光伏建筑一體化相關(guān)問題的探討

迭勇

［陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710018］

0 引言

我國(guó)現(xiàn)在提倡節(jié)能減耗，我國(guó)耗能最為嚴(yán)重的有三項(xiàng)，分別是建筑、工業(yè)、交通。其中最為嚴(yán)重的一項(xiàng)便是建筑耗能，我國(guó)大部分的建筑都屬于耗能建筑，需要消耗大量的能源，耗能甚至比其他行業(yè)還要高上許多，2018年中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗統(tǒng)計(jì)專委會(huì)在上海發(fā)布了《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2018年）》指明，2016年間，中國(guó)建筑能源消費(fèi)總量為8.99 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20.6%。因此我國(guó)想要實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的節(jié)能減耗，就需要從建筑物的整體方面著手進(jìn)行節(jié)能，才能夠從根本上減少我國(guó)建筑行業(yè)的能源消耗。而在90年代，我國(guó)誕生了光伏建筑一體化的新型節(jié)能減耗概念，其主要利用原理是將光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，利用太陽(yáng)能來(lái)持續(xù)發(fā)電，能夠減少能源消耗，給建筑整體供電[1]。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)要簡(jiǎn)單一點(diǎn)，主要是因?yàn)樗w操作并沒有那么復(fù)雜，它主要是建立在一般的建筑屋頂以及外墻面上。根據(jù)我國(guó)頒發(fā)的最新文件當(dāng)中指出，太陽(yáng)能資源的利用可以適用到每一個(gè)城市當(dāng)中，它可以開展光伏屋頂，利用日照光、陽(yáng)光，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。光伏建筑一體化是一種新研發(fā)的技術(shù)，其存在一定的優(yōu)勢(shì)，可以為我國(guó)節(jié)能減耗這一目標(biāo)提供幫助，盡可能的減少對(duì)自然環(huán)境的污染[2]。

1 光伏與建筑結(jié)合的方式

光伏如何能與建筑之間結(jié)合的最為恰當(dāng)，這是國(guó)內(nèi)研究人員與國(guó)外研究人員需要共同研究的一部分。而在國(guó)外研究人員對(duì)于光伏建筑一體化的研究結(jié)果表明光伏與建筑的結(jié)合主要有以下兩種形式。①建筑物與光伏系統(tǒng)結(jié)合，或稱為光伏附著設(shè)計(jì)（BAPV）。②建筑與光伏組件結(jié)合，或稱為光伏和建筑的一體化集成設(shè)計(jì)（BIPV）。就是指把組裝好的光伏組件密封好，然后安裝在建筑物的屋頂上減少面積上的占用。光伏建筑一體化安裝的成本以及需求沒有嚴(yán)格的要求，并且能有效的降低光伏發(fā)電的成本，所以可以推廣這一項(xiàng)技術(shù)，使其得到更加廣泛的應(yīng)用。并且光伏組件可以代替部分建筑材料，從而能夠節(jié)省一部分建筑材料的成本，由此看來(lái)，光伏更加有推廣的意義。