基于光伏技术的太阳能建筑设计

张经纬

(河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津300401)

基于光伏技术的太阳能建筑设计

张经纬

(河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津300401)

阐述了太阳能光伏发电技术原理，针对光伏设备和建筑结合途径进行了探讨，总结建筑围护结构与太阳能光伏发电系统有效结合的两种形式，分析了其构成特点和产生的效益。

太阳能光伏技术;光伏屋顶;光伏幕墙;光伏遮阳

建筑节能是近年来建筑发展的基本趋势，是通过“技术性思维”来改变传统的设计观念，在建筑中体现“技术美”的魅力，以高智能、低能耗、可循环性和自我调节性的设计理念创造了一个新的设计系统。节能技术的应用在很大程度上降低了对传统能源的依赖，将新型能源开发放到了首要位置，这其中就包括太阳能光伏发电技术。太阳能在未来人类能源中具有最重要的战略地位。到21世纪未可再生能源在能源结构中的比重达到86%，太阳能达到66%，其中太阳能发电达63%。太阳能光伏技术与建筑相结合，将建筑由单纯电力消耗者变成能源的生产者。特别是并网技术的发展，使光伏建筑摆脱了蓄电池，实现了稳定不间断供电。

1　光伏技术的应用

光伏(PV or photovoltaic)是太阳能光伏发电系统(photovoltaic power system)的简称。光转变成电的光生伏特称之为光伏。在光照条件下，通过利用硅等半导体材料所制成的太阳能电池，在材料两端产生电动势，这种现象叫做光伏效应。一个太阳能电池就是一个小型发电机。为了增大功率输出，若干个太阳能电池连接起来，装配成一大块太阳能电池板，简称光伏板。它的优点是安全可靠，无污染排放，环保无公害，能源效率较高。要想提高发电效率，光伏板需要较大的受光面积以保证光照的充足，而建筑物具有表面积大的特点，因而将光伏发电技术与建筑有效结合－光伏建筑一体化，不仅不会占用额外的地面空间，而且还可以缩短供电距离，较少电能损耗，在城市发展建设中被广泛使用。

2　光伏技术与建筑结合途径

将光伏发电系统与建筑有机结合在一起，简而言之就是在建筑围护结构的外表面安装光伏发电板来实现利用建筑空间的同时，有效利用建筑外表面、无需额外占地或者加建其他设施、节约装饰材料、外观更有魅力、缓解电力需求、降低夏季空调负荷、改善室内热环境等［1］。一类是常用的形式，就是光伏发电方阵与建筑的结合，特别是将光伏发电方阵安装在建筑屋面。另一类是光伏发电方阵与建筑材料的有效集成。如光电幕墙和光电采光顶等。光伏发电方阵与建筑材料的有效集成是光伏建筑一体化的高级形式之一，该组合方式对光伏发电组件有较高的要求。光伏发电组件要同时满足光伏发电和建筑材料的基本功能两项要求。

2．1光伏组件与建筑的结合

这种方式的光伏组件和建筑相互独立，建筑构造作为设备固定的基础面，用支架的方式架设或以其他构造方式铺设在屋顶构造层之上［2］。这样使得光伏组件与屋顶结构层完全隔离，各个部分功能相对独立，因此这种模式的光伏屋顶从构造角度上而言比较简单，同时也可以通过改变支架的角度来适应不同的屋面角度与屋顶形式。

整个系统由光伏板、光伏板与屋顶间的气流流道、固定支架、空气入口、空气出口、负载部分，还带有蓄电池、逆变器及有利于系统控制和调节的复杂装置。系统安装通常是在建筑屋顶上预埋固定件如螺栓，并以此来固定支架的位置。支架布置的自由度较大，光伏板可以通过调整倾斜角度、光伏构件之间的间距，光伏构件与建筑自身构件的位置以此避免阴影，达到最大效率的发电(见图1)。气流流道是整个系统不可缺少的，良好的空气冷却是保证光伏发电高效率的有效途径。在安装时需要在支架与屋顶之间隔离预留一定的距离，以保证良好的空气流动，从而降低光伏组件的工作温度。从图2中可以看出光伏屋面冷负荷降低了60%左右。

