光伏建筑一体化技术应用研究

2024-03-27张马斌

中国建筑装饰装修 2024年1期

张马斌

根据相关数据显示，中国碳排放总量之中，建筑碳排放占比超过一半，建筑运营阶段的碳排放量占比高达22%，说明建筑业已经成为实现零碳目标的最大阻力[1]。为了控制碳排放，光伏发电技术被广泛地应用于绿色建筑。

光伏建筑一体化（BIPV）是指将太阳能光伏技术与建筑技术相结合，在建筑外墙或房顶上安装光伏组件，使建筑能够充分利用太阳能来发电，从而满足居住者的用电需求[2]。BIPV具有安全可靠、低碳环保的特性，是当前最符合绿色建筑发展趋势的技术模式。BIPV 的光伏系统以其技术成熟和价格低廉的优点，尤其适用于绿色建筑。系统中的光伏组件除了能够产生电力外，还具有其他功能，如隔热、抗气候和遮蔽等。采用BIPV 技术可以有效降低混凝土和钢材等建材的用量，间接降低建筑碳排放量。

在建筑中应用BIPV 技术，既能满足自身的电力需求，又能产生额外的能源收益，对建筑物自身以及环境的可持续发展都具有重要意义。

综上，BIPV具有广泛的应用前景，由于此技术是一种新技术，发展时间较短，缺乏设计和安装经验，而且在应用过程中存在不足。因此，需要探索一种完善且合理的BIPV 技术，并将其推广到其他领域，是推动我国建筑行业绿色发展的重要途径。

1 光伏建筑一体化的概念及光伏组件的分类

1.1 光伏建筑一体化的概念

光伏建筑一体化是一种基于整体思想的新建筑节能技术，它将太阳能光伏产品融入建筑，并与建筑同时设计、建造和安装[3]。在实际应用过程中，光伏产品可以与建筑的照明和遮阳设计有机结合，从而发挥更大的作用。此技术是一种更加先进的绿色技术，也是未来分布式光伏发电技术的主要发展方向，对于加快我国“双碳”战略的实施具有重要意义。

BIPV 系统主要包括光伏组件模块、充放电控制器、储能系统、交流逆变电源、线路保护系统以及后备电源等6 个模块[4]。在设计BIPV 系统时，需要从全寿命周期的成本出发，合理选择和配置核心部件，同时兼顾建筑的用途、朝向、用电负荷和安全标准等要求，使居住者能够切实感受到绿色建筑的科技感和舒适感。

1.2 光伏组件的安装方式

1.2.1 光伏采光顶

在BIPV 技术的应用中，太阳能采光顶一般设置在屋顶。相较于其他常规的建材，光伏采光顶具有透光性好和节能效果好的优点。它应用了光电发电技术，能够将收集的光能转化为电能，从而实现太阳能的高效利用。太阳能采光顶由双玻太阳能电池板和其他设备构成。当将其应用于实际项目时，要合理设计节点，并选用透光性好的光电模块，还要在安装过程中使用有机硅密封粘接剂，控制施工质量，以确保设备的安全性。

1.2.2 光伏幕墙

从结构上来讲，光伏幕墙的建造方法和传统玻璃幕墙相同。将光伏发电技术与幕墙技术相结合的光伏幕墙，通过光伏组件驱动将太阳能转换为电能，从而达到节能降耗的目的。与其他建材相比，光伏幕墙最大的优点是环保性能好，对周围环境产生的不良影响较小，同时还可以起到通风的作用。光伏幕墙作为一种新型的光伏建筑集成方式，不仅可以就地发电，降低电能传输过程中的成本及能源消耗，还能为电网提供电力，减轻峰值电力负荷，缓解电网峰谷供需矛盾。

2 光伏建筑一体化的应用要求

2.1 合理选择光伏组件

在BIPV 的应用过程中，应充分利用光伏发电技术，将具有节能和透光等多种特性的材料与建筑的不同部位有机结合起来，从而达到节能减排的目的。要想在城镇住宅中最大限度发挥BIPV 技术的应用价值，要明确该技术在住宅中的应用要求，并进行合理的设备选型。这样不仅能够满足城镇住宅的发电需求，而且能够确保建筑材料的实用性。

建筑师在使用太阳能采光顶棚和光伏幕墙等光伏组件时，除了要充分利用太阳能资源，还要分析光伏组件的性能，以便实现预先设定的目标。一些光电模块能够快速将光能转换为电能，而且不受外部环境的干扰，实现高效发电。目前，部分太阳能电池板的转换过程较慢，其对太阳光的吸收能力不强，转化的能量较少。因此，建筑设计师要对光电模块进行细致的性能分析，从现实出发，确保光电模块与居住环境相匹配，从而达到节能降耗的目的。

