光伏发电与建筑节能一体化设计

光伏发电与建筑节能一体化设计

史波

（中国能源建设集团广东火电工程有限公司）

摘要：如今低碳生活是现代生活提倡的生活方式，低碳建筑更是建筑设计中需要考量的设计要素。低碳建筑一定是21世纪的世界建筑的主流。如何将低碳概念注入到建筑设计中，是摆在建筑师面前的长期课题。低碳建筑内涵丰富，各国评价标准不一，但洁净能源，尤其是太阳能的合理高效利用一定是低碳建筑的重要内容。在建筑建成使用后漫长的几十年里，降低它的碳排量，减少使用成本，为节能环保做出贡献，是低碳建筑的重要组成部分。

关键词：光伏建筑一体化；太阳能；节能

引言

光伏建筑一体化（BIPV）提出了”建筑物产生能源“的新概念，即通过建筑物与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色环保的太阳能资源产生电力。光伏建筑一体化以其独有的优势必将成为低碳建筑和建筑节能技术的发展趋势。本文将从太阳能光伏建筑的基本概念，光伏建筑的优势以及光伏与建筑如何实现一体化这三个方面对太阳能在建筑中的应用进行介绍。

一、太阳能光伏建筑的基本概念

太阳能光伏建筑发电是新世纪的一种最重要的可再生能源，同时又是高科技在建筑中的创新应用。作为一名建筑师，大家应该了解它，熟悉它和运用它。随着社会的发展，能源需求量的不断增加，所有的传统能源（如煤碳、石油和天然气等矿物化石燃料）有诸多缺点。首先，他会对环境产生极其严重的污染；其次，温室效应也对环境有难以估量的影响；第三就是在不久的将来传统能源可能会消失殆尽。因此，我们必须研究和发展可再生能源，特别是必须研究和发展无穷无尽的自然界清洁能源--太阳能。要想将太阳能转换为电能，提供给人们使用，必须通过产生光伏效应的装置-太阳能电池来实现太阳能的光电装换。在这里，我们就需要了解一些基本概念。

1.1什么是光伏

光伏就是光转变成电即光生伏特的意思。在光照条件下，光伏材料吸收光能后，在材料吸收光能后，在材料两端产生电动势，这种现象叫光伏效应。人们很早就已经发现了光伏效应这种物理现象，但光伏的实际应用经历了漫长的探索过程。为使光伏获得广泛地应用，各国的科学家们仍在努力探索与提高。

1.2光伏元件、光伏板、光伏材料以及半导体是怎么分类的

太阳能电池本质上就是一个二级管，这种二级管具有光伏效应，能把光能直接转变成电能，因此，太阳能电池又称为光伏元件；一个太阳能电池就是一个小型发电机。为了增大功率输出，要把许多个太阳能电池连接起来，装配成一大块的太阳能电池板，简称光伏板；有一种材料，在低温下是绝缘体，但这种材质加入杂质得到能量或是加热时就变成导体，这种材料叫做半导体。现在使用的太阳能电池都是由半导体组成的；用于太阳能的半导体材料有单晶体，多晶体和非晶体三种形式。单晶体：整块晶片只有一个晶粒，晶粒内的原子有序的排列着，不存在晶粒边界，单晶体要求严格的精致技术。多晶体：多晶体的制备不要求那么严格的精致技术，一块晶片含有许多晶粒，晶粒之间存在边界，由于晶粒之间存在很大的电阻，晶粒边界会阻止电流流动。非晶体：原子结构没有长序，材料含有未饱和的或悬浮的键。非晶体材料不能用扩散的方法改变材料导电类型。但加入氢原子会使非晶体中一部分悬浮键饱和，改善材料的质量。

1.3太阳能电池的分类

从材料分，有硅太阳电池，砷化镓太阳电池，铟镓磷太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉电池。从内部材料体型分，有大块晶片太阳能电池和薄膜太阳能电池。从材料的晶体结构来分，有单晶太阳能电池，多晶太阳能电池和非晶太阳能电池。从内部和外部结构来分，有普通太阳能电池，聚光型太阳能电池和级联太阳能电池。

1.4关于光伏一体化的建筑

太阳能光伏建筑一体化（BIPV）系统，是应用太阳能发电的一种新概念。简单地讲就是将太阳能光伏发电阵列与建筑的维护结构相结合，并提供电力的建筑新形势。光伏建筑一体化系统目前在世界上有着巨大的市场潜力，一些发达国家正将光伏建筑一体化作为重点项目进行推广。近年来，国外推行在用电密集的城镇建筑物上安装光伏系统，并采用与公共电网并网的方式，极大地推动了光伏并网系统的发展。光伏建筑一体化已经占据了整个太阳能发电量的最大比例。

二、太阳能光伏建筑的优势

光伏并网发电和建筑一体化的发展，是个标志性的进步。意味着光伏发电将由边远地区向城市过度，由补充能源向替代能源过度。太阳能光伏发电将作为最具可持续发展特征的能源技术进入能源体系，其比例将越来越大并成为能源主体。

