光伏建筑一体化技术及应用分析

张勇

（中国建材国际工程集团有限公司江苏分公司，江苏 南京 210000）

近年来，为减少建筑业能耗用量与碳排放量，光伏发电在逐渐成为一种常用的可再生能源利用方式，在建筑领域中绽放光彩，起到减少发电用电成本、降低线损量、降低碳排放量等多重作用，光伏系统也成为绿色建筑的重要组成部分。与此同时，光伏建筑一体化技术的问世时间有限，尽管积累起十分成熟的设计、安装经验，但在应用期间仍旧暴露出多项问题有待解决。如何探索一套成熟完善的光伏建筑一体化技术应用模式，是加快我国建筑业发展步伐的关键，本文就此开展研究。

1 光伏建筑一体化技术概述

1.1 技术概念

光伏建筑一体化并非简单在建筑屋顶等部位搭载光伏阵列与安装蓄电池、逆变器等装置，而是将光伏系统、建筑物结构功能进行有机结合。简单来讲，把建筑物视作为利用太阳能的重要载体，由光伏系统持续将所吸收太阳能辐射能量转换为交流电，再将交流电提供给建筑用电设备，如照明用电、空调用电、暖通用电，由此来建设新一代的绿色节能建筑，实现太阳能利用、建筑物的优势互补目的。

1.2 光伏建筑一体化结合方式

根据光伏建筑一体化技术实际应用情况来看，被动太阳能房、主动太阳能房和“零能房屋”是最为常见的三种结合方式，不同方式的实际应用效果、能量转换效率有着明显差异，具体如下。

第一，被动式太阳能房。基于传热学原理而建设的光伏建筑，在建筑围护结构上使用大面积的玻璃板材，太阳光通过玻璃板材照射至室内环境，从而获取、存储一定的太阳能，通过配置遮阳窗帘、遮阳百叶等装置，起到“冬暖夏凉”的使用效果。

第二，主动式太阳能房。在建筑内部安装蓄热水箱、房间散热器等设备，在屋顶部位铺设集热器，以水为介质，由集热器主动收集、存储太阳能，使用太阳能来维持室内温度，主要用于室内采暖、供热水等场景，这也是现代建筑中较为常见的一种集热形式。

第三，零能房屋。这也被称为零能耗建筑，是在建筑屋顶等部位安装若干太阳能发电板，以及蓄电池、逆变器等配套设备，组成光伏发电系统，由电池板持续将太阳光辐射能量转换为直流电，由逆变器将直流电转换为交流电，将交流电提供给建筑供配电系统，以及将多余电能存储在蓄电池中留待夜间使用。如此，在不消耗外部电能与煤炭等其他能源的情况下，即可维持建筑正常运转。同时，零能耗建筑对光伏阵列规模、当地日照条件与时长、建筑能耗总量有着严格要求，大多数建筑并未达到零能耗建筑的标准，以外接市电为主、光伏发电为辅。

1.3 光伏建筑一体化应用实例

光伏建筑一体化技术自问世伊始，便得到国内外建筑业的广泛关注，陆续在上海世博园主题馆、日本NTTDoCoMo大厦、德国Mont-Cenis美术馆等项目中得到应用，取得显著节能效果。例如，在上海世博园主题馆项目中，如图1所示，在屋顶凸起部位搭建BIPV光伏发电系统，光伏组件铺设面积为3万m，实际发电能力高达2.57MW，体现出人与自然和谐共处、共同发展的理念。

图1 上海世博园主题馆光伏项目俯瞰图

2 光伏建筑一体化技术的实现方法

2.1 建筑规划设计

2.1.1 场地评估

考虑到部分建筑所处区域的日照条件较差，所修建光伏发电系统的实际发电能力较差，投入产出不合理，无法在建筑物使用期间通过光伏发电来取得预期的经济、社会与生态效益。因此，在光伏建筑一体化项目立项前，必须做好场地评估工作，对工程现场的气候条件、日照情况、建筑结构布局、临近建筑物分布情况进行全面考察，判断在发电量、发电稳定性、成本效益等层面上是否具备光伏建筑一体化技术的应用条件，在日照时间过短、周边密集高层建筑物而遮蔽太阳光、缺乏光伏组件铺设空间的情况下，不推荐应用此项技术。同时，在确定建设一体化光伏建筑的前提下，根据日影朝向、日照时长等因素，计算最佳的光伏组件铺设面积，确定光伏组件位置、光伏阵列安装方法，最大程度提高系统实际发电量。

2.1.2 整体设计

为取得理想的光伏发电效果，设计人员必须做到对光伏系统、建筑物结构二者的统筹兼顾，在不影响建筑物正常使用、结构功能发挥与使用安全的前提下，对建筑整体设计方案进行优化调整，为光伏发电系统的安装、运行营造良好的外部环境。例如，在建筑外立面造型设计环节，尽可量保持建筑物的造型规则形态，减少凹凸、坡度与弧度，为光伏组件的大面积铺设提供充足空间。