太阳能建筑集成模块与普通的平板太阳能电池模块有很大的区别。光伏与建筑的集成对光伏模块提出了更高的要求，既要将太阳能转换为电能，又要满足住宅的绿色、低碳和节能等要求，还要具备保暖、防水和装饰功能。此外，BIPV 对太阳能电池板的强度和硬度等提出了更高要求。更高的强度和硬度能够降低建设过程中对光伏部件的损伤，从而避免资源浪费，保证建材的高效利用，使建筑符合新时期的绿色发展理念。

光伏发电与一般的发电方式有很大的区别，它以太阳能为能源，利用光电模块将采集到的太阳能转换为电能，为住宅供电。光伏模块与建筑的集成，会受到多种因素的影响。随着太阳能电池技术的不断升级和更新，太阳能电池模块的种类逐渐增加。因为每个住宅小区的地理位置不同，所以太阳光的照射范围有差异。针对这一情况，建筑设计师必须根据不同地区的实际情况和地域特点，因地制宜地使用太阳能电池模块，从而达到理想的发电效果。

2.2 合理布置光伏方阵

将BIPV技术应用于城镇住宅时，应结合住宅的实际状况布置光伏阵列，具体为：

1）由于城镇住宅的空间功能相对固定，因此建筑设计师需根据实际情况，围绕节能和低耗等需求，结合光伏组件特点，合理布局光伏阵列。

2）建筑设计师在布局光伏阵列时，要将太阳照射方向和住宅方位等因素结合起来，保证光伏阵列的有效利用。

3 主要技术问题和解决方案

光伏与建筑融合的优势，使BIPV在城市中得到了广泛的应用。但是，若要在城市中大规模推广该技术，则需要解决若干关键技术难题。如对发电功率影响较大的是太阳能电池模块散热问题和遮挡问题。目前，业界对太阳能光伏发电功率的影响因素已经展开了较为深入的研究。

3.1 散热问题及解决方案

太阳能电池板只能吸收大约20%的太阳辐射，其中绝大部分被转化为热能，导致电池温升过快，严重时会引起电池过热损伤。针对这一问题，有研究者提出了光伏光热建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic/Thermal，BIPV/T）系统[5]。

BIPV/T 系统是基于BIPV 系统的一种新型蓄能系统，它不仅能吸收太阳能电池板的余热，而且能有效提高电池的使用寿命，还能提升其发电效率和热效率。此外，该系统还能将太阳能转化成热能，在冬季为建筑供暖，从而降低建筑的热负荷，提高建筑的居住环境质量。BIPV/T 系统分为风冷型BIPV/T 系统和水冷型BIPV/T 系统两类。

风冷型BIPV/T 系统在运行时，是采用自然对流或者风机吹风的方式进行强迫对流，以达到降温的目的，进而可以提升系统的光电转化效率，该系统造价低廉，结构简单。研究结果表明，当空气流速由0.008 kg/s 提高到0.016 kg/s 时，太阳能电池板的光热转换效率由13.50%高至22.75%。比较自然通风条件下不同风道间距和风口间距对太阳能电池板表面温度的影响，当太阳能电池板采用通风道结构并在屋面间设置通风道，其表面温度下降约20 ℃，发电效率增加约8%。

采用自然通风的制冷设备成本较低，但当环境温度超过20 ℃时制冷效率急剧下降。在这种情况下，水冷型设备更具优势。水冷型BIPV/T 系统通过在太阳能电池板下方设置的流道中引入低温水，来降低系统温度，保证设备的安全稳定运行。与风冷型BIPV/T 系统相比，水冷型BIPV/T 系统的综合性能更好，可获更多热能。

BIPV/T 的工作性能受到外部和内部2 个方面的因素影响：外部因素包括辐射照度、环境温度和空气流速等。内在因素包括太阳能集热器的太阳能覆盖率、空气空腔厚度与集热器长宽比等结构参数。在水冷型BIPV/T 系统中，管间距与管径之比和肋板厚度等参数也是影响BIPV/T 装置性能的内在因素。虽然外部因素难以控制，但是可以通过调节特定的参数来提高组件的性能。因此，研究这些参量是优化BIPV/T 系统性能的关键。

集主动制冷与自清洁于一体的光伏/光热转换系统，在太阳能电池板背面采用强迫式气流进行主动降温，在其正面采用水循环进行辅助散热和清洗。研究表明，与单独使用太阳能电池板相比，该系统太阳能电池板的平均温升降低了15 ℃，能源利用率提高5.7%。