而國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)這一方面的研究還沒有得出統(tǒng)一的結(jié)果，對(duì)光伏與建筑結(jié)合的形式認(rèn)為是各種各樣的，并沒有能夠很好的統(tǒng)一到一起[3]。目前光伏陣列與建筑物相結(jié)合的方式有很多，為了能選擇出最合適一種類型，就需要在光伏與建筑結(jié)合的實(shí)際操作過(guò)程中不斷實(shí)踐的同時(shí)，需要進(jìn)行記錄與收集大量的數(shù)據(jù)作為支撐，以給研究人員提供參考。各個(gè)工程項(xiàng)目之間存在著一定的區(qū)別，但是要具體區(qū)分它所屬的類型還有一定困難，尤其是構(gòu)建式和支架式的類型很相像。還有例如遮陽(yáng)構(gòu)件、雨蓬構(gòu)件等，都是安裝在支撐結(jié)構(gòu)上面的，而是否將其定義為支架，目前還存在著不同的意見。從電池板的生產(chǎn)難度、發(fā)電效率以及安裝技術(shù)難度而言，構(gòu)件式與支架式光伏一體化技術(shù)差別不明顯，但是這兩種形式和建材式有著明確的區(qū)分，僅從光伏產(chǎn)品的加工過(guò)程就能明確地進(jìn)行區(qū)分。因此，將光伏和建筑結(jié)合分為建材式和非建材式，就能明確的反映光伏和建筑結(jié)合的一體化程度。我國(guó)目前常用的光伏和建筑結(jié)合的方式是構(gòu)建式和支架式，但是所使用的建筑材料有一定的差異，特別是在光伏產(chǎn)品加工的過(guò)程中就能夠清晰的區(qū)別。因此在設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮到多方面的因素，尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物之間應(yīng)該怎樣的結(jié)合才最為合適。例如：太陽(yáng)能電池組件與傳統(tǒng)的屋頂之間材料是否能夠更好地結(jié)合在一起，如何才能使光伏組件成為光伏建筑一體化當(dāng)中的一部分。設(shè)計(jì)師必須得結(jié)合多方面的情況下，既能保證建筑物整體的美觀，又能夠使光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能發(fā)揮到最大作用，讓建筑物與光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠更好的結(jié)合到一起[4]。非建材式的光伏建筑一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是它不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的建筑物的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動(dòng)，整體操作安裝起來(lái)會(huì)較為簡(jiǎn)便，它的操作過(guò)程只需要在建筑物的表面進(jìn)行金屬支架的安裝，然后再將光伏組件固定到金屬支架上就能夠起到固定性，這樣的操作方法還能使光伏組件陣列以及固定安裝連接件能夠穩(wěn)穩(wěn)的固定在建筑屋頂或側(cè)墻上，唯一的缺陷就是它會(huì)對(duì)建筑物的整體美觀起到一定的影響以及對(duì)建筑的屋頂和外墻造成損壞。光伏建筑一體化系統(tǒng)在市場(chǎng)當(dāng)中主要是以非建材式的形式出現(xiàn)，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和時(shí)代的變遷，光伏建筑一體化系統(tǒng)的使用會(huì)逐漸增加。