2．2光伏组件与建筑的集成

1)光伏双层幕墙

建筑幕墙是建筑物外围护结构之一，是建筑室内与室外的屏障，其保温性能的好坏，是整个建筑物节能与否的关键。光伏组件与建筑集成主要是在建筑围护结构采用新型幕墙结构——光伏幕墙结构形式，该幕墙结构形式分为外层和内层两部分，外层一般采用点支式、明框式或隐框式三种玻璃幕墙，内层则一般采用明框或隐框两种玻璃幕墙，在内外两层玻璃幕墙之间，放置多晶硅电池片。光伏玻璃幕墙的玻璃采用双层钢化玻璃合片制作而成，前后玻璃之间形成了空气隔离层，对室内起到隔热保温的效果，多晶硅电池片有间隔地倾斜安装在两片玻璃之间，使其呈现呈百叶状(见图3)，玻璃的采光度由多晶硅电池片的排列间隙来控制［4］。百叶的倾斜角度需要考虑入射光线的方向、强度以及当地的纬度。光伏幕墙的节能效果以一座7 000 m2的四层办公建筑为例，建筑的南立面为810 m2光伏玻璃幕墙，其中25%左右的面积配置了光伏电池，年发电量为35 000 kWh，满足建筑5%左右的用电量。

2)光伏遮阳构件

在建筑上需要遮阳的地方一定是受阳光照射最强烈的部位，也是太阳能光伏构件安装的合适位置。将光伏构件用于遮阳系统将很好的发挥遮阳、发电两方面的作用。光伏遮阳系统通常用于建筑外遮阳，因为外遮阳吸收太阳辐射较为充分，可以产生更多的电能，同时利用室外空气可以对光伏构件进行冷却，提高光伏构件的发电效率。水平遮阳系统把光伏电池板放置在遮阳板之上，垂直遮阳系统做成竖向光伏构件。图4建筑使用半透明光伏板作为竖向遮阳板，这种光伏板通常由两层高透明的玻璃将光伏电池镶嵌在两层玻璃之间，电池之间用透明的树脂填充，这种结构的光伏板可以让自然光线通过电池空隙进入室内，达到自然采光的目的。

部分电池也能够吸收太阳辐照降低窗户的得热。以周长为200 m，25层建筑为例，每层合理设置水平、竖直光伏遮阳板，遮阳板面积之和可达屋面面积7～9倍，发电效率较高。

3　光伏技术与建筑结合节能减排效果分析

对已竣工建设项目进行节能效果评估所采用的指标有EPT(Energy Payback Time能量回收期)和CO2减排量。EPT是指光伏发电设备在使用年限内所消耗的能量与该系统的年平均能量输出的比值(单位:a)，也就是光伏发电设备在几年内能补偿本身消耗的能量。使用EPT作为评价指标时，按照目前光伏发电系统的平均使用年限为30 a计算，屋面太阳能光伏发电系统能量回收期为19～40个月，光伏幕墙能量回收期为32～56个月;在减排方面，1 kW光伏幕墙系统在其寿命周期内能够降低23．5 t二氧化碳排放量，而屋面光伏发电系统减少了40 t二氧化碳排放量［5］。以上数据说明光伏技术在建筑中的应用达到了节能减排的要求。

4　结论

光伏技术在建筑中的应用探讨，为建筑节能设计的发展提供了参考依据。这两者的结合不仅达到了节能要求，还为建筑的室内外创造了独特设计效果。随着光伏技术的发展，其能量回收期会逐渐缩短，减排量也会增加，在建筑中的应用更加广泛。

［1］张彧，李小燕．德国太阳能光伏建筑的发展及应用［J］．世界建筑，2010(10):128-131．

［2］郑存耀．太阳能利用技术与屋顶设计一体化应用研究［D］．天津:河北工业大学，2007．

［3］杨洪兴，周伟．太阳能建筑一体化技术与应用［M］．北京:中国建筑工业出版社，2008．

［4］何韶瑶，初祎君，李水生，等．太阳能光伏玻璃幕墙技术研究及应用实践－以长沙中建大厦为例［J］．建筑学报，2009(02):102-103．

［5］IEA PVPS Programme．Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electricity in OECD Cities［OB/EL］．http://www．iea-pvps．org，2006-05-20．

Solar Energy Building Based on Solar Photovoltaic Technology

ZHANG Jing-wei

(School of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

The paper describes the principle of solar photovoltaic technology，discusses the way of photovoltaic equipment and building integration，summarizes an effective combination summary of building structure and solar photovoltaic system，and analyzes its features and benefits．

solar photovoltaic technology;photovoltaic roof;photovoltaic wall;photovoltaic sun-shade

TU18

A

1008-9446(2015)01-0054-04

2014-10-09

张经纬(1992－)，男，河北滦南人，河北工业大学建筑与艺术设计学院建筑学111班学生，主要从事建筑学方面的研究工作。