光伏建筑一体化-将太阳能发电产品集成到建筑上的技术

光伏建筑一体化即BIPV Building Integrated PV，PV即Photovoltaic）是一种将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑—体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV：Building Attached PV)的形式。光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。

基本介绍

光伏建筑一体化，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方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。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。“十二五”期间，将要创建2000家节约型公共机构示范单位。除了公共机构外，商业机构由于用电量较大，参与节能的意愿相对较高，而且具有资金优势，也应该优先发展光伏建筑一体化模式。

光伏建筑一体化

“光伏之都”600路灯太阳能板安装两年成摆设

广西壮族自治区兴安县打造的“千亿太阳能光伏产业园”,在全球性产业寒冬的背景下,仍实现年产值近47亿元,因此遭到质疑,并被曝“表演上班”、“利用光伏产业圈地”等事。被层层质疑覆盖的兴安,究竟是一个怎样的地方?《法制日报》记者赴兴安探访,试图揭开层层谜局。[1]

发展方向

随着《京都议定书》的正式生效，如何实现环境保护的可持续发展成为全球最强的呼声。中国作为发展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，而建筑作为能耗大户(发达国家的建筑能耗一般占到全国总能耗的1/3以上)，其节能效益则变得尤其重要，BIPV因此成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。

据《2013-2017年中国光伏建筑一体化（BIPV）行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据显示，太阳光发电是21世纪科学技术的前沿阵地，世界各地的政府均支持太阳光发电事业;从国内来看，“十一五”时期，国家重点在北京、上海、江苏、山东、广东等地区开展城市建筑屋顶光伏发电试点。到2010年止，全国建成约1000个屋顶光伏发电项目，总容量5万千瓦。预计到2020年，全国将建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万千瓦。

BIPV作为庞大的建筑市场和潜力巨大的光伏市场的结合点，必将存在着无限广阔的发展前景。可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。

未来研究重点

建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70%。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境（虽然暂时它是舒适的）。在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范型建筑外，还没有大规模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高，与我国的经济发展也是远不相适应。因此，建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想。按照房间的功能，采用不同方案的配合及交叉，这样可以大大降低太阳能用于建筑供能的一次投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。被动采暖与降温的意义在于使建筑本身能量负荷大大降低（节能率约70%），使其所要求主动供能装置提供的能量大大降低。也就是说，它将对昂贵装置的要求降低。另外，被动供能是巧妙利用自然条件的变化来调节室内温度。我们认为，建筑物内空气温度调节技术发展方向不应当是改变自然环境来满足人的要求，而是应当尽量巧妙地利用并顺应自然界来满足人们对健康和舒适的要求。研究空调的目的应当是尽量减少人工环境，而不是相反。主动供能的意义在于保障建筑室内的舒适性增加。在主动与被动供能相互配合组成供能系统的情况下，整套建筑供能系统的设备性能将会提高，而尺寸和造价将会降低。

随着新能源的不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加，太阳能光伏建筑一体化越来越成为太阳能应用发电的新潮流。

结合方式

根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，太阳能光伏建筑一体化可分为两大类：建筑与光伏器件相结合和建筑与光伏系统相结合。

与建筑结合

建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发电，可谓物尽其美。对于框架结构的建筑物，可把其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可吸收太阳直射光，也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上目的，使建筑外观更具魅力.

与光伏系统

与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源或者以并网的方式供电当系统参与并网时，可以不需要蓄电池。但需要与电网的装置，而与并网发电是当今光伏应用的新趋势。将光伏组件安装在建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器与公共电网相连接需要向光伏阵列及电网并联向用户供电，这就组成了并网光伏系统。

种类

根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，太阳能光伏建筑一体化可分为两大类：

第一类是光伏方阵与建筑的结合。这种方式是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。

第二类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是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。

光伏方阵与建筑的结合（即第一类）是一种常用的形式。2008年奥运会体育赛事的国家游泳中心和国家体育馆等奥运场馆中，采用的就是光伏方阵与建筑结合的太阳能光伏并网发电系统，这些系统年发电量可达70万千瓦时，相当于节约标煤170吨，减少二氧化碳排放570吨。

