太陽能光伏技術在建筑一體化設計中的應用研究

侯創(chuàng)++歐陽達++竇海林

摘? 要：目前，隨著現(xiàn)代技術的日益發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題越來越突出。太陽能新能源作為一種潔凈、可再生能源已在多個國家應用于推廣。工程實踐中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用可以緩解能源危機、減少環(huán)境污染及溫室效應，其應用的規(guī)模和范圍也在日益發(fā)展與擴大，已成為當今世界新能源發(fā)電領域的研究熱點。

關鍵詞：太陽能;建筑;設計;應用

一、太陽能利用技術方法與優(yōu)點

工程實踐表明，光伏發(fā)電技術是一種技術可靠、使用便捷、低碳環(huán)保，易于大規(guī)模生產(chǎn)利用的先進可再生能源技術，其優(yōu)點如下： （1）太陽能資源是一種取之不盡、用之不竭的潔凈的可再生能源。開發(fā)利用時不消耗傳統(tǒng)化石燃料能源，不會排放產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣等污染物，是自然能源中較為理想的清潔能源。 （2）太陽能利用不受地域條件的限制。任何有太陽的地域均可就地開發(fā)利用。不存在選址、運輸?shù)葐栴}，特別是在交通不便利、偏遠的鄉(xiāng)村、海島，太陽能能利用價值更高。（3）太陽能可靠性高、維護簡單。光電板、逆變器、蓄電池等設備分布安裝，提高了整個能源系統(tǒng)的安全性、可靠性及耐久性。即使在惡劣的使用環(huán)境下，光伏發(fā)電系統(tǒng)故障也較少，因此運行維護成本較低。（4）光伏建筑集成由于占地面積小、安裝便利、供電可靠等原因，是目前國際上太陽能研究發(fā)展的前沿。

二、太陽能光伏系統(tǒng)建筑一體化利用方式與優(yōu)勢

（一）太陽能光伏系統(tǒng)建筑一體化利用方式。“光伏發(fā)電與建筑物一體化”的概念在1991 年正式提出，是目前世界上大規(guī)模利用光伏發(fā)電的研發(fā)熱點。太陽能光伏與建筑物相結(jié)合主要有兩種形式：一種是在建筑物屋頂、立面安裝平板光伏器、光伏陣列與電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電，從而形成用戶聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)。第二種形式是將光伏器件與建筑實現(xiàn)集成一體化，即在建筑物屋頂或立面安裝光伏發(fā)電電池板，用光伏發(fā)電的玻璃幕墻代替普通的玻璃幕墻，由屋頂和墻面的光伏器件直接吸收轉(zhuǎn)化太陽能，太陽能系統(tǒng)平板既可以做建材又可以發(fā)電，進一步降低光伏發(fā)電的成本。目前，許多國家已研制出大尺度的彩色光伏模塊可替代昂貴的墻體外飾材料，使光伏發(fā)電與建筑物一體化成本進一步降低。

建筑物與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的進一步有機結(jié)合是將太陽能電池板與建筑頂面、立面材料集成一體化。建筑物建設使用過程中，建筑立面墻體結(jié)構(gòu)表面通常采用噴涂涂料、鋪貼瓷磚、安裝幕墻玻璃等。如果用太陽能電池板替代建筑立面墻體及屋頂建筑材料，太陽能電池板既可作為建筑裝飾材料，也可以用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。由此可見，實現(xiàn)太陽能電池板與建筑的有機一體化結(jié)合，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化推廣與應用的一個關鍵問題，這種結(jié)合并非是建筑與太陽能電池板簡單“疊加”，而是在建筑與光伏系統(tǒng)設計方案階段將太陽能電池板納入建筑設計構(gòu)思中。

太陽能電池板用于建筑材料，必須具備建筑材料的基本要求，如堅固耐久、防水防潮、保溫隔熱、隔音等以及適當?shù)膹姸群蛣偠鹊刃阅堋Ｈ舭惭b在屋頂、窗戶等，還應具有透光的性能。太陽能光伏系統(tǒng)建筑有機結(jié)合，根據(jù)建筑工程使用及工況的需要，與普通的平板式光伏系統(tǒng)組件不同，太陽能電池板兼有發(fā)電與建筑裝飾材料的功能，必須滿足建筑材料的基本性能需要。應該遵循以下原則：①建筑物設計完成后使太陽能電池板成為建筑不可缺少的一部分，成為建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)成部分。②太陽能電池板的顏色和肌理必須與建筑物的相關部分相和諧統(tǒng)一，與建筑物的整體風格相結(jié)合。③太陽能電池板的比例和尺度必須與建筑整體的比例與尺度相協(xié)調(diào)，這將決定太陽能電池板的分格尺寸與形式。④太陽能電池板屋頂具體的細部設計，如材料用量是否最小化、設計細節(jié)是否和諧、有機等需統(tǒng)一考慮。

