談光伏建筑一體化技術(shù)應(yīng)用

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由于化石能源的大量消耗，導(dǎo)致一系列困擾人類的社會問題，譬如：能源危機(jī)、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等。人們迫切需要尋找一種對環(huán)境沒有污染的可再生能源提供人們所需的能源，以替代傳統(tǒng)的化石能源。由于太陽能具有取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，且使用過程中不會給環(huán)境帶來污染，得到了人們的青睞。以一年為單位計算，太陽輻射到地表的太陽能約相當(dāng)于燃燒130萬億t標(biāo)煤所釋放的能量，因而太陽能是當(dāng)今最引人關(guān)注的可再生能源。在這些背景下，光伏建筑一體化（BuildingIntegratedPhotovoltaic，簡稱BIPV）應(yīng)運(yùn)而生。BIPV的概念最早由70年代末的美國學(xué)者提出。由于BIPV具有綠色環(huán)保、不占額外的空間、美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，各國學(xué)者均開展BIPV技術(shù)的研究，BIPV從最初的建筑物上簡單堆砌光伏陣列的形式，發(fā)展為光伏系統(tǒng)與建筑物融為一體的設(shè)計。

光伏建筑一體化基本概念

BIPV是將原有建筑樓宇和太陽能發(fā)電裝置組合在一起，在承擔(dān)傳統(tǒng)建筑的功能的同時進(jìn)行光伏發(fā)電，為負(fù)載提供一部分電能。另外，對于擁擠的大城市，將光伏發(fā)電技術(shù)與房屋建筑結(jié)合在一起，可節(jié)省較多的空間，同時實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電。因此光伏建筑一體化在城市中使用，有重要的使用價值和意義。

光伏建筑一體化分類

從光伏發(fā)電技術(shù)與建筑物結(jié)合的型式來看，光伏建筑一體化可分為兩種型式：（1）光伏發(fā)電設(shè)備是建筑物的附加系統(tǒng)的型式。該型式通常以現(xiàn)有的建筑物作為基礎(chǔ)，在建筑 物表面上增加光伏發(fā)電設(shè)備。在光伏建筑一體化技術(shù)的早期階段，該型式比較常見。這種型式的光伏建筑一體化優(yōu)點(diǎn)是改造容易、且投資較小、施工方便；然而，其缺點(diǎn)也很明顯，通常改造后建筑物的外貌與建筑設(shè)計風(fēng)格不協(xié)調(diào)，視覺不美觀，很難達(dá)到理想的效果。（2）光伏發(fā)電設(shè)備與建筑物相集成的型式。這種型式的光伏組件通常作為建筑物的一部分，在工程的整個設(shè)計過程中，光伏組件與建筑物同時考慮，施工和安裝也同時進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電設(shè)備與建筑完美結(jié)合。同時具有發(fā)電和建筑設(shè)備的功能。

光伏建筑一體化的應(yīng)用

BIPV系統(tǒng)可以具有不同的工作模式，既能夠連接到電網(wǎng)還能夠獨(dú)立脫離電網(wǎng)使用。并網(wǎng)使用時，發(fā)電量超過本地負(fù)載時可以將多余的電能送入電網(wǎng)，反之，發(fā)電量不足時，則使用電網(wǎng)中的電能。對于獨(dú)立型的BIPV，通常適合于地理位置偏遠(yuǎn)，人煙稀少的草原、沙漠等電網(wǎng)難以接入的地區(qū)。同時，當(dāng)太陽日曬狀況較好時，BIPV系統(tǒng)生產(chǎn)的富余電量可通過專門的儲能設(shè)備進(jìn)行電能的存儲，以備光照較差時使用，實(shí)現(xiàn)自給自足的狀況。

光伏建筑一體化的安裝形式

光伏組件可以組裝成客戶的要求樣式，部分或整體的替換建筑構(gòu)件。系統(tǒng)安裝的樣式是由選用光伏組件的性能，建筑師的設(shè)計的建筑形式，以及項目所在地的氣候條件等幾個因素所共同決定的。其中，光伏組件的性能在整個設(shè)計過程當(dāng)中起到了決定性作用。目前，光伏建筑一體化的安裝形式主要由以下幾種：

遮陽棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖1為遮陽棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光伏電池板安裝形式以遮陽設(shè)施為主，太陽能電池板可起到很好的遮陽隔熱效果，可使空調(diào)能耗有效的降低，節(jié)約能源并且相比一般的遮陽棚有更美觀的建筑外觀效果。

瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2為瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)，從圖2可看出，瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能屋頂?shù)耐吲c常規(guī)分布式并網(wǎng)屋頂設(shè)計有所不同，瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)將屋頂與太陽能完美結(jié)合。用太陽能瓦片取代常規(guī)瓦片集成為一個斜坡屋頂，使光伏發(fā)電領(lǐng)域的設(shè)計和美學(xué)達(dá)到完美結(jié)合。其缺點(diǎn)是太陽能瓦的成本比普通太陽能板成本高，不能帶來較好的經(jīng)濟(jì)收益。

窗間式光伏系統(tǒng)

圖3為窗間式光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)在提供電力的同時，能夠根據(jù)季節(jié)的變化以及外界環(huán)境的不同可自動調(diào)節(jié)室內(nèi)的通風(fēng)、濕度和溫度。相比普通鋼化玻璃頂，窗間式光伏系統(tǒng)帶來了更多方便的功能，可將建筑空間資源充分的利用。

壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖4為壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)。從圖4可看出，壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)將光伏電池板直接安裝在建筑的外墻。這種外掛式獨(dú)特的光伏發(fā)電系統(tǒng)使施工和維護(hù)變得更簡單。由于太陽能系統(tǒng)安裝在建筑物的外墻，太陽能電池吸收了建筑物外部的輻射光同時并進(jìn)行了發(fā)電，而這部分輻射光原來是被建筑物表面吸收了，因此有效地降低了建筑物吸收的輻射能，尤其在夏季可有效地降低建筑物內(nèi)的溫度水平。

百葉窗式光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖5為百葉窗式光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光伏建筑的熱量是通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱以及窗戶的輻射，對于改善夏季室內(nèi)熱舒適性能具有重要的作用。與其他墻體光伏不同，可調(diào)節(jié)角度的百葉窗式可以讓建筑最大化利用光能，充分利用建筑空間。采光天窗光伏系統(tǒng)圖6為采光天窗光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)的采光天窗一般位于建筑大堂，通常是國內(nèi)標(biāo)志性建筑，如博物館，科技館等場館的大堂天窗。如果改裝或加裝半透明的雙玻光伏板，可以讓建筑天窗空間得到更有效的利用的同時兼顧采光需求，還能為這些科技場館展現(xiàn)現(xiàn)代化的氣息。

具體案例

圖7為上海虹橋站。在建設(shè)過程中增加了光伏電站系統(tǒng)，從圖7可看出，光伏電站系統(tǒng)與建筑本身融為一體。在虹橋站的頂部和部分立面均安裝了光伏發(fā)電裝置，總?cè)萘靠筛哌_(dá)6.5MW。在圖8中，我們看到了迪拜時尚的光伏系統(tǒng)。屋頂不僅是屋頂，而且是小型發(fā)電廠。玻璃不再只是玻璃，它變成了一堵結(jié)構(gòu)墻。這種傳統(tǒng)建筑的開放不是改造性的，而是創(chuàng)造性的。他是一個注重表演、人性化、心胸狹窄的建筑人。調(diào)和美學(xué)和生活方式。

未來研究發(fā)展重點(diǎn)

建筑內(nèi)消耗的能源大多是用于調(diào)節(jié)溫度。目前，被動式太陽房有一些用于供暖的范例，但這些建筑造價相對較高，難以推廣。主動式太陽房造價成本則更加高昂，推廣價值更小。因此，未來對于太陽房的研究必須是一種可再生能源與常規(guī)能源相結(jié)合的思路。在方案的實(shí)施中，可根據(jù)建筑物房間的功能，采用不同方案協(xié)調(diào)配合，可有效降低光伏電站用于建筑供能的初投資，提高整個方案的可操作性。建筑物內(nèi)空氣溫度的控制調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)盡可能智能化地應(yīng)用，順應(yīng)自然來達(dá)到滿足人類健康和舒適生活的需求。空氣溫度的控制調(diào)節(jié)技術(shù)的目的應(yīng)該是盡量減少所謂的人造環(huán)境。在使用主動供能保證建筑內(nèi)居住的舒適度的前提下，盡可能的將主動功能技術(shù)和被動供能技術(shù)相結(jié)合從而將太陽能建筑物性價比做到最優(yōu)。

結(jié)語

BIPV是將原有建筑樓宇和太陽能發(fā)電裝置組合在一起，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑物的功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電的功能，可用于為室內(nèi)的建筑提供電能。光伏建筑一體化并不是光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物簡單的堆砌，而是兩者有機(jī)的結(jié)合，能夠達(dá)到1+1>2的效果。

作者：畢凱 宋明中 林玉杰 馬昕霞 單位：國家電投集團(tuán)貴州金元威寧能源股份有限公司