建筑特点

1. 能够满足建筑美学的要求；

2. 能够满足建筑物的采光要求；

3. 能够满足建筑的安全性能要求；

4. 能够满足安装方便的要求；

5. 能够具有寿命长的优势；

6. 具有绿色环保的效果；

7.无需占用宝贵的土地资源；

8.能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能；

9.降低墙面及屋顶的温升。

优缺点

优点

(1)绿色能源。太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。

(2) 不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。

(3)太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。

(4) 起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。因此，发展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排”。

问题

虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存有几大问题

造价较高

太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。

成本高

太阳能发电的成本高。太阳能发电的成本是每度2.5元，比常规发电成本每度1元翻倍。

不稳定

太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性。这是由于太阳并不是一天24小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。

建筑形式

可以说光伏建筑一体化适合大多数建筑，如平屋顶、斜屋顶、幕墙、天棚等等形式都可以安装。

平屋顶，从发电角度看，平屋顶经济性是最好的：1、可以按照最佳角度安装，获得最大发电量;2、可以采用标准光伏组件，具有最佳性能;3、与建筑物功能不发生冲突。4、光伏发电成本最低,从发电经济性考虑是的最佳选择。

斜屋顶，南向斜屋顶具有较好经济性：1、可以按照最佳角度或接近最佳角度安装，因此可以获得最大或者较大发电量;2、可以采用标准光伏组件，性能好、成本低;3、与建筑物功能不发生冲突。4、光伏发电成本最低或者较低，是光伏系统优选安装方案之一。其它方向(偏正南)次之。

光伏幕墙，光伏幕墙要符合BIPV要求：除发电功能外，要满足幕墙所有功能要求：包括外部维护、透明度、力学、美学、安全等，组件成本高，光伏性能偏低;要与建筑物同时设计、同时施工和安装，光伏系统工程进度受建筑总体进度制约;光伏阵列偏离最佳安装角度，输出功率偏低;发电成本高;为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。

光伏天棚，光伏天棚要求透明组件，组件效率较低;除发电和透明外，天棚构件要满足一定的力学、美学、结构连接等建筑方面要求，组件成本高;发电成本高;为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。

建筑设计

光伏组件性能

作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h(2，400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。南玻大厦外循环式双层幕墙采用的组件就是两块6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件，这是通过严格的力学计算得到的结果。

美学要求

BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，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。

一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。

普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。

结构性能配合

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。

利用太阳能

太阳能为保护环境创造了有利条件，于是许多建筑学家巧妙利用太阳能建造太阳能建筑。

1、太阳能墙：美国建筑专家发明太阳能墙，是在建筑物的墙体外侧装一层薄薄的黑色打孔铝板，能吸收照射到墙体上的80%的太阳能量。被吸入铝板的空气经预热后，通过墙体内的泵抽到建筑物内，从而就能节约中央空调的能耗。

2、太阳能窗：德国科学家发明了两种采用光热调节的玻璃窗。一种是太阳能温度调节系统，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖气，然后把这种太阳能传递到墙和地板的空间存储，到了晚上再放出来；另一种是自动调整进入房间的阳光量，如同变色太阳镜一样，根据房间设定的温度，窗玻璃或是变成透明或是变成不透明。

3、太阳能房屋：德国建筑师塞多。特霍尔斯建造了一座能在基座上转动跟踪阳光的太阳能房屋。该房屋安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮，使房屋底座在环形轨道上以每分钟转动3厘米的速度随太阳旋转。这个跟踪太阳的系统所消耗的电力仅为该房太阳能发电功率的1%，而该房太阳能发电量相当于一般不能转动的太阳能房屋的两倍。

有关要求

把光伏器件用做建材，必须具备建材所要求的几项条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。若是用于窗户、天窗等，则必须能够透光，就是说既可发电又可采光。除此之外，还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。光伏建筑一体化对光伏光伏系统及光伏组件具体有如下要求：

对蓄电池要求

对于并网光伏系统，由于不受到蓄电池容量的限制，并且有公共电网作为后盾，确定光伏方阵容量时，不必像独立光伏系统那样一定要经过严格的优化设计，只要根据负载的要求和投资情况经过适当计算就可决定。对于一般家庭使用，通常太阳电池方阵容量的范围为1~5 千瓦。

