太阳能光伏建筑一体化的设计要点

2012-09-05王军辉

水利规划与设计 2012年6期

刘宁王军辉

（陕西省水利电力勘测设计研究院西安 710001）

1 引言

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处及能源与环境的协调发展。

太阳能光伏建筑一体化 BIPV(Bui1ding Integrated Photovoltaias)，是在2006年9月30日深圳太阳能学会年会上首次提出。在这次会议上，建筑领域的代表，介绍了光伏建筑相关的另一个重要概念，“零能耗建筑”，一旦光伏建筑的发电量达到能够满足住户生活需求，则称之为“零能耗建筑”。由于建筑是一个复杂的系统，一个完整的统一体，如果要将新型太阳能技术融入到建筑设计中，同时继续保持建筑的文化特征，就应该从技术和美学两方面入手，使建筑设计与太阳能技术有机结合，由此产生了“一体化设计”的概念。“一体化设计”是指在建筑规划设计之初，就将太阳能利用纳入设计内容，使之成为建筑的一个有机组成部分，统一设计、施工、调试。

2 光伏建筑一体化分类

根据光伏方阵与建筑结合形式的不同，BIPV可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。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。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。如光电屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。光伏方阵与建筑的结合是一种常用的 BIPV形式，特别是与建筑屋面的结合。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。表1为常见的与建筑结合的安装方式。

表1 常见的与建筑结合的安装方式

3 建筑设计要点

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BIPV设计都是不合格的设计。

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的先决条件；其次是考虑建筑物的周边环境条件，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，环保绿色的设计理念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改变。

太阳能电池与建筑相结合，有时不可避免的会受到遮挡，如树、广告牌、女儿墙、其他建筑。遮挡对于晶体硅电池发电量影响很大，对于非晶硅的影响会小得多。一块晶体硅电池组件被遮挡了 1/10的面积，功率损失将达到 50%；而非晶硅受到同样的遮挡，功率损失只有10%，这就是薄膜电池弱光发电性能的体现。如果太阳能电池不可避免的会被遮挡，应当尽量选用非晶硅电池。同时，建议每一个 BIPV项目都要经过专业的遮挡分析，长期处于阴影遮挡下的建筑，是不适合做BIPV的。

设计时我们应该采用专业生态环境分析软件对建筑所处环境进行模拟分析，合理布置电池板，使电池板始终在太阳的“光芒”下。分析时对系统所处位置采用按春分、夏至、秋分、冬至四个时间点。冬至、夏至是太阳的南北回归线，对于地球来说是太阳运行距离最远的两个端点，如果建筑在这两个时间点上不被遮挡，那么我们布置的电池板将会长年接受阳光的照耀。

BIPV建筑说到底就是一个建筑，它是建筑师的艺术品，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。

4 结构安全性与构造设计要点

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很多，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。二是固定组件的连接方式的安全性，组件的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，并充分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。如隐框幕墙的无边框、采光顶的排水等普通组件边框已不适用。

当光伏组件与建筑集成使用时，光伏组件是一种建筑材料，作为建筑幕墙或采光屋顶使用。因此，需满足建筑的安全性与可靠性需要。光伏组件的玻璃需要增厚，具有一定的抗风压能力，同时光伏组件也需要有一定的韧性，在风荷载作用时能有一定的变形，这种变形不会影响到光伏组件的正常工作。

当光伏电池作为一种建筑维护材料，我们必须首先对其强度和刚度做详细的分析检查。

整个系统的结构安全校核应包括但不限于以下几方面：

（1）电池组件（面板材料）强度及刚度校核；

（2）支撑构件（龙骨）的强度及刚度校核；

（3）电池组件与支撑构件的连接计算；

（4）支撑构件与主体结构的连接计算。

5 发电系统设计要点

BIPV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。光伏组件设计涉及电池片的选型(综合考虑外观色彩与发电量)与布置(结合板块大小、功率要求、电池片大小进行)、组件的装配设计(组件的密封与安装形式)。光伏发电系统的设计，即系统类型(并网系统或独立系统)确定控制器、逆变器、蓄电池等的选型及防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。

普通光伏系统的大部分连接线都是敞开在大气中，空气对流充分，温度低。BIPV建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中，其温度远远高于普通光伏系统电线所处的环境温度，这对 BIPV建筑系统中电线的要求要高很多。普通系统中，一般使用普通的聚氯乙稀铜线就能满足要求，但在 BIPV系统中，建议使用光伏专用电线、双层交联聚乙烯浸锡铜线。另外考虑到温度对电阻的影响，BIPV建筑系统中选用的电线直径应该要比普通光伏系统大一些。

在设计 BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型。但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同。这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使 BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。

6 光伏方阵与光伏组件的设计要点

影响光伏发电有两个因素，一是光伏组件可能接受到的太阳能；二是光伏组件本身的性能。由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，因而太阳能电池方阵所能获得的辐射量决定了它的发电量。而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影响太阳能的发电。但这些因素对于具体建筑而言是客观因素，几乎只能被动选择。对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。对于某一具体位置的建筑来说，与光伏方阵结合或集成的屋顶和墙面，所能接受的太阳辐射是一定的。为获得更多的太阳能，光伏方阵的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南、东南面等。

用于 BIPV的光伏组件，由于其安装朝向与部位的要求，在不可能作为建筑外装饰的主要材料的前提下，光伏组件的颜色与质感需与整座建筑协调。

在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。

普通光伏组件并没有像中空玻璃一样的隔热空气层，只是简单地安装在建筑物上或者支撑构件上，和建筑物并没有形成统一的整体。这时的光伏组件作为 BIPV组件来使用往往会将大量的热量带入室内，造成耗能和节能相矛盾的情况，同时也不能满足建筑的隔音要求。这时可以将普通光伏组件做成中空Low-E玻璃的形式，这样既能隔热又能隔音。

目前市场上大部分的光伏组件用于为光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一，不能适应建筑多样化与个性化的要求。用于BIPV的光伏组件，需要结合建筑的不同要求，进行专门的设计与生产。

7 与智能建筑的结合

在现代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的资料文献中还没有被纳入其中。根据以后的发展情况，BIPV系统应当纳入BAS中。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做准备。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内容的一个重要补充。