除上述常规制冷方法，以相变材料（Phase Change Material，PCM）为基础的新型制冷技术受到业界关注。PCM 可在相变过程中吸附或释放大量潜热。相变储能技术将太阳能电池输出的热能转换为潜热，使太阳能电池的温度维持在较低值附近。利用相变储能技术能够构建空气制冷的双流道光伏/光热转换装置。

3.2 阴影遮挡问题及解决方案

BIPV 系统采用光伏组件替代传统的建筑材料，将其与建筑的屋面、外墙和门窗等有机结合，实现建筑与太阳能光伏产品的一体化。该技术不仅能够为建筑物提供电能和热能，达到节能减排的目的，还能节省安装太阳能电池板所需的空间。但是，由于树木、建筑和其他太阳能面板的影响，BIPV 系统的发电功率会下降。

为了降低阴影遮挡对BIPV 系统的影响，应该在规划选址的时候，计算BIPV 系统的阴影率，以选取最优位置。但是，在充分利用太阳能的基础上，在规划设计阶段，还必须权衡BIPV 系统的发电容量和建筑外观、结构和功能要求。

利用非晶态硅薄膜太阳电池板也能够有效减少阴影带来的影响。与常规的单晶硅和多晶硅太阳能电池板相比，非晶态硅薄膜太阳能电池板具有不受阴影遮挡、颜色丰富和成本低廉的优点，在BIPV 领域具有广阔的应用前景，但其光电转换效率较低。为了更好地解决BIPV 系统的阴影遮挡问题，本文结合实际建筑的遮阴率和当地气象条件，通过修正太阳偏角和再选取光伏阵列倾斜角度，降低遮挡效应。还可以通过调节支架立柱高度或安装倾角的方法解决遮挡问题。

光伏组件所处的位置一般为南北向，如果所处的位置为南北向斜坡，则光伏组件南北方向的排列距离不但与所处的纬度和安装倾角有关，而且还与地形坡度有关。

处于斜坡的光伏组件的南北向最小间距计算公式为：

式中：D'为南北自然角度条件下，光伏模块南北方向的最小间距；θ为南北方向的自然角度；t为东西方向的自然角度；L为太阳能电池板的长度；α为光电组件的安装倾斜角度；i为冬季每天09:00 的太阳方位角；β为冬季每天09:00 的太阳高度角。

从式（1）可知，在光伏组件设计中，若没有将斜坡因子纳入考虑，将会影响光伏组件的南北最小间隔的计算精度。光伏组件的最优安装角度随季节的变化而改变。固定型光伏支架可以通过调节立柱高度和光电模块安装角度的方法，减少影子遮挡区域。对于单体光伏支架，则可以按照季节调整倾斜角度。采用固定可调式光伏支架，可以在一年中多次调整倾斜角度，能够获得更多阳光照射，进而提高发电效率。

根据PVsyst 仿真结果，安装固定可调节支架的光伏阵列的发电功率能够提高2%～5%。但固定可调式光伏支架的调整幅度不得大于原有的固定安装角度。

4 光伏建筑一体化的未来思考

4.1 未来市场空间

“3060”双碳目标的提出和风电、光伏发电等新能源产业的发展，为未来十年的风电和光伏等新能源产业提供了广阔的发展空间。据国家统计局预测，到2025 年，光伏建筑的新增市场和存量市场规模将达到20 亿元，BIPV 的市场规模将达到700 亿元，而太阳能电池板的市场规模也将达到2000 亿元。随着一系列相关规范的落地和绿色建筑、碳中和等政策的落实，BIPV 总体渗透率将迅速接近20%，其未来的发展空间巨大。

4.2 面临的挑战

4.2.1 工业生态环境不完善

进入BIPV 行业的参与者数量不断增加，涵盖光伏、逆变器、防水、金属防护以及建筑等多个领域，行业之间的整合难度较大，尤其是光伏和建筑行业的融合。目前，BIPV 行业尚处于起步阶段，整个行业的生态有待完善，且项目的运行和维护都面临着诸多的挑战，急需探索一种成熟的商业模式。

4.2.2 标准不完善

BIPV 系统是一种涉及多产业和多领域的综合性产品。对于BIPV 行业标准的制订，不仅要考虑电气、力学和可靠性等方面的要求，还要考虑建筑防火和安全等。应深入研究和分析BIPV 产品，并在此基础上建立专门的标准。除了行业标准，在设计方面也缺乏相应的标准，制订和完善BIPV设计标准，应涵盖产品设计、工程施工及竣工验收等各个阶段，为光伏建筑一体化工程的设计和建设奠定基础。