对组件要求

与一般的平板式光伏组件不同，（BIPV）组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求，如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观，还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装及运输等。为了满足建筑工程的需要，已经研制出了多种颜色的太阳电池组件，以供建筑师选择，使得建筑物色彩与周围环境更加和谐协调。根据建筑工程的需要，已经生产出多种满足屋顶瓦、外墙、窗户等性能要求的太阳电池组件。其外形不单有标准的矩形，还有三角形、菱形、梯形、甚至是不规则形状。也可以根据要求，制作成组件周围是无边框的，或者是透光的，接线盒可以不安装在背面而在侧面。

对电池要求

在独立光伏系统中，光伏方阵要尽量朝向赤道倾斜安装，与水平面之间的倾角要经过严格的计算，以达到光伏方阵输出的极大性和均衡性。而在并网光伏系统中，只要考虑光伏方阵输出的极大性即可。然而在实际应用中，往往因为要服从于建筑物外形的需要，方阵可能会有各种朝向，倾角也可能从0~900 都有，这就需要光伏和建筑设计师共同协商，兼顾的双方的需要，妥善解决。

逆变的要求

太阳电池方阵所发出的是低压直流电，要与电网连接，必须变换成220 伏、380 伏甚至更高电压的交流，而且对于电能质量如：电压、波动、频率、谐波和功率因素等参数都有严格的要求。为了保证电网、设备和人生安全，还必须配备并网检测保护装置，如对于处理：过/欠电压、过/欠频率、电网失电（防孤岛效应）、恢复并网、直流隔离、防雷和接地、短路保护、断路开关、功率方向保护等都有明确的规定。所以逆变和控制器是并网光伏系统的关键设备。

计量电表要求

家庭使用的并网光伏系统中，光伏方阵所发出的电能，主要供给用户负载使用，多余部分输入电网，用户负载所消耗的电能，也是由光伏方阵和公共电网共同供应。原则上可以用一块电表来进行计量，电网供电时电表正转，光伏方阵向电网馈电时电表反转。实际上由于各国政府对于开发利用新能源大多实行优惠政策，目前太阳能发电的上网电价要远大于用户的用电电价，常常用两块电表来分别计量，所以有“买入”电表和“卖出”电表的区别。

示范工程

世界各地出现了不少太阳能光伏建筑一体化建筑物，中国也不例外，中国在借鉴国外发达国家推行太阳能光伏建筑一体化技术经验的基础上，开始发展太阳能光伏建筑一体化建筑物。

(1)上海的一些地标性工程在建设过程中已经使用新能源系统,并注意与建筑本身融为一体。如，在虹桥交通枢纽庞大的主体建筑上，顶面和部分外立面均安装了太阳能发电装置，总量达6.5个兆瓦，竣工后，每年将为虹桥高铁客运站提供650万度清洁电力，可减少二氧化碳排放5000吨左右。

(2) 2003年，在北京市大兴区建成了一幢建筑面积达8000平方米的综合利用新能源的生态建筑示范工程，经过近一年的运行后，于2004年6月全面通过验收，被专家评议为“我国第一幢综合利用太阳能解决能源问题的建筑示范工程”。该工程中“50千瓦大型屋顶光伏并网示范电站”是国家科技部“十五”科技攻关项目。

(3)2004年，深圳建成目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站，该光伏电站总容量1兆瓦，年发电能力约为100万度。电站设计及安装与深圳综合展馆、花卉展馆等建筑融为一体，堪称国内绿色建筑的典范。

(4)北京南站中，主站房屋面中央采光带也采用了太阳能光伏发电系统，该系统总发电量约320千瓦，可辅助解决车站的用电问题。

（5）中国首个彩色透光薄膜组件应用示范项目——天威薄膜光伏建筑一体化项目顺利通过国家级验收。该项目三个建筑安装区域组成整体的光伏发电系统，并通过将太阳能发出的直流电逆变为380伏/50赫兹的交流电压，并入公司内部电网，实现系统即发即用，就近使用。

上述光伏建筑一体化建筑的设计和建成，对于中国在更多城市建筑中推广光伏建筑一体化的用能模式具有明显的示范意义，对于广大的农村地区推广这种太阳能利用方式也具有借鉴意义。