光伏建筑一體化技術應用研究

張馬斌

根據相關數據顯示，中國碳排放總量之中，建筑碳排放占比超過一半，建筑運營階段的碳排放量占比高達22%，說明建筑業已經成為實現零碳目標的最大阻力[1]。為了控制碳排放，光伏發電技術被廣泛地應用于綠色建筑。

光伏建筑一體化（BIPV）是指將太陽能光伏技術與建筑技術相結合，在建筑外墻或房頂上安裝光伏組件，使建筑能夠充分利用太陽能來發電，從而滿足居住者的用電需求[2]。BIPV具有安全可靠、低碳環保的特性，是當前最符合綠色建筑發展趨勢的技術模式。BIPV 的光伏系統以其技術成熟和價格低廉的優點，尤其適用于綠色建筑。系統中的光伏組件除了能夠產生電力外，還具有其他功能，如隔熱、抗氣候和遮蔽等。采用BIPV 技術可以有效降低混凝土和鋼材等建材的用量，間接降低建筑碳排放量。

在建筑中應用BIPV 技術，既能滿足自身的電力需求，又能產生額外的能源收益，對建筑物自身以及環境的可持續發展都具有重要意義。

綜上，BIPV具有廣泛的應用前景，由于此技術是一種新技術，發展時間較短，缺乏設計和安裝經驗，而且在應用過程中存在不足。因此，需要探索一種完善且合理的BIPV 技術，并將其推廣到其他領域，是推動我國建筑行業綠色發展的重要途徑。

1 光伏建筑一體化的概念及光伏組件的分類

1.1 光伏建筑一體化的概念

光伏建筑一體化是一種基于整體思想的新建筑節能技術，它將太陽能光伏產品融入建筑，并與建筑同時設計、建造和安裝[3]。在實際應用過程中，光伏產品可以與建筑的照明和遮陽設計有機結合，從而發揮更大的作用。此技術是一種更加先進的綠色技術，也是未來分布式光伏發電技術的主要發展方向，對于加快我國“雙碳”戰略的實施具有重要意義。

BIPV 系統主要包括光伏組件模塊、充放電控制器、儲能系統、交流逆變電源、線路保護系統以及后備電源等6 個模塊[4]。在設計BIPV 系統時，需要從全壽命周期的成本出發，合理選擇和配置核心部件，同時兼顧建筑的用途、朝向、用電負荷和安全標準等要求，使居住者能夠切實感受到綠色建筑的科技感和舒適感。

1.2 光伏組件的安裝方式

1.2.1 光伏采光頂

在BIPV 技術的應用中，太陽能采光頂一般設置在屋頂。相較于其他常規的建材，光伏采光頂具有透光性好和節能效果好的優點。它應用了光電發電技術，能夠將收集的光能轉化為電能，從而實現太陽能的高效利用。太陽能采光頂由雙玻太陽能電池板和其他設備構成。當將其應用于實際項目時，要合理設計節點，并選用透光性好的光電模塊，還要在安裝過程中使用有機硅密封粘接劑，控制施工質量，以確保設備的安全性。

1.2.2 光伏幕墻

從結構上來講，光伏幕墻的建造方法和傳統玻璃幕墻相同。將光伏發電技術與幕墻技術相結合的光伏幕墻，通過光伏組件驅動將太陽能轉換為電能，從而達到節能降耗的目的。與其他建材相比，光伏幕墻最大的優點是環保性能好，對周圍環境產生的不良影響較小，同時還可以起到通風的作用。光伏幕墻作為一種新型的光伏建筑集成方式，不僅可以就地發電，降低電能傳輸過程中的成本及能源消耗，還能為電網提供電力，減輕峰值電力負荷，緩解電網峰谷供需矛盾。

2 光伏建筑一體化的應用要求

2.1 合理選擇光伏組件

在BIPV 的應用過程中，應充分利用光伏發電技術，將具有節能和透光等多種特性的材料與建筑的不同部位有機結合起來，從而達到節能減排的目的。要想在城鎮住宅中最大限度發揮BIPV 技術的應用價值，要明確該技術在住宅中的應用要求，并進行合理的設備選型。這樣不僅能夠滿足城鎮住宅的發電需求，而且能夠確保建筑材料的實用性。

建筑師在使用太陽能采光頂棚和光伏幕墻等光伏組件時，除了要充分利用太陽能資源，還要分析光伏組件的性能，以便實現預先設定的目標。一些光電模塊能夠快速將光能轉換為電能，而且不受外部環境的干擾，實現高效發電。目前，部分太陽能電池板的轉換過程較慢，其對太陽光的吸收能力不強，轉化的能量較少。因此，建筑設計師要對光電模塊進行細致的性能分析，從現實出發，確保光電模塊與居住環境相匹配，從而達到節能降耗的目的。

