基于光伏技術的太陽能建筑設計

張經緯

(河北工業大學建筑與藝術設計學院，天津300401)

基于光伏技術的太陽能建筑設計

張經緯

(河北工業大學建筑與藝術設計學院，天津300401)

闡述了太陽能光伏發電技術原理，針對光伏設備和建筑結合途徑進行了探討，總結建筑圍護結構與太陽能光伏發電系統有效結合的兩種形式，分析了其構成特點和產生的效益。

太陽能光伏技術;光伏屋頂;光伏幕墻;光伏遮陽

建筑節能是近年來建筑發展的基本趨勢，是通過“技術性思維”來改變傳統的設計觀念，在建筑中體現“技術美”的魅力，以高智能、低能耗、可循環性和自我調節性的設計理念創造了一個新的設計系統。節能技術的應用在很大程度上降低了對傳統能源的依賴，將新型能源開發放到了首要位置，這其中就包括太陽能光伏發電技術。太陽能在未來人類能源中具有最重要的戰略地位。到21世紀未可再生能源在能源結構中的比重達到86%，太陽能達到66%，其中太陽能發電達63%。太陽能光伏技術與建筑相結合，將建筑由單純電力消耗者變成能源的生產者。特別是并網技術的發展，使光伏建筑擺脫了蓄電池，實現了穩定不間斷供電。

1　光伏技術的應用

光伏(PV or photovoltaic)是太陽能光伏發電系統(photovoltaic power system)的簡稱。光轉變成電的光生伏特稱之為光伏。在光照條件下，通過利用硅等半導體材料所制成的太陽能電池，在材料兩端產生電動勢，這種現象叫做光伏效應。一個太陽能電池就是一個小型發電機。為了增大功率輸出，若干個太陽能電池連接起來，裝配成一大塊太陽能電池板，簡稱光伏板。它的優點是安全可靠，無污染排放，環保無公害，能源效率較高。要想提高發電效率，光伏板需要較大的受光面積以保證光照的充足，而建筑物具有表面積大的特點，因而將光伏發電技術與建筑有效結合－光伏建筑一體化，不僅不會占用額外的地面空間，而且還可以縮短供電距離，較少電能損耗，在城市發展建設中被廣泛使用。

2　光伏技術與建筑結合途徑

將光伏發電系統與建筑有機結合在一起，簡而言之就是在建筑圍護結構的外表面安裝光伏發電板來實現利用建筑空間的同時，有效利用建筑外表面、無需額外占地或者加建其他設施、節約裝飾材料、外觀更有魅力、緩解電力需求、降低夏季空調負荷、改善室內熱環境等［1］。一類是常用的形式，就是光伏發電方陣與建筑的結合，特別是將光伏發電方陣安裝在建筑屋面。另一類是光伏發電方陣與建筑材料的有效集成。如光電幕墻和光電采光頂等。光伏發電方陣與建筑材料的有效集成是光伏建筑一體化的高級形式之一，該組合方式對光伏發電組件有較高的要求。光伏發電組件要同時滿足光伏發電和建筑材料的基本功能兩項要求。

2．1光伏組件與建筑的結合

這種方式的光伏組件和建筑相互獨立，建筑構造作為設備固定的基礎面，用支架的方式架設或以其他構造方式鋪設在屋頂構造層之上［2］。這樣使得光伏組件與屋頂結構層完全隔離，各個部分功能相對獨立，因此這種模式的光伏屋頂從構造角度上而言比較簡單，同時也可以通過改變支架的角度來適應不同的屋面角度與屋頂形式。

整個系統由光伏板、光伏板與屋頂間的氣流流道、固定支架、空氣入口、空氣出口、負載部分，還帶有蓄電池、逆變器及有利于系統控制和調節的復雜裝置。系統安裝通常是在建筑屋頂上預埋固定件如螺栓，并以此來固定支架的位置。支架布置的自由度較大，光伏板可以通過調整傾斜角度、光伏構件之間的間距，光伏構件與建筑自身構件的位置以此避免陰影，達到最大效率的發電(見圖1)。氣流流道是整個系統不可缺少的，良好的空氣冷卻是保證光伏發電高效率的有效途徑。在安裝時需要在支架與屋頂之間隔離預留一定的距離，以保證良好的空氣流動，從而降低光伏組件的工作溫度。從圖2中可以看出光伏屋面冷負荷降低了60%左右。

