浅谈光伏建筑一体化孙正

浅谈光伏建筑一体化孙正

孙正

中国联合工程公司浙江省杭州市310000

摘要：中国作为发展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，而建筑作为能耗大户，其节能效益则变得尤其重要，光伏建筑一体化因此成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。本文通过介绍光伏建筑一体化的概念、分类、优势，以及对光伏建筑设计进行简单的探讨，希望可以带来思考的契机。

关键词：光伏建筑一体化光伏发电建筑设计绿色环保

1、光伏建筑一体化的概念与分类

光伏建筑一体化BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaics)，是应用太阳能发电的一种新概念，是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等，光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。

2、光伏建筑一体化的优势

能够满足建筑美学的要求

BIPV建筑首先是一个建筑，作为建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。在BIPV建筑中，我们可通过相关设计将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中。这样既可防阳光直射和雨水侵蚀，又不会影响建筑物的外观效果，达到与建筑物的完美结合，实现建筑师们的构想。

能够满足建筑物的采光要求

对建筑物来说光线就是灵魂，BIPV建筑是采用光面超白钢化玻璃的双面玻璃组件，能够通过调整电池片的排布或采用穿孔硅电池片来达到特定的透光率，即使是在大楼的观光处也能满足光线通透的要求。当然，光伏组件透光率越大，电池片的排布就越稀，其发电功率也会越小。

能够满足建筑的安全性能要求

BIPV组件不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足建筑物安全性能要求，因此需要有比普通组件更高的力学性能。在不同的地方，不同的高度，不同的安装形式，对玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。

BIPV建筑中使用的双玻璃光伏组件是由两片钢化玻璃，中间用PVB胶片复合太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集引线端的整体构件。钢化玻璃的厚度是按照国家建筑规范和幕墙规范，通过严格的力学计算得出的结果。而组件中间的PVB胶片有良好的粘结性、韧性和弹性，具有吸收冲击的功能，可防止冲击物穿透，即使玻璃破损，碎片也会牢牢粘附在PVB胶片上，不会脱落伤人，从而使产生的伤害减少到最低程度，提高了建筑物的安全性能。

能够满足安装方便的要求

BIPV建筑可以将光伏组件与玻璃幕墙紧密结合。幕墙在我国发展三十年以来，具有了比较成熟的设计和安装技术。构件式幕墙施工手段灵活，主体结构适应能力强，工艺成熟，是目前采用最多的结构形式。单元式幕墙在工厂内，易实现工业化生产，降低人工费用，控制单元质量，从而缩短施工周期，为业主带来较大的经济效益。双层通风幕墙系统具有通风换气，隔热隔声，节能环保等优点，并能够改善了BIPV组件的散热情况，降低了电池片温度，减少了组件的效率损失，降低热量向室内的传递。BIPV建筑简单来讲，就是用BIPV光伏组件取代普通钢化玻璃，其结构形式基本上同传统玻璃幕墙能够相通。这就使得BIPV光伏组件的安装具有深厚的技术基础和优势，能够达到安装方便的要求。

能够具有寿命长的优势

普通光伏组件封装用的胶一般为EVA。由于EVA的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命而且EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量。而PVB膜具有透明、耐热、耐寒、耐湿，机械强度高等特性，并已经成熟应用于建筑。国内玻璃幕墙规范也明确提出“应用PVB”的规定。BIPV光伏组件采用PVB代替EVA能达到更长的使用寿命。此外，在BIPV系统中，选用光伏专用电线，选用偏大的电线直径，以及选用性能优异的连接器等设备，都能延长BIPV光伏系统的使用寿命。

具有绿色环保的效果

BIPV建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构；太阳能硅电池是固态半导体器件，发电时无噪声，对环境不会造成污染；BIPV建筑可自发自用，减少了电力输送过程中的能耗，降低了输电和分电的投资和维修成本。而且日照强时恰好是用电高峰期，BIPV系统除可以保证自身建筑内用电外，在一定条件下还可能向电网供电，舒缓了高峰电力需求，具有极大的社会效益；还能杜绝由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保极为重要。

3、光伏建筑一体化的设计

设计原则

光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此，BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的设计都是不合格的。

建筑设计

BIPV的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用BIPV的首要条件；其次是分析建筑物的周边环境，即选用BIPV的建筑部分接受太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮档，也不必考虑选用BIPV；第三是与建筑物的外装饰的协调，光伏组件给建筑设计带来了新的挑战与机遇，画龙点睛的BIPV设计会使建筑更富生机，环保绿色的设计更能体现建筑与自然的结合。第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的影响。

发电系统设计

BIPV的发电系统设计与光伏电站的系统设计不同，光伏电站一般是根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统，BIPV则是根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率并配套系统。BIPV光伏系统设计分为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计三部分。光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果，如颜色与板块大小；另一方面要考虑其受光条件，如朝向与倾角。光伏组件设计，涉及电池片的选型与布置；组件的装配设计。光伏发电系统的设计，即系统类型确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。

结构安全性与构造设计

光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面：一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大，普通的光伏组件的强度能否承受，受风变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件连接方式的安全性。组件安装固定不是安装空调式的简单固定，而是需对连接件固定点进行相应的结构计算，并考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。构造设计是关系到光伏组件工作状况与使用寿命的因素，普通组件的边框构造与固定方式相对单一。与建筑结合时，其工作环境与条件有变化，其构造也需要与建筑相结合。

4、结语

在目前尚无相关技术标准规范的情况下，正确的认识和理解光伏建筑一体化技术，合理的把握并应用尤为重要。为实现光伏系统与建筑的良好的结合，还需要我们进行广泛深入的研究。