浅谈光伏—建筑一体化的研究

　　在21世纪的新能源技术中有两大能源优先：太阳光伏发电与核聚变。太阳光伏发电是到为止最长寿、最清洁的发电技术。光伏发电对世界能源需求将会做出重大贡献的两个领域是提供住户用电和用于大型中心电站的发电。前者将对建筑的发展产生重大的。太阳光伏发电系统只涉及到半导体封装器件，不消耗常规能源，无运动机械部件，无污染，无噪声，维护方便，发电容量可任意选择。

　　光伏建筑一体化即BIPV（Building Integrated PV，PV即Photovolta-ic）。光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑—体化（BIPV）不同于光伏系统附着在建筑上（BAPV：Building Attached PV）的形式。

　　现代化社会中，人们对舒适的建筑热环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的３０％—４０％，对经济发展形成了一定的制约作用。

　　光伏建筑一体化，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就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。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。另一类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。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。[

　　光伏—建筑一体化（BIPV）提出了“建筑物产生能源”的新概念，即建筑物与光伏发电的集成化，在建筑物的外围护结构表面上布设光伏阵列产生电力。

　　BIPV系统可以划分为两种形式：光伏屋顶结构（PVROOF）和光伏墙结构（PVWALL）。BIPV系统一般由光伏阵列（电池板）、墙面（屋顶）和冷却空气流道、支架等组成。

　　对于一个完整的BIPV系统，还应该有另外一些设备：负载、蓄电池、逆变器、系统控制、滤波保护等装置。当一个BIPV系统参与并网时，则不需蓄电池，但需有与电网的联入装置。

　　一光伏—建筑一体化（BIPV）的形式与特点

　　在80年代，光伏地面系统除大量用于偏僻无电地区、游牧家庭、航海灯塔、孤岛居民供电以及某些特殊领域外，已开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑。进入90年代后，随着常规能源的日益枯竭而引起的发电成本上升和人们环境意识的日益增强，一些国家纷纷开始实施、推广BIPV系统。

　  虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存有两大问题

　　一是太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。

　　二是太阳能发电的成本高。目前太阳能发电的成本是每度2.5元，比常规发电成本每度1元翻倍。

　　三是太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性。这是由于太阳并不是一天24小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。

 　　光伏建筑一体化建筑 优点

　　（1）绿色能源。太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。

　　（2） 不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。

　　（3）太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。

　　（4） 起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。因此，发展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排”。

 

　　光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合；另外一种是建筑与光伏器件相结合。

　　1建筑与光伏系统相结合

　　把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。光伏系统还可以通过一定的装置与公共电网联接。

　　2建筑与光伏器件相结合

　　建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发电，可谓物尽其美。对于框架结构的建筑物，可把其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可吸收太阳直射光，也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上目的，还可使建筑外观更具魅力。

　　把光伏器件用做建材，必须具备建材所要求的几项条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。若是用于窗户、天窗等，则必须能够透光，就是说既可发电又可采光。除此之外，还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。

　　用光伏器件代替部分建材，在将来随着面的扩大，光伏组件的生产规模也随之增大，则可从规模效益上降低光伏组件的成本，有利于光伏产品的推广应用，所以存在着巨大的潜在市场。

　　从建筑、技术和角度来看，光伏—建筑一体化有以下诸多优点：①联网系统光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用。这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。②可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网。在阴雨天、夜晚或光强很小的时候，负载可由电网供电。由于有光伏阵列和公共电网共同给负载供应电力，增加了供电的可靠性。③夏季，处于日照时，由于大量制冷设备的使用，形成电网用电高峰。而这时也是光伏阵列发电最多的时候。BIPV系统除保证自身建筑用电外，还可以向电网供电，从而缓解高峰电力需求。④由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，吸收太阳能，转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。 ⑤避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。⑥由于光伏电池的组件化，光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选择发电容量。⑦在建筑围护结构上安装光伏阵列，可以促进PV部件的大规模生产，从而能够进一步降低PV部件的市场价格，这对于BIPV系统的广泛应用有着极大的推动作用。

　　二BIPV系统的发展趋势

　　在能源和环保压力的促进下，太阳能光伏技术已逐步成为国际走可持续发展道路的首选技术之一。事实已经证明，对于几kW以下的系统，采用太阳光伏发电是最为理想的。光伏（PV）技术除传统的单独用户及特殊领域应用外，正在向高水平和大规模方向发展。BIPV的联网发电已成为近年来PV应用的主要方向和热点。联合国能源机构最近发布的调查报告显示，BIPV将成为21世纪的市场热点，太阳能建筑业将是21世纪最重要的新兴产业之一。各国一直在通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等，大力降低光伏电池的制造成本和提高其发电效率。

　　近年来，世界光伏市场发生了很大变化：由过去的独立运行（提水、照明等）和通讯设备、卫生保健、导航浮标等领域转向并网发电和与建筑物结合的常规供电；开始由作为补充性能源逐步向替代性能源过渡。现在分别介绍一下不同国家的发展情况。

　　1美国

　　1993年6月，美国能源部和国立再生能源实验室签定五年合同，实施“PV：BONUS”计划，耗资2 500万美元发展与建筑相结合的光伏产品，即建筑幕墙光伏器件和大型屋顶光伏组件等。

　　为了促进美国光伏产业的快速，降低光伏发电成本以及节约能源和保护环境，美国前总统克林顿1997年6月26日在联合国环境与发展特别会议上宣布美国将实施“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要在全国范围的住宅、商业建筑、学校和联邦政府办公楼屋顶上安装100万套太阳能系统，包括光伏系统和太阳能集热器，可以供应电力和热水。为此，1998财政年度美国政府的光伏经费增加了30％。