从建筑学，光伏技术和经济效应几方面看来，光伏建筑一体化的优点是显而易见的，主要由以下几个方面：

1）节地：能有效利用建筑的屋顶，墙面，甚至雨棚，遮阳板，大大的解决了土地资源，这点在人口密集，土地昂贵的城市显得尤为重要。

2）节能：光伏系统不仅能提供电力，还能降低墙面与屋顶的内表面温度，从而降低了建筑物本身的能耗。

3）节约投资：建筑物光伏板既可以发电，又可以用作建筑的外围护材料，起了双重作用，因而减少了光伏系统成本的回收期。原地发电，原地用电，在一定距离范围内可节省电站送电网的投资。对于连网户用系统，光伏阵列所发电力即可供给本建筑使用，也可送入电网。

4）美观：建筑物光伏板可以提供创新方式改善建筑外观。采用光伏板作为建筑外立面的构成元素，展现建筑的高科技的美。

5）降噪降废：光伏发电系统没有噪声，没有污染物排放，不消耗任何燃料。

6）可持续发展：建筑光伏发电系统对人类生态环境几乎没有破坏，是可持续发展建筑的理想形式。

三、太阳能光电系统的使用现状

太阳能的利用，可分为太阳能热能和太阳光电两方面。本文所讨论的内容为后者，即光-电转换的太阳能光电系统。这种系统利用了物体由于吸收光子而产生电动势的现象来进行发电。我国，乃至全世界，正大力发展太阳能这种洁净能源，但在发展太阳能这条路上面临着三大困难：

（1）转换率低。

（2）电池、组件和辅助设备的成本及安装费、维护费过高。

（3）发电成本高。

四、光伏发电与建筑设计一体化的组织形式

光伏发电与建筑设计一体化有两种方式：一种是建筑与光伏发电系统相结合；另一种是建筑与光伏器件相结合。

4.1建筑与光伏发电系统相结合

就是把组装好的光伏组件（平板或曲面板）安装在住宅楼或高层建筑的屋顶（或外墙面）上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。这种做法质量要求和技术含量较高，且成本也较高，普遍推广受一定限制。

4.2建筑与光伏器件相结合

建筑与光伏系统的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化；由于一般建筑物的外围护结构表面通常采用外墙涂料、幕墙或各式外墙面砖，目的是保护结构主体和装饰建筑外表。如果将光伏器件代替部分建筑材料，做成像外墙面砖、幕墙玻璃等样子来“装饰”建筑物的屋顶、外墙、门窗和遮阳设施，这样，既可当作保护主体结构和装饰建筑外表的装饰材料，又可用来发电，供建筑物内部照明等设施和冬季采暖、夏季制冷所需之电力，可谓一举多得。

但是，要把光伏器件当作建材来使用，必须具备建材所要求的几项基本条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮，具有一定的强度和刚度等。

（1）光伏器件用作屋顶材料。

建筑物的屋企顶用作太阳能光伏发电系统的一种部分有其特有的优势：日照条件好，基本上不容易被它物遮挡，可以充分接受太阳光的辐射，且光伏器件组成系统后可以紧贴屋面结构安装，减少了自然界风力对其的不利影响；太阳能电池组件替代屋面保温隔热层来保护屋面不受严寒酷暑侵袭，不但节约了建筑成本，就是太阳能光伏发电系统本身，其单位面积的价格也可大大降低；用太阳能光伏器件代替建筑屋顶材料，使其适用范围不再局限于平屋面，坡屋面、弧形或球形屋面也同样可以采用。与屋面结合为一体的另一种光伏发电系统是：采用太阳能瓦代替普通瓦。太阳能是太阳能光电池与屋顶瓦结合成一体化的产品；这种材料的特点在于使太阳能光伏器件与建筑实现真正意义上的一体化，即把太阳能光电瓦像普通瓦一样摊铺在屋面上，不需要另外安装什么支架，只需把太阳能瓦拼缝部位处理得不透风、不漏水即可。

（2）光伏器件与外墙面相结合。

对多层、小高屋和高层建筑来说，朝阳外墙面是受太阳光照射最大的外表面；为了有效利用墙面收集太阳能，可以采用多种墙体材料和构造做法，包括与太阳能电池板一体化的玻璃幕墙、透明绝热材料以及附着于外墙面的集热器等等，既节能环保，又使建筑立面设计多样化。

（3）光伏器件与外墙窗、遮阳板及其它建筑构件一体化设计。

光伏器件要与外墙窗或天窗相结合，只需做到该器件既能吸收光能后发电，又能透光即可；而与遮阳板结合，则可使光电板通过光控装置随阳光照射方向作相应转动就能做到既遮阳又发电了；光伏器件还可与小区内景观小品，如路灯、围栏、凉亭等组合成一体化设计，白天吸收光能并转换成电能予以储存，夜晚释放电能使路灯、彩灯、节日灯大放异彩。

结束语

“太阳能与建筑一体化”是我国建筑节能及太阳能光能利用领域目前亟待突破的技术难题。在设计过程中要充分考虑各种因素，做到与建筑物的完美结合。随着第三代太阳能电池的发展，即有机物、生物太阳能电池的出现，太阳能光电将成为一个更贴近于人们的生活、综合性非常强的交叉学科。

参考文献：

[1]建设部召开.公共建筑节能设计标准.发布宣贯会.陕西建筑，2015.

[2]庄剑英.建筑节能与节能建筑材料[J].建筑节能，2015（7）.