浅谈建筑节能设计之光伏建筑一体化

浅谈建筑节能设计之光伏建筑一体化

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 节能

Abstract: At present, low-carbon lifestyle is advocated. And low-carbon buildings is the a considerable element in architectural design, which must be the mainstream of world architecture of 21st century. How to inject the low-carbon concept into architectural design is a long-term task before architects. While the low-carbon buildings is rich in content, with different standards of international evaluation, the reasonable and efficient use of clean energy, especially the solar energy must be the important content of low-carbon buildings. In the long decades of using, reducing its carbon emissions, lowing the use of cost, contributing to energy saving are theimportant part of the low carbon buildings.

Key words: BIPV; energy-saving

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。

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。

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。

太阳能光伏板建筑的基本形式

对建筑师来说，光伏板需要完美的与建筑结合，达到既不影响建筑美观，又可以光伏发电的效果。光伏板与建筑相结合的形式有哪些呢？

光伏板与建筑结合大体来说有两种方式。一类是建筑物将屋面作为载体，把装封好的光伏组件平板或曲面板安装在建筑物的屋面上，然后光伏阵列再与逆变器，蓄电池，负载等装置相连。这种形式目前运用的比较多，造价也比较低，是建筑物与光伏板组件相结合的一种常见的光伏建筑一体化形式。这种方式比较传统，留给建筑师的创作空间也比较小，这里就不做过多阐述了。

另一类是建筑与光伏组件相结合。建筑与光伏组件相结合是光伏建筑一体化的高级形式，它对光伏组件的要求较高，光伏组件需要满足双重使用要求。首先光伏组件要能发电，其次光伏组件还要是建材，必须具备建材所要求的几项条件，如坚固耐用，保温隔热，防水防潮，适当强度和刚度等性能。这种复合材料的出现，是光伏阵列成为建筑不可分割的一部分，如光伏玻璃幕墙，光伏