2.1.3 通风散热设计

光伏系统的发电功率受到温度的明显影响，有着工作温度与填充因子数量成反比的特性，随着温度升高，光伏组件填充因子数量减少，发电效率随之降低，如果发电板自身温度过高，将会严重削弱光伏系统的发电能力。同时，在一体化光伏建筑中，光伏组件是围护结构的重要组成部分，在光伏组件温度较高的情况下，将由此引发室内温度升高、建筑冷负荷增加。对此，需要在建筑结构设计方案中采取通风散热措施，具体包括通风屋面、内嵌保温层。其中，通风屋面是在建筑屋顶部位设置通风间层，在风压、热压作用下，持续向屋顶夹层中吹入新鲜冷空气与排除浑浊热空气，在空气流动时持续带走夹层热量，通过降低周边环境温度的方式来维持光伏组件工作温度，避免组件温度持续升高。而内嵌保温层是在建筑墙体内侧铺设保温层，或是选用双排混凝土、轻骨料混凝土空心砌块墙体等自身具备良好保温隔热性能的构造形式，起到阻拦室内外热交换的作用，维持室内环境温度，在光伏组件工作温度较高的前提下，也不会明显增加建筑冷负荷。

2.2 建筑安装

在一体化光伏建筑安装阶段，需要综合分析当地气候条件、光伏阵列尺寸、建筑视觉效果等多方面因素，选择最佳的建筑、光伏系统结合方式，在确定结合方式后，再制定具体的安装方案。

2.2.1 建筑屋顶与光伏系统结合

建筑屋顶与光伏系统结合方式也被称为光电采光顶，在光照条件最佳的建筑屋顶部位大面积安装光伏组件，有着太阳辐射面积大、光伏组件易于安装、实际发电量高的优势，但需要满足周边无高大建筑物遮挡的条件。同时，为改善发电效果，需要重点关注阵列倾角、屋顶排水降温两项问题。对于阵列倾角问题，在我国北方地区和南方地区，光伏阵列倾角略大于当地纬度的10～15°和5～10°即可。对于屋顶排水降温问题，可选用全隐结构或是横隐竖明的屋顶结构形式。

2.2.2 建筑墙体与光伏系统结合

建筑墙体与光伏系统结合方式也被称为光电幕墙，在建筑物围护结构的墙体部位上安装双玻璃光伏组件来取代传统玻璃面板，在两片玻璃中间夹层中设置PVB胶片复合太阳能电池片。如此，既可以将双玻璃光伏组件直接作为建筑物围护结构和光伏系统支撑结构，起到保温隔热、隔音降噪等多重功能，同时，双玻光伏组件还可以持续吸收太阳光辐射能量并转换为电能，并通过吸收太阳能来控制墙面温度、减小建筑室内冷负荷。根据实际应用情况来看，需要将双玻光伏组件的镜面反射系数控制在82%～92%区间内，由于光伏玻璃需要在建筑外侧垂直安装，受到角度限制，光伏系统的实际输出功率略低于光电采光顶。

2.2.3 遮阳设备与光伏组件结合

遮阳设备与光伏组件相结合也被称为光电遮阳，在建筑墙体外侧安装铝合金遮阳百叶和太阳能电池片，既可以起到遮阳降温的作用，避免太阳光直射入室内环境，同时，还将由遮阳百叶上的太阳能面板持续吸收辐射能量与转换电能，实现建筑物发电、遮阳功能的完美结合。

此外，光电遮阳系统可分为固定遮阳、跟踪调节两种类型。其中，固定遮阳是安装方向角度无法调节的遮阳百叶与太阳能电池片，有着成本低廉、结构简单的优势，根据建筑地理位置、朝向来计算最佳遮阳角度，这类系统的光伏发电能力有限。而跟踪调节遮阳是在系统中加装传感器装置，安装新型可调节遮阳百叶，系统主动感知外部环境情况，随着时间推移与季节变化，自动对遮阳百叶的开启角度进行调节，这将显著提升光伏系统的发电功率。

2.2.4 屋顶瓦板与光伏组件结合

这一结合方式是选用新型的太阳能瓦，直接在建筑屋面上铺设太阳能瓦，以太阳能瓦作为屋面材料，彻底取代了传统建筑屋面，而传统光伏系统则是在建筑屋面构造上安装光伏组件，有着结构复杂、材料用量大、造价成本高昂的局限性。同时，根据实际应用效果来看，相比于光电采光顶、光电遮阳等其他类型光伏系统，这类建筑光伏系统的太阳辐射面积最大，发电效率最高，且光伏系统与建筑物的造价成本略低于其他光伏系统。