2．2光伏組件與建筑的集成

1)光伏雙層幕墻

建筑幕墻是建筑物外圍護結構之一，是建筑室內與室外的屏障，其保溫性能的好壞，是整個建筑物節能與否的關鍵。光伏組件與建筑集成主要是在建筑圍護結構采用新型幕墻結構——光伏幕墻結構形式，該幕墻結構形式分為外層和內層兩部分，外層一般采用點支式、明框式或隱框式三種玻璃幕墻，內層則一般采用明框或隱框兩種玻璃幕墻，在內外兩層玻璃幕墻之間，放置多晶硅電池片。光伏玻璃幕墻的玻璃采用雙層鋼化玻璃合片制作而成，前后玻璃之間形成了空氣隔離層，對室內起到隔熱保溫的效果，多晶硅電池片有間隔地傾斜安裝在兩片玻璃之間，使其呈現呈百葉狀(見圖3)，玻璃的采光度由多晶硅電池片的排列間隙來控制［4］。百葉的傾斜角度需要考慮入射光線的方向、強度以及當地的緯度。光伏幕墻的節能效果以一座7 000 m2的四層辦公建筑為例，建筑的南立面為810 m2光伏玻璃幕墻，其中25%左右的面積配置了光伏電池，年發電量為35 000 kWh，滿足建筑5%左右的用電量。

2)光伏遮陽構件

在建筑上需要遮陽的地方一定是受陽光照射最強烈的部位，也是太陽能光伏構件安裝的合適位置。將光伏構件用于遮陽系統將很好的發揮遮陽、發電兩方面的作用。光伏遮陽系統通常用于建筑外遮陽，因為外遮陽吸收太陽輻射較為充分，可以產生更多的電能，同時利用室外空氣可以對光伏構件進行冷卻，提高光伏構件的發電效率。水平遮陽系統把光伏電池板放置在遮陽板之上，垂直遮陽系統做成豎向光伏構件。圖4建筑使用半透明光伏板作為豎向遮陽板，這種光伏板通常由兩層高透明的玻璃將光伏電池鑲嵌在兩層玻璃之間，電池之間用透明的樹脂填充，這種結構的光伏板可以讓自然光線通過電池空隙進入室內，達到自然采光的目的。

部分電池也能夠吸收太陽輻照降低窗戶的得熱。以周長為200 m，25層建筑為例，每層合理設置水平、豎直光伏遮陽板，遮陽板面積之和可達屋面面積7～9倍，發電效率較高。

3　光伏技術與建筑結合節能減排效果分析

對已竣工建設項目進行節能效果評估所采用的指標有EPT(Energy Payback Time能量回收期)和CO2減排量。EPT是指光伏發電設備在使用年限內所消耗的能量與該系統的年平均能量輸出的比值(單位:a)，也就是光伏發電設備在幾年內能補償本身消耗的能量。使用EPT作為評價指標時，按照目前光伏發電系統的平均使用年限為30 a計算，屋面太陽能光伏發電系統能量回收期為19～40個月，光伏幕墻能量回收期為32～56個月;在減排方面，1 kW光伏幕墻系統在其壽命周期內能夠降低23．5 t二氧化碳排放量，而屋面光伏發電系統減少了40 t二氧化碳排放量［5］。以上數據說明光伏技術在建筑中的應用達到了節能減排的要求。

4　結論

光伏技術在建筑中的應用探討，為建筑節能設計的發展提供了參考依據。這兩者的結合不僅達到了節能要求，還為建筑的室內外創造了獨特設計效果。隨著光伏技術的發展，其能量回收期會逐漸縮短，減排量也會增加，在建筑中的應用更加廣泛。

［1］張彧，李小燕．德國太陽能光伏建筑的發展及應用［J］．世界建筑，2010(10):128-131．

［2］鄭存耀．太陽能利用技術與屋頂設計一體化應用研究［D］．天津:河北工業大學，2007．

［3］楊洪興，周偉．太陽能建筑一體化技術與應用［M］．北京:中國建筑工業出版社，2008．

［4］何韶瑤，初祎君，李水生，等．太陽能光伏玻璃幕墻技術研究及應用實踐－以長沙中建大廈為例［J］．建筑學報，2009(02):102-103．

［5］IEA PVPS Programme．Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electricity in OECD Cities［OB/EL］．http://www．iea-pvps．org，2006-05-20．

Solar Energy Building Based on Solar Photovoltaic Technology

ZHANG Jing-wei

(School of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

The paper describes the principle of solar photovoltaic technology，discusses the way of photovoltaic equipment and building integration，summarizes an effective combination summary of building structure and solar photovoltaic system，and analyzes its features and benefits．

solar photovoltaic technology;photovoltaic roof;photovoltaic wall;photovoltaic sun-shade

TU18

A

1008-9446(2015)01-0054-04

2014-10-09

張經緯(1992－)，男，河北灤南人，河北工業大學建筑與藝術設計學院建筑學111班學生，主要從事建筑學方面的研究工作。