光伏建筑屋面与相关技术研究论述

光伏建筑屋面与相关技术研究论述

吴永平

中国能源建设集团东北电力第三工程有限公司 天津 300480

摘要:随着能源危机和环境污染问题的日益突出，光伏建筑屋面作为一种可持续的绿色建筑技术，受到了广泛关注。本文首先介绍了光伏建筑屋面的研究背景和发展现状，然后详细阐述了光伏建筑屋面的设计原理、关键技术和实施方法。通过对实际案例的分析和比较，本文评估了光伏建筑屋面的经济效益、环保效果和社会意义。最后，对光伏建筑屋面技术的未来发展进行了展望。

关键词:光伏建筑屋面;绿色建筑;可持续发展;技术研究;经济效益

一、光伏建筑屋面概述

随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的日益严重，太阳能作为一种可再生、清洁的能源，正受到越来越多的关注。光伏建筑屋面，即将太阳能光伏组件集成到建筑屋面上的技术，是实现太阳能高效利用的重要途径之一。它不仅有助于减少能源消耗和环境污染，还能提高建筑物的能源自给能力，符合绿色建筑和可持续发展的理念。

光伏建筑屋面主要由光伏组件、支架系统、逆变器等组成。其中，光伏组件是实现太阳能转化为电能的核心部分，支架系统用于固定光伏组件并确保其稳定工作，逆变器则将光伏组件输出的直流电转化为交流电，以便与电力系统相连。

二、光伏技术原理与分类

光伏技术是基于光电效应原理，利用半导体材料将太阳能转化为电能的技术。当太阳光照射到光伏组件上时，光子会与半导体材料中的电子发生相互作用，使电子从束缚态跃迁到自由态，形成光生电流。根据不同的半导体材料和结构，光伏技术可分为晶体硅光伏技术、薄膜光伏技术、多结光伏技术等。

三、建筑屋面光伏应用优势

建筑屋面作为建筑物的重要组成部分，具有面积大、结构稳定等特点，非常适合安装光伏组件。建筑屋面光伏应用具有以下优势:

1.可再生能原利用:光伏技术利用太阳能作为能源，无需消耗化石燃料，具有可再生、清洁、环保等优点。

2.能源自给:通过光伏建筑屋面，建筑物可实现能源自给，降低对传统电网的依赖，减少能源成本。

3.建筑美观:光伏组件可以与建筑物融为—体，实现美观与实用的双重效果。

4.空间利用:建筑屋面空间通常未被充分利用，安装光伏组件可充分利用这一空间，提高土地利用率。

四、光伏建筑—体化设计

光伏建筑一体化(BIPV)是将光伏组件与建筑物结构、功能、美学等方面有机结合的一种设计理念。在BIPV设计中，需要考虑以下因素:

1.建筑风格:光伏组件的设计应与建筑物的整体风格相协调，确保整体美观。

2.结构安全:光伏组件的安装应符合建筑结构安全要求，确保不会对建筑物造成损害。

3.电气安全:光伏系统的电气设计应符合相关安全标准，确保系统的稳定运行和用户安全。

4.维护便利性:光伏组件的安装位置应便于维护和清洁，以确保系统的长期稳定运行。

5.经济效益：虽然BIPV的初始安装成本可能较高，但随着时间的推移，它可以提供可观的经济回报，通过节省电费和可能的能源销售来回收投资。

6.技术创新：随着材料科学和电子工程的进步，BIPV系统的效率不断提高，成本不断降低，使其更加实用和经济。

7.政策支持：许多国家和地区正在实施政策，鼓励BIPV技术的采用，包括补贴、税收优惠和绿色建筑认证系统的积分。

8.社会意识：随着公众对可持续发展和绿色生活的认识提高，BIPV成为提升企业形象和参与社会责任的有效手段。

五、光伏材料选择与施工

光伏材料的选择和施工质量对光伏建筑屋面的性能和使用寿命具有重要影响。在选择光伏材料时，需要考虑以下因素:

1.材料性能:光伏组件的材料应具有高效、稳定、耐候等特点，以确保系统的长期稳定运行。

2.成本:不同材料的价格差异较大，需要根据项目的预算和经济效益评估来选择合适的材料。

在施工方面，需要注意以下几点:

1.施工前准备:包括现场勘查、材料准备、施工计划制定等。

2.安装过程:遵循施工规范，确保光伏组件的安装质量。

六、光伏系统效能评估

光伏系统的效能评估是衡量光伏建筑屋面性能的重要手段。效能评估主要包括以下几个方面:1.发电量评估:根据光伏系统的实际发电量，评估其是否符合设计要求。

⒉.能耗评估:分析光伏系统的能耗情况，提出节能措施。

3.环境效益评估:评估光伏系统对环境的影响，如减少碳排放、节约水资源等。

通过效能评估，可以及时发现和解决光伏系统存在的问题，提高系统的运行效率和经济效益。

七、案例分析与实践

为了更深入地了解光伏建筑屋面的应用情况，以下选取典型案例进行分析。

案例:由中国能源建设集团东北电力第三工程有限公司承建的中新天津生态城35#地块幼儿园项目教育综合体光伏建筑屋面项目。拟新建一座全日制幼儿园，包括综合楼、门卫室及室外配套工程等。共设置15个班，容纳在校学生450人。总占地面积约6004.1平方米,总建筑面积约6202平方米，其中地上5400平方米，地下设备用房802平方米;建筑最大高度约23.15米，最高层数为4层，局部地下1层。

该项目将光伏组件与教育综合体的屋面相结合，实现了能源自给和绿色建筑的目标。通过实际运行数据分析，该项目的发电量稳定且可观，有效降低了商业综合体的能源成本。通过对此案例的分析，可以发现光伏建筑屋面在不同类型建筑中的应用潜力和优势。同时，这个案例也为类似项目的实施提供了宝贵的经验和借鉴。

八、未来发展趋势与挑战

随着技术的不断进步和成本的不断降低，光伏建筑屋面在未来将呈现出以下发展趋势:

1.普及化:随着人们对可再生能源和绿色建筑的认知不断提高，光伏建筑屋面将在更多建筑中得到应用。

2高效化:随着光伏技术的不断进步，光伏组件的转换效率将不断提高，使得光伏建筑屋面的发电能力更强。

3.智能化:通过将光伏系统与智能电网、智能家居等技术相结合，实现电能的智能管理和优化分配。

未来发展趋势：

1.技术创新与材料进步:光伏技术的持续创新预计将进一步提高光伏组件的转换效率、降低成本并延长使用寿命。新型材料如钙钛矿、染料敏化太阳能电池等可能在未来进入实用阶段，为光伏建筑屋面提供更高效、更经济的解决方案。

2.建筑设计与光伏技术的深度融合:随着BIPV技术的进一步发展，未来的建筑设计将更加注重与光伏技术的融合。这种融合不仅体现在外观上，更体现在结构与功能的整合上，以实现更高效、更美观的光伏建筑屋面。

3.智能化与互联网化:随着物联网、大数据等技术的发展，未来的光伏系统将更加智能化和互联网化。通过实时监控、数据分析等手段，可以实现对光伏系统的智能管理、维护和优化，进一步提高其运行效率和可靠性。

未来挑战:

1.政策与市场环境:尽管光伏行业得到了政策的大力支持，但市场环境的变化仍可能对其产生影响。如政策调整、补贴退坡等因素可能导致光伏建筑屋面的投资回报下降，从而影响其推广和应用。

2.技术瓶颈与成本问题:尽管光伏技术取得了显著进步，但仍存在一些技术瓶颈和成本问题。如高效光伏材料的制备、大尺寸光伏组件的运输与安装、系统维护等方面的挑战仍需解决。

3.建筑安全与寿命问题:光伏组件的安装可能对建筑的安全性和寿命产生影响。如安装过程中的结构破坏、光伏组件的老化等问题可能导致安全隐患。因此，在光伏建筑屋面的设计和施工过程中，需要充分考虑这些因素，确保建筑的安全性和长期稳定运行。

综上所述，光伏建筑屋面作为一种重要的可再生能源利用方式，具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。然而，要实现其可持续发展和推广应用，仍需要克服一些技术和市场方面的挑战。通过不断创新和进步，我们有信心在未来的光伏建筑屋面领域取得更大的成就。

参考文献:

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[2] 陈高敏。刍议太阳能光伏发电存在的问题及促进措施[J].工程技术：引文版，2017（2）：185.

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