太陽能建筑集成模塊與普通的平板太陽能電池模塊有很大的區別。光伏與建筑的集成對光伏模塊提出了更高的要求，既要將太陽能轉換為電能，又要滿足住宅的綠色、低碳和節能等要求，還要具備保暖、防水和裝飾功能。此外，BIPV 對太陽能電池板的強度和硬度等提出了更高要求。更高的強度和硬度能夠降低建設過程中對光伏部件的損傷，從而避免資源浪費，保證建材的高效利用，使建筑符合新時期的綠色發展理念。

光伏發電與一般的發電方式有很大的區別，它以太陽能為能源，利用光電模塊將采集到的太陽能轉換為電能，為住宅供電。光伏模塊與建筑的集成，會受到多種因素的影響。隨著太陽能電池技術的不斷升級和更新，太陽能電池模塊的種類逐漸增加。因為每個住宅小區的地理位置不同，所以太陽光的照射范圍有差異。針對這一情況，建筑設計師必須根據不同地區的實際情況和地域特點，因地制宜地使用太陽能電池模塊，從而達到理想的發電效果。

2.2 合理布置光伏方陣

將BIPV技術應用于城鎮住宅時，應結合住宅的實際狀況布置光伏陣列，具體為：

1）由于城鎮住宅的空間功能相對固定，因此建筑設計師需根據實際情況，圍繞節能和低耗等需求，結合光伏組件特點，合理布局光伏陣列。

2）建筑設計師在布局光伏陣列時，要將太陽照射方向和住宅方位等因素結合起來，保證光伏陣列的有效利用。

3 主要技術問題和解決方案

光伏與建筑融合的優勢，使BIPV在城市中得到了廣泛的應用。但是，若要在城市中大規模推廣該技術，則需要解決若干關鍵技術難題。如對發電功率影響較大的是太陽能電池模塊散熱問題和遮擋問題。目前，業界對太陽能光伏發電功率的影響因素已經展開了較為深入的研究。

3.1 散熱問題及解決方案

太陽能電池板只能吸收大約20%的太陽輻射，其中絕大部分被轉化為熱能，導致電池溫升過快，嚴重時會引起電池過熱損傷。針對這一問題，有研究者提出了光伏光熱建筑一體 化（Building Integrated Photovoltaic/Thermal，BIPV/T）系統[5]。

BIPV/T 系統是基于BIPV 系統的一種新型蓄能系統，它不僅能吸收太陽能電池板的余熱，而且能有效提高電池的使用壽命，還能提升其發電效率和熱效率。此外，該系統還能將太陽能轉化成熱能，在冬季為建筑供暖，從而降低建筑的熱負荷，提高建筑的居住環境質量。BIPV/T 系統分為風冷型BIPV/T 系統和水冷型BIPV/T 系統兩類。

風冷型BIPV/T 系統在運行時，是采用自然對流或者風機吹風的方式進行強迫對流，以達到降溫的目的，進而可以提升系統的光電轉化效率，該系統造價低廉，結構簡單。研究結果表明，當空氣流速由0.008 kg/s 提高到0.016 kg/s 時，太陽能電池板的光熱轉換效率由13.50%高至22.75%。比較自然通風條件下不同風道間距和風口間距對太陽能電池板表面溫度的影響，當太陽能電池板采用通風道結構并在屋面間設置通風道，其表面溫度下降約20 ℃，發電效率增加約8%。

采用自然通風的制冷設備成本較低，但當環境溫度超過20 ℃時制冷效率急劇下降。在這種情況下，水冷型設備更具優勢。水冷型BIPV/T 系統通過在太陽能電池板下方設置的流道中引入低溫水，來降低系統溫度，保證設備的安全穩定運行。與風冷型BIPV/T 系統相比，水冷型BIPV/T 系統的綜合性能更好，可獲更多熱能。

BIPV/T 的工作性能受到外部和內部2 個方面的因素影響：外部因素包括輻射照度、環境溫度和空氣流速等。內在因素包括太陽能集熱器的太陽能覆蓋率、空氣空腔厚度與集熱器長寬比等結構參數。在水冷型BIPV/T 系統中，管間距與管徑之比和肋板厚度等參數也是影響BIPV/T 裝置性能的內在因素。雖然外部因素難以控制，但是可以通過調節特定的參數來提高組件的性能。因此，研究這些參量是優化BIPV/T 系統性能的關鍵。

集主動制冷與自清潔于一體的光伏/光熱轉換系統，在太陽能電池板背面采用強迫式氣流進行主動降溫，在其正面采用水循環進行輔助散熱和清洗。研究表明，與單獨使用太陽能電池板相比，該系統太陽能電池板的平均溫升降低了15 ℃，能源利用率提高5.7%。

除上述常規制冷方法，以相變材料（Phase Change Material，PCM） 為基礎的新型制冷技術受到業界關注。PCM 可在相變過程中吸附或釋放大量潛熱。相變儲能技術將太陽能電池輸出的熱能轉換為潛熱，使太陽能電池的溫度維持在較低值附近。利用相變儲能技術能夠構建空氣制冷的雙流道光伏/光熱轉換裝置。