　　2日本

　　日本很重视光伏与建筑相结合的技术。20世纪90年代，政府资助一些大学、研究所和公司进行开发研究。如三洋电气公司推出了几种非晶硅电池与建筑材料相结合的产品（三洋公司在非晶体太阳电池技术方面是世界一流的）：一种是做成曲线形瓦片形状，每片面积为305平方厘米、输出功率2.7 WP，价格比较昂贵；另一种是90cm×35cm的平板非晶硅电池组件，组件背面有“脚”便于安装，一般用做屋顶材料。三洋电气公司还推出了半透明和不透明的非晶硅玻璃组件，用于商业建筑物的垂直幕墙。其半透明组件的透光率为30％，既可作为窗户采光用，又可用于发电（德国也有类似产品）。以上光伏组件已安装在三洋电气公司、Fsukasa电力公司等办公楼建筑物上。

　　1997年，通产省又宣布执行“七万屋顶”计划，安装了37 MWP屋顶光伏系统。该计划使日本成为该年度世界最大的光伏组件市场。日本政府计划到2000年安装400 MW、2010年安装4 600 MW光伏发电系统。

　　1998年，日本三家公司（清水建筑、夏普、川崎制铁）合作研制一种新型建筑材料，即把太阳能电池安装在建筑材料里，并按需要做成三种，用做屋顶和外墙。

　　3德国

　　1990年首先开始实施“一千屋顶计划”，在私人住宅屋顶上推广容量为1～5 kWP的户用联网光伏系统。

　　在光伏器件与建筑相结合方面，ASE所属几家公司分别推出了多种光伏组件，其中有大尺寸（1.5 m×2.5m）的无边框非晶硅组件，每块组件功率可达360Wp，可用于垂直外墙和倾斜屋顶；也推出了尺寸为1 m×0.6m的非晶硅不透明组件，可分别用于屋面、垂直幕墙和窗户。

　　目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。

　　4印度

　　印度近年来大力推广太阳能，已取得了很大成绩。在发展家，印度的光伏产业及应用市场居领先地位；据报道，目前已成为继美国之后的第二大单晶硅太阳能电池生产国。全国已有40万套光伏系统用于多种应用领域。并且，政府正在组织一些研究和生产机构开展光伏器件与建筑相结合的研究开发。

　　1997年12月18日印度政府宣布，到2002年要在全国范围内推广150万套太阳能屋顶。

　　5中国

　　中国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模。据统计，截止1997年底，我国已完成并正常使用的太阳能光伏发电系统装机容量为10～15MW，主要用于边远地区居民的供电。随着光伏发电领域的转变，我国的BIPV系统的研究与开发已取得了很大的发展。“九五”期间我国在深圳、北京分别成功建成17kWp、7kWp光伏发电屋顶并实现并网发电。在世界银行捐赠及双边或多边技术合作的支持下，预计我国光伏市场年销售量将以20％的年增长速度发展，到2010年可望超过10MW.

　　最近获悉，香港特区政府为支持环保，香港工业署日前拨款170万港元给香港理工大学，建立第一座“光伏建筑”实验系统，以太阳能为大厦提供部分电力。

　　有资料对1984～1994年间的光伏需求进行了统计并对到2010年可以安装PV的容量进行了预测，结果如表1所示。

　　紧紧围绕降低光伏发电成本的各种研究开发工作一直在发达国家紧张地进行。在光伏系统方面，目前已开发出带微型逆变器的光伏组件，这将给光伏系统安装及与建筑集成带来革命性的变化。

　　BIPV的开发是目前世界上大规模利用光伏技术发电的一大研究热点，西方发达国家都在作为重点项目积极进行。除了在屋顶安装光伏电池板外，已推出了把光伏电池装在瓦片内的产品。

　　在飞速发展的智能建筑（IB）中，楼宇自动化系统（BAS）是一个重要组成部分。对于BIPV系统，其本质上是属于楼宇设备的范畴，但在目前关于BAS的资料中还没有被纳入其中。笔者认为，BIPV系统应当纳入BAS.未雨绸缪，在实际建筑施工中应当预留光伏阵列的铺设装置；在综合布线系统（PDS）中，应当预设光伏设备的接入端口和线路匣，为以后光伏组件与楼宇设备的结合作准备。随着光伏组件的广泛应用和价格大幅度下降，未来实现智能化的建筑物必定要配装BIPV系统，同时这也是对IB的一个重要补充。

　　可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。

　　由于价格、法规等因素，BIPV系统在短期内还难以大规模普及，但随着常规能源的日益枯竭、人们环保意识的日益提高，以及由此促进的制造工艺的革新和技术的发展，BIPV一定会展现出强大的生命力。

　　BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。

　　一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。

　　普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。

　　目前建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70％。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境（虽然暂时它是舒适的）。在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范型建筑外，还没有大规模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高，与我国的经济发展也是远不相适应。因此，建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想。按照房间的功能，采用不同方案的配合及交叉，这样可以大大降低太阳能用于建筑供能的一次投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。被动采暖与降温的意义在于使建筑本身能量负荷大大降低（节能率约70％），使其所要求主动供能装置提供的能量大大降低。也就是说，它将对昂贵装置的要求降低。另外，被动供能是巧妙利用自然条件的变化来调节室内温度。我们认为，建筑物内空气温度调节技术发展方向不应当是改变自然环境来满足人的要求，而是应当尽量巧妙地利用并顺应自然界来满足人们对健康和舒适的要求。研究空调的目的应当是尽量减少人工环境，而不是相反。主动供能的意义在于保障建筑室内的舒适性增加。在主动与被动供能相互配合组成供能系统的情况下，整套建筑供能系统的设备性能将会提高，而尺寸和造价将会降低。

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