我国光伏建筑的进展

2010-12-03赵西安

中国建筑金属结构 2010年1期

赵西安

目前，国内最大的敦煌光伏电站正在加紧建设，发电能力10MW；世界最大的内蒙古自治区鄂尔多斯光伏电站预计2019年全部建成，总功率达2000MW，光伏板总面积将超过2000万平方米。这些电站光电板阵列建在地面上，除发电外没有建筑功能，不属于光伏建筑的范围。除了这种专用光伏电站外，光伏技术应用的另一条途径是量大面广、相对分散的一体化光伏建筑。光伏建筑的发电部分与建筑是有机的整体，也是建筑的组成部分，通常同时设计，同时施工。

近年来，光伏技术已经开始在建筑工程中得到了应用，不少项目采用了光伏玻璃幕墙和光伏玻璃采光顶。目前我国光伏基础产业正急速发展，加之国家出台了一系列鼓励采用光伏技术的政策规定，幕墙行业在工程中采用光伏产品的积极性不断高涨，业主也大力支持，一个光伏技术应用的新高潮正在形成。

从光伏板阵列与建筑物的关系来区分，可以分为分离式和合一式两种。目前国内两种方式都有应用。最近，也有一些建筑同时采用两种方式。

一、分离式光伏建筑

分离式光伏建筑中，光伏板阵列靠近主体建筑或在屋顶上设置，虽然它是整个建筑的有机组成部分，但它有自身的支承结构体系，光伏板仅仅作为产能装置，不作为建筑的围护结构，建筑物还要另设建筑幕墙、门窗或屋面（图1），或者建筑本身不需要围护结构（图2）。

采用这种体系设计和施工都比较简单方便，避免了幕墙和采光顶的建筑功能受到干扰。设计光伏板系统时只需考虑光电系统本身的要求，不用兼顾作为建筑幕墙和采光顶所必须的光学、热工、防水、密封等种种复杂的要求，可以合理朝向，最大限度地发挥其发电功能，达到最佳的光电转换效果。光伏系统容易维护，修理更换不用担心影响建筑幕墙和采光顶受到影响；而建筑幕墙和采光顶破损时只要更换普通板块，与光伏系统无关，不会影响房屋的供电。加之光伏板与各个建筑本身关系不紧密，可以规格化，成批流水线生产，成本较低。其缺点是造价较高，分离的光伏阵列有时还要占用额外的建筑面积。

图1 屋面上单独设置的光伏板阵列

图2 北京奥运公园给巨型路灯供电的休息亭

江苏皇明太阳能公司在其办公楼的顶部和正面设置了独立的弧形光伏板阵列（图3），尽显“太阳”这一个主题。无锡尚德公司的光伏斜墙面积达7600平方米，发电功率为1MW，年发电量为76万kWh。这是目前国内已建的面积最大单个太阳能发电板阵列（图4）。光伏板斜墙安装在办公楼前面，由水平、竖向和斜向组合钢管构件支承。这些构件与主体结构相连结，水平荷载要传递到主体结构上，主体结构外墙另做玻璃幕墙封闭。

图3 皇明太阳能建筑

图5是汕头金刚公司的光伏遮阳板，独立于封闭幕墙之外。

图4 尚德公司办公楼前巨大的光伏墙

图5 幕墙外侧的光伏遮阳板

北京净雅大酒店的光伏——多媒体幕墙是产能——节能幕墙应用的一个典型。酒店整个正面都由光伏板阵遮盖，白天发出的电能储存在电池内，晚上对多媒体幕墙的LED光源供电。这一幅幕墙面积达2200平方米，由2300块光伏板组成。竖向布置的钢架单独支承面板，离开主体建筑。面板无须密封，所以可以按照建筑设计要求成叠瓦状布置，开放板缝（图6、图7）。光伏板有9种类型，分别布置12~24块光电池。