3 光伏建筑一体化技术的应用策略

3.1 气候适应

建筑光伏系统的发电能力、发电稳定性受到当地气候条件的明显影响，如果当地日照条件不佳、日照时间不长，导致光伏系统实际发电量随之降低。而在当地气候多变的情况下，将在光伏系统运行期间出现形成较大瞬时电流、电压不稳等问题，系统稳定性较差。对此，为减小气候条件对系统运行造成的影响，实现光伏发电效率最大化目标，应从设定最佳倾角、降温节能、防雨保护三方面着手，具体如下。

第一，设定最佳倾角。为保证光伏组件在昼间可以接收最多的太阳辐射、延长光伏组件实际发电时长，需要根据建筑物朝向、当地日影朝向与经纬度来选择光伏组件的倾斜角度和安装位置。例如，在我国沈阳地区，光伏组件的最佳倾角为36°。而在我国上海地区，光伏组件最佳倾角为23～26°。

第二，降温节能。在一体化光伏建筑中，普遍选择在屋顶、墙面等部位来安装黑色太阳能电池板作为光伏组件，由于黑色具有吸热属性，且光伏组件长时间接收太阳能辐射，大量热能在组件上蓄积，引发发电功率降低、建筑空腔结构温度升高、室内冷负荷增加等连锁问题出现。针对这一问题，需要采取调整配套设备安装位置、清理光伏组件、遮阳降温的措施，起到降温节能的效果。其中，调整设备安装位置是增加逆变器、蓄电池等配套设备与太阳能电池板的间隔距离，在设备间形成空气流线，在空气流动时带走一定的热量，避免设备间距过小而导致热量集中分布。清理光伏组件是在建筑投运使用期间，定期擦除光伏组件表面附着的灰尘，如果灰尘清理不及时，将会明显提高附灰部位的温升速度与温度，严重时会损坏光伏组件，在表面形成烧坏暗斑。而遮阳降温是在蓄电池、逆变器等部位搭设遮阳伞等设施，避免太阳光直射而提高配套设备工作温度、影响发电量。

第三，防雨保护。如果光伏组件、蓄电池、逆变器和电缆线路长时间浸泡在水中，容易出现短路等电气故障，严重时引发人员触电、电气火灾等安全事故。对此，必须在一体化光伏建筑项目中重点关注防雨问题，可以选择设计坡屋面来取代传统平屋面，屋顶雨水在重力作用下快速排出，避免雨水汇集后形成积水。

3.2 成本把控

除去上海世博园主题馆等大型公共建筑、城市地标性建筑外，减少建筑用电成本，是老旧建筑和新建中小型建筑工程选用光伏建筑一体化技术的首要目的，如果光伏发电系统的总体使用成本超过所节省用电成本，则违背一体化光伏建筑的初衷目的。因此，在建筑设计阶段，设计人员需要提前做好现场实地考察工作，收集气候条件、不同季节日照时长、周边建筑物高度与间距等相关资料，应用BIM技术，在BIM软件中导入工程资料和构建3D实景模型，开展日照模拟分析实验，通过实验结果来论证在采取不同结合方式、光伏阵列安装位置、阵列倾角时的实际发电量，从中选择最佳方案。例如，在建筑物周边无高层建筑物遮挡自然光线、屋顶面积较大时，优先采取光电采光顶系统。同时，在原定方案中光伏系统造价成本较为高昂时，可以通过调整光伏材料品种、缩减光伏阵列规模面积的方法，将实际成本控制在可接受程度内，确保光伏建筑一体化技术在多数建筑工程中都具备实际应用条件。

3.3 安全保障

除去光电幕墙等少数几种光伏系统外，多数建筑光伏系统都选择将光伏组件布置在室外，与外界环境直接接触。在光伏系统运行期间，受到外部环境侵蚀、强风暴雨等恶劣气候的影响，导致光伏组件与配套设备、线路的老化速度加快，有可能出现光伏组件坠落、绝缘失效、线路漏电、电气火灾等事故，存在安全隐患，致使部分建筑企业对应用光伏建筑一体化技术存在顾虑。对此，为保障光伏建筑使用安全，预防各类安全事故的出现，必须在技术应用期间落实安全性策略。例如，对于电气火灾问题，在光伏系统中建立继电保护机制，安装断路器、继电器等装置，在检测到输电线路、蓄电池等设备出现异常情况时，在短时间内自动切除故障部分与非故障部分连接，避免形成电气故障和电气火灾。而对于防雷保护问题，在建筑屋顶部位安装避雷针和布置接地网，主动从云层中接引雷电流并泄入大地，避免光伏组件、蓄电池、逆变器等设备因流经雷电流而烧损。

4 结语

综上所述，光伏建筑一体化技术的应用，是现代建筑工程的必然发展趋势，也是优化我国能源消费结构、加快生态城市建设步伐的关键。建筑企业必须做到对光伏建筑一体化技术的全面了解，遵循实际出发、因地制宜的应用原则，根据工程现场情况来制定设计方案、选择光伏建筑结合方式，积极落实气候适应、成本把控、安全保障三项应用策略，确保光伏系统与建筑物在各个方面都保持兼容匹配状态。