（二）太陽能光伏系統(tǒng)建筑一體化優(yōu)勢。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化的方式各不相同，這取決于地理、文化及政府政策等。在國外，由于公共建筑的建造與設計程序嚴格，太陽能電池板系統(tǒng)在個人住宅與公寓建筑使用的較為普遍。而在我國，特別是城市建筑，由于建筑開發(fā)是商家或政府性行為，因此是否采用太陽能電池板系統(tǒng)完全取決于開發(fā)商或政府。在我國，日照充足的地區(qū)無論公共建筑還是住宅屋頂和墻面使用太陽能電池板系統(tǒng)的市場潛力十分巨大，從建筑結(jié)構(gòu)、技術利用和經(jīng)濟效益來分析，太陽能電池板與建筑的一體化優(yōu)勢如下：

（1）節(jié)約用地，便于安裝 ，保護環(huán)境。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝于建筑物的屋頂或外立面墻體上，無需額外占用土地或增建其他建筑設施，適用于人口比較密集的建筑群、辦公區(qū)使用，尤其適用于土地昂貴的城市。由于太陽能電池板的組件集成化，光伏設備安裝比較方便，而且可以根據(jù)負載的耗電量來選擇裝機容量。與此同時，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設備安裝在建筑物的屋頂或立面墻體結(jié)構(gòu)上，太陽能轉(zhuǎn)換為電能可降低建筑物臨近室外區(qū)域的溫度，從而達到減少室內(nèi)空調(diào)制冷用電負荷，既節(jié)約了能源，又保證了室內(nèi)的空氣質(zhì)量，同時也避免了由于使用傳統(tǒng)化石能源燃料發(fā)電所導致的環(huán)境污染。（2）減少投資，保證供應，實現(xiàn)安全用電。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝不受地域條件限制，可實現(xiàn)就地發(fā)電用電，因此可以大幅度減少電站及輸送電網(wǎng)的建設投資。建筑物實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)一體化，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力既可供給本建筑物使用，也可儲存于蓄電池或外送入電網(wǎng)。在自然條件差，負載可由蓄電池供電;在自然條件差較好，通常會出現(xiàn)電網(wǎng)用電高峰，以往需采取拉閘限電措施，但此時也正是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最多的時候。建筑一體化太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)除可保證建筑物負載用電外，還可以向外電網(wǎng)供電，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成特性可以節(jié)約儲存電力的費用，另外用電安全性能也得到提高，從而緩解夏季電力高峰需求壓力，從而徹底解決電量不夠的問題。 （3）增效規(guī)模，降低成本。建筑一體化太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)面板代替建筑屋頂或立面墻面，可以節(jié)約大量的建筑成本。另外，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)面板在建筑用電地點發(fā)電，避免傳輸和分電損失（5%～10%），降低了電力傳輸、分配投資和維修費用。在建筑屋頂或立面結(jié)構(gòu)上安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)設備，用太陽能電池板代替部分建筑材料，可以促進太陽能電池板工廠化規(guī)模生產(chǎn)，從而能進一步降低工程造價，有利于太陽能發(fā)電系統(tǒng)光伏產(chǎn)品的推廣與應用，市場潛力巨大。

三、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化設計原則

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化的設計原則要求，運營系統(tǒng)既要保證建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)的長期運行可靠，又要充分滿足用電設備的需要，使系統(tǒng)的配置實現(xiàn)合理、經(jīng)濟。工程建設與投產(chǎn)中使用盡量少的太陽能光伏系統(tǒng)組件，使太陽能光伏發(fā)電組件與建筑物有機合為一體，替代部分建筑材料，如屋面與立面墻體裝飾材料，達到建筑節(jié)能的效果。協(xié)調(diào)光伏系統(tǒng)與建筑成本之間的關系，在滿足正常需要，保證系統(tǒng)、建筑質(zhì)量的前提下盡可能的節(jié)約建筑與安裝成本投資，達到投入與產(chǎn)出最好的經(jīng)濟效益。

結(jié) 語：近年來，隨著美國、西班牙、德國等發(fā)達國家對本國光伏產(chǎn)業(yè)的政策優(yōu)惠及扶持，全球光伏發(fā)電應用已進入快速增長的階段。我國光伏產(chǎn)業(yè)近幾年來持續(xù)發(fā)展，但是同發(fā)達國家相比還是存在很大差距，光伏發(fā)電應用市場發(fā)展較為緩慢，安裝量較少，隨著我國工業(yè)與信息化部2012年2月頒布的《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，我國的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用及推廣將會有較大的發(fā)展。

隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化進程和技術開發(fā)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化生態(tài)節(jié)能工程，其發(fā)展前景廣闊，市場潛力巨大，其效率、性價比隨著太陽能光伏技術日益發(fā)展將進一步得到提高，也將極大地推動中國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑一體化的快速發(fā)展。

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