2 光伏電池的選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要核心便是太陽(yáng)能電池，因此太陽(yáng)能電池的整體性能和特點(diǎn)是非常重要的，它能夠?qū)夥ㄖ惑w化起到一定的作用。特別是光伏建筑一體化在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的整體安全有著直接影響。所以在進(jìn)行光伏建筑一體化設(shè)計(jì)以及施工前，要進(jìn)行太陽(yáng)能光伏電池的選擇，而選擇的過(guò)程中需要考慮到多方面的問題[5]。而目前光伏建筑一體化當(dāng)中使用的太陽(yáng)能光伏電池主要是硅基電池，另外一種常用的電池是晶硅類電池。而太陽(yáng)能電池主要分為三大類，晶體硅電池、非晶體硅電池和砷化鎵、砷化鎘等其他薄膜電池。每一種電池之間的價(jià)格使用性能和壽命都有著明顯的差異，但各有優(yōu)勢(shì)。晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率相對(duì)要好一點(diǎn)，但是所使用的成本也要高一點(diǎn)，相應(yīng)的所使用的壽命也比另外兩種要好得多，三者比較之下晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)相比其他兩種更為成熟。非晶硅電池發(fā)電效率相對(duì)來(lái)說(shuō)要弱一點(diǎn)，但是所使用的成本消耗不高，三種電池當(dāng)中所消耗成本最低的一種，但是相應(yīng)的壽命也會(huì)有一些短。但是受不同外界環(huán)境因素的影響下，非晶硅電池的耐受性相對(duì)要高一點(diǎn)，尤其是在外界環(huán)境溫度急劇升高的情況下，電池整體溫度也會(huì)有所升高，而輻射照度不高的時(shí)候，發(fā)電性能還是強(qiáng)于晶體硅電池。尤其是在使用同等功率電池發(fā)電的時(shí)候，晶體硅電池的電儲(chǔ)存量就顯得不足。而非晶硅電池的優(yōu)勢(shì)是，它在輻射條件差的情況下也能夠更好的使用，并且這款電池還可以很好的節(jié)能減耗。從多種方面考量之下成本少而又能夠有可靠穩(wěn)定的發(fā)電性能，這樣的太陽(yáng)能電池會(huì)更受到未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展的歡迎。而另外一種砷化鎵、砷化鎘等其他薄膜電池不受市場(chǎng)的歡迎的原因是，因?yàn)樗褂闷饋?lái)效率不是最好的，壽命也不是最長(zhǎng)的，成本還是最高的，折舊率也高。唯一的優(yōu)勢(shì)便是整體的質(zhì)量輕、厚度薄、外表光滑。根據(jù)這三種電池的性能來(lái)選擇最為合適光伏建筑一體化所使用的電池，光伏建筑一體化又需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)選擇最為合適的電池類型。尤其是優(yōu)先要選擇性能比較穩(wěn)定，壽命比較長(zhǎng)，能夠有效控制整體性能最佳的電池。而不同的建筑物所使用的電池類型也會(huì)有所差異，例如：光伏幕墻宜選用非晶硅薄膜電池，就是因?yàn)樵谒募静煌Ｗ兓倪^(guò)程中，會(huì)受到自然環(huán)境因素影響，而光伏幕墻可以起到遮擋的作用，在夏季可以防止建筑物過(guò)熱，而在冬季又能夠利用傳統(tǒng)的太陽(yáng)能進(jìn)行吸熱平衡溫度。考慮到這些因素，非晶硅太陽(yáng)能電池在光伏建筑一體化當(dāng)中必然會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，這也是為了能夠適應(yīng)未來(lái)建筑行業(yè)的發(fā)展需求。而砷化鎵、砷化鎘等其他薄膜電池主要的優(yōu)勢(shì)是它用的材料少，質(zhì)量輕，外表光滑，在安裝方面操作起來(lái)相對(duì)要簡(jiǎn)單，并且還可以進(jìn)行彎曲，更適合于安裝在建筑構(gòu)件的表面上，但它的缺陷是成本較高，整體使用壽命不長(zhǎng)，考慮到非晶硅太陽(yáng)能電池的各方面特點(diǎn)后，在光伏建筑一體化當(dāng)中一般都不會(huì)采用這種電池。對(duì)比完所有的類型的電池的優(yōu)缺點(diǎn)之后，需要注意的是，不同的電池的特性會(huì)有著怎樣的影響。例如：晶體硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。兩者之間除了成本有著極大的差異以外，對(duì)自然環(huán)境當(dāng)中溫度造成的影響也有不同程度的表現(xiàn)。相對(duì)比之下晶體硅太陽(yáng)能電池比較容易受到溫度的影響，會(huì)導(dǎo)致整體的發(fā)電效率達(dá)不到正常水準(zhǔn)，而非晶硅光伏電池就不會(huì)受到溫度太多的影響，它的發(fā)電效率還是能夠保持相對(duì)正常。在選擇不同的太陽(yáng)能電池時(shí)，對(duì)整體的通風(fēng)設(shè)計(jì)方面也會(huì)有著差異，比如在選擇晶體硅太陽(yáng)能電池時(shí)，它的通風(fēng)設(shè)計(jì)需要考慮到溫度因素的影響，避免太陽(yáng)能電池溫度過(guò)高影響到發(fā)電效率。另一方面是需要考慮到晶體硅太陽(yáng)能電池與建筑物相結(jié)合后，可能會(huì)受到遮擋物的遮擋，而遮擋后無(wú)法更好的進(jìn)行正常工作，對(duì)整體的發(fā)電量有著較為嚴(yán)重的影響，而相比較之下，非晶硅太陽(yáng)能電池就不會(huì)受到太多影響，哪怕它被遮擋了部分面積，也不會(huì)對(duì)功率損失有多大影響。如果在建筑物當(dāng)中常常會(huì)存在遮擋物的出現(xiàn)，那么光伏建筑一體化就應(yīng)該首選非晶硅電池。

