陽外墻面是受太陽光照射最大的外表面;為了有效利用墻面收集太陽能，可以采用多種墻體材料和構(gòu)造做法，包括與太陽能電池板一體化的玻璃幕墻、透明絕熱材料以及附著于外墻面的集熱器等等，既節(jié)能環(huán)保，又使建筑立面設(shè)計(jì)多樣化。

3）光伏器件與外墻窗、遮陽板及其它建筑構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)

光伏器件要與外墻窗或天窗相結(jié)合，只需做到該器件既能吸收光能后發(fā)電，又能透光即可;而與遮陽板結(jié)合，則可使光電板通過光控裝置隨陽光照射方向作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)就能做到既遮陽又發(fā)電了;光伏器件還可與小區(qū)內(nèi)景觀小品，如路燈、圍欄、涼亭等組合成一體化設(shè)計(jì)，白天吸收光能并轉(zhuǎn)換成電能予以儲存，夜晚釋放電能使路燈、彩燈、節(jié)日燈大放異彩。

4 結(jié)論

“太陽能與建筑一體化”是我國建筑節(jié)能及太陽能光能利用領(lǐng)域目前亟待突破的技術(shù)難題。在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮各種因素，做到與建筑物的完美結(jié)合。隨著第三代太陽能電池的發(fā)展，即有機(jī)物、生物太陽能電池的出現(xiàn)，太陽能光電將成為一個(gè)更貼近于人們的生活、綜合性非常強(qiáng)的交叉學(xué)科。

參考文獻(xiàn)：

[1]建設(shè)部召開《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布宣貫會(huì).陜西建筑，2005，119：52.

[2]莊劍英.建筑節(jié)能與節(jié)能建筑材料.建筑節(jié)能.2005（，7）：47-49.