3.2 陰影遮擋問題及解決方案

BIPV 系統采用光伏組件替代傳統的建筑材料，將其與建筑的屋面、外墻和門窗等有機結合，實現建筑與太陽能光伏產品的一體化。該技術不僅能夠為建筑物提供電能和熱能，達到節能減排的目的，還能節省安裝太陽能電池板所需的空間。但是，由于樹木、建筑和其他太陽能面板的影響，BIPV 系統的發電功率會下降。

為了降低陰影遮擋對BIPV 系統的影響，應該在規劃選址的時候，計算BIPV 系統的陰影率，以選取最優位置。但是，在充分利用太陽能的基礎上，在規劃設計階段，還必須權衡BIPV 系統的發電容量和建筑外觀、結構和功能要求。

利用非晶態硅薄膜太陽電池板也能夠有效減少陰影帶來的影響。與常規的單晶硅和多晶硅太陽能電池板相比，非晶態硅薄膜太陽能電池板具有不受陰影遮擋、顏色豐富和成本低廉的優點，在BIPV 領域具有廣闊的應用前景，但其光電轉換效率較低。為了更好地解決BIPV 系統的陰影遮擋問題，本文結合實際建筑的遮陰率和當地氣象條件，通過修正太陽偏角和再選取光伏陣列傾斜角度，降低遮擋效應。還可以通過調節支架立柱高度或安裝傾角的方法解決遮擋問題。

光伏組件所處的位置一般為南北向，如果所處的位置為南北向斜坡，則光伏組件南北方向的排列距離不但與所處的緯度和安裝傾角有關，而且還與地形坡度有關。

處于斜坡的光伏組件的南北向最小間距計算公式為：

式中：D'為南北自然角度條件下，光伏模塊南北方向的最小間距；θ為南北方向的自然角度；t為東西方向的自然角度；L為太陽能電池板的長度；α為光電組件的安裝傾斜角度；i為冬季每天09:00 的太陽方位角；β為冬季每天09:00 的太陽高度角。

從式（1）可知，在光伏組件設計中，若沒有將斜坡因子納入考慮，將會影響光伏組件的南北最小間隔的計算精度。光伏組件的最優安裝角度隨季節的變化而改變。固定型光伏支架可以通過調節立柱高度和光電模塊安裝角度的方法，減少影子遮擋區域。對于單體光伏支架，則可以按照季節調整傾斜角度。采用固定可調式光伏支架，可以在一年中多次調整傾斜角度，能夠獲得更多陽光照射，進而提高發電效率。

根據PVsyst 仿真結果，安裝固定可調節支架的光伏陣列的發電功率能夠提高2%～5%。但固定可調式光伏支架的調整幅度不得大于原有的固定安裝角度。

4 光伏建筑一體化的未來思考

4.1 未來市場空間

“3060”雙碳目標的提出和風電、光伏發電等新能源產業的發展，為未來十年的風電和光伏等新能源產業提供了廣闊的發展空間。據國家統計局預測，到2025 年，光伏建筑的新增市場和存量市場規模將達到20 億元，BIPV 的市場規模將達到700 億元，而太陽能電池板的市場規模也將達到2000 億元。隨著一系列相關規范的落地和綠色建筑、碳中和等政策的落實，BIPV 總體滲透率將迅速接近20%，其未來的發展空間巨大。

4.2 面臨的挑戰

4.2.1 工業生態環境不完善

進入BIPV 行業的參與者數量不斷增加，涵蓋光伏、逆變器、防水、金屬防護以及建筑等多個領域，行業之間的整合難度較大，尤其是光伏和建筑行業的融合。目前，BIPV 行業尚處于起步階段，整個行業的生態有待完善，且項目的運行和維護都面臨著諸多的挑戰，急需探索一種成熟的商業模式。

4.2.2 標準不完善

BIPV 系統是一種涉及多產業和多領域的綜合性產品。對于BIPV 行業標準的制訂，不僅要考慮電氣、力學和可靠性等方面的要求，還要考慮建筑防火和安全等。應深入研究和分析BIPV 產品，并在此基礎上建立專門的標準。除了行業標準，在設計方面也缺乏相應的標準，制訂和完善BIPV設計標準，應涵蓋產品設計、工程施工及竣工驗收等各個階段，為光伏建筑一體化工程的設計和建設奠定基礎。

5 結語

BIPV 系統我國城市建筑節能減排的重要發展方向。要想使光伏建筑在未來能夠有效運行，就必須充分掌握BIPV 技術，并因地制宜地對其進行利用。面對光伏產業廣闊的發展前景和政府的政策鼓勵，應保持冷靜思考，深刻認識到行業目前面臨的挑戰，通過對BIPV 的研究和應用，為此技術的發展做出貢獻。