图6 净雅大酒店光伏——多媒体幕墙

图7 光伏板叠瓦式开缝布置

除大陆外，我国台湾省也建造了一些分离式光伏建筑，如台湾电力公司的开敞式展览馆，四周无墙，屋面是独立的发电采光顶（图8）。

最近举行的高雄世界运动会会场采用了光伏屋顶（图9），共使用了8800块光伏板，输出功率1MW。

图8 台湾电力公司展棚

图9 高雄世界运动会光伏屋顶

二、合一式光伏建筑

合一式光伏建筑与分离式设置不同，光伏板本身就兼作围护结构的面板。由于只有一层面板、一套支承结构，施工简化，材料节省，也提高了建筑面积的使用率。但这样一来，玻璃夹层板就要具有两重功能：一方面作为幕墙板和采光顶板件，要具有透光、遮阳、防水、密封、隔音和热工性能；另一方面，作为光伏板，要满足超白、小变形和电工方面的要求。有时候这两方面的要求互相矛盾，就会产生设计或施工的困难。例如当保温要求采用中空玻璃采光顶时，从安全方面考虑，内侧（下侧）玻璃应为夹层玻璃，单片钢化玻璃放在外侧（上侧）；而作为光伏板，夹有光电池的夹层玻璃应放在外侧、上方。这样一来只得采用双夹胶中空玻璃来同时满足两者的要求，幕墙本身的造价要增加。而且，如果要更换损坏的幕墙、采光顶板块，就会牵涉到电路上的一些问题，比较麻烦。此外光电板的遮挡、美观等问题要与建筑设计方面协调，光伏板的布置和朝向不能随意选取，无法发挥最大的光电转换效果。由于和具体的建筑外观设计联系在一起，光伏板型号、规格很多，难以批量生产，生产成本高，周期长。

现在合一式光伏建筑在国内应用迅速增长，幕墙厂家也在大力推广这种形式。最早的工程如深圳方大幕墙公司办公楼（图10）。最近汕头金刚光伏公司办公楼也是这种形式（图11）。

图10 光伏板同时是采光顶面板

图11 汕头金刚公司刚伏采光顶

北京南站屋面有3500平方米的光伏板，输出功率300kW （图12）。国家体育馆屋面有2500平方米光伏板，输出功率200kW （图13）。2010年上海世界博览会主题馆的屋面使用了30000平方米的光伏面板，输出功率达2.57MW，年发电量为250万kWh（图14、图15），这是目前世界最大面积的光伏屋面单体建筑。

威海市民文化中心采用非晶硅薄膜光电池，面积6030m2，输出功率275kW （图16）。

图12 北京南站光伏屋顶

图13 奥运会国家体育馆

图14 上海世博会主题馆光伏屋顶

图15 世博主题馆合一式光伏屋面局部

图16 威海市民文化中心光伏屋面

最近完工的火车站也广泛采用合一式光伏采光顶，图17为呼和浩特车站，光伏板1000m2，输出为85kW。图18为青岛火车站光伏屋顶。

不仅大型公共建筑，光伏幕墙现在也广泛应用于许多办公和旅馆建筑。如保定硅谷锦江光伏工程，其光电池直接夹入窗玻璃板内（图19）。

图17 呼和浩特火车站

图18 青岛火车站

图19 窗玻璃中的光电池

在工程应用过程中，我国的合一式光伏建筑又有了自己的创造，如长沙中建大厦（高度99.4米）的光电池是安装在玻璃百页上，把发电与遮阳功能有机地结合在一起，很有创意（图20、图21）。光伏玻璃总面积2000平方米，年发电量22万kWh。玻璃百叶前玻6毫米超白，后玻6毫米镀膜，总厚度36毫米。百叶45度斜放，间隔20毫米。

图20 光电池就装在玻璃百页中

图21 光伏玻璃百叶

广州电视塔将光伏幕墙设置到了创世界记录的460米高度。在最高的第五段幕墙顶部标高为450米至460米的区段，布置了1078平方米的光伏板，共四组360块，总功率为18KW。由于是环形布置，只有三分之一的光伏板受到阳光照射，加之外围柱子遮挡，同一时刻直接受阳光照射的光伏板并不多。好在本工程采用非晶硅薄膜电池，弱光下也有一定的电力输出。虽然总功率不算很大，但是这个工程的实践，为特殊、超高、极端气候条件下工作的光伏幕墙创造了新的经验（图22、图 23）。

双层通风幕墙也可以在外层布置光伏板件，形成双层光伏幕墙（图24）。图25为上海越洋大厦，双层幕墙的外层采用了173m2的光伏板，输出功率20kW。