3 光伏建筑一體化性能的耗能以及成本

光伏建筑一體化系統(tǒng)的所有成本包含的內(nèi)容較為廣泛，安裝以及使用過(guò)程中都需要進(jìn)行定期的維修與保養(yǎng)，這都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的費(fèi)用。所以要對(duì)費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，估算出整體成本。而光伏建筑一體化系統(tǒng)當(dāng)中消耗的能源主要來(lái)源是光伏組件以及光伏系統(tǒng)的配件生產(chǎn)，會(huì)產(chǎn)生一定的能源消耗。

光伏組件的能源消耗以及成本如下。

在我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)條件下，太陽(yáng)能電池制作時(shí)會(huì)使用到大量的硅，每個(gè)硅片制成太陽(yáng)能電池都會(huì)有一定的消耗，并且會(huì)產(chǎn)生固定的電功率。根據(jù)過(guò)往實(shí)際使用的情況，數(shù)據(jù)進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)之后得出光伏組件的耗能以及生命周期相結(jié)合來(lái)看得出結(jié)論，產(chǎn)能大于耗能。盡管我國(guó)在這一方面一直持續(xù)不斷的研究，對(duì)生產(chǎn)成本也進(jìn)行了控制，減少了一定的消耗，但是隨著經(jīng)濟(jì)下行因素的來(lái)臨，整體的光伏市場(chǎng)受到了急劇的影響。根據(jù)研究學(xué)家進(jìn)行研究之后表明，光伏建筑一體化系統(tǒng)的光伏發(fā)電成本會(huì)大幅度的降低費(fèi)用，在未來(lái)，光伏發(fā)電的成本會(huì)與光伏建筑一體化運(yùn)行以及維保成本兩者之間達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。不過(guò)還是有許多不可控的因素存在，所以也沒有辦法能夠直接的確定光伏建筑一體化未來(lái)的發(fā)展前景。

4 光伏建筑一體化系統(tǒng)與常規(guī)的光伏電站之間存在的差別

下文主要圍繞光伏建筑一體化系統(tǒng)與常規(guī)的光伏電站之間的差別，舉出幾點(diǎn)例子以供參考。

（1）光伏建筑一體化系統(tǒng)減少了面積的使用以及建筑的一些基本費(fèi)用。尤其是建筑物使用建材式的光伏模塊代替了建筑材料的使用，這樣就從成本上減少了一些資源的浪費(fèi)，并且也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減耗。

（2）在建筑物當(dāng)中必不可少的便是電力輸送這一方面，而有些輸電線路長(zhǎng)期使用必然會(huì)造成一些損害，而光伏建筑一體化系統(tǒng)便能夠減少電力輸送損害，這樣一來(lái)也就降低了相應(yīng)的成本，也減少了一些設(shè)備的使用。

（3）光伏建筑一體化也并不全是優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榘惭b時(shí)會(huì)增加一定的安裝費(fèi)以及維修和保養(yǎng)的費(fèi)用，這些費(fèi)用都是沒有辦法具體估計(jì)的。

5 光伏建筑一體化的缺點(diǎn)

光伏建筑一體化存在的缺點(diǎn)主要是光伏建筑所需的成本消耗較高，另一缺點(diǎn)是我國(guó)對(duì)光伏建筑一體化的相關(guān)政策以及補(bǔ)貼還不夠完善。還有一重要因素是，我國(guó)與外國(guó)的科技創(chuàng)新相比之下還處于落后的階段，盡管我國(guó)已經(jīng)對(duì)光伏建筑一體化重視起來(lái)，也加大了更多資金的投入，但是并沒有能夠完全掌握光伏建筑一體化的先進(jìn)核心技術(shù)，這導(dǎo)致我國(guó)的光伏建筑在發(fā)展過(guò)程中，還需要依靠著國(guó)外的技術(shù)。而光伏建筑一體化的發(fā)電系統(tǒng)的初始投資以及總體運(yùn)行所消耗的費(fèi)用較大，最初開始投資時(shí)需要對(duì)光伏系統(tǒng)所使用的相關(guān)費(fèi)用包括范圍甚廣，其中包括了定期維護(hù)與修理費(fèi)用。為了使光伏建筑一體化實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，就必須要對(duì)光伏的相關(guān)費(fèi)用進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)光伏與建筑的一體化發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)的光伏建筑一體化發(fā)展較晚，所以需要借鑒國(guó)外光伏建筑一體化的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況來(lái)制定出更符合我國(guó)的光伏建筑一體化系統(tǒng)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也對(duì)各方面重視起來(lái)，尤其是光伏建筑一體化的發(fā)展，我國(guó)政府部門出臺(tái)了許多相關(guān)的政策條例和投入了大量的資金。在未來(lái)，光伏建筑一體化將會(huì)得到更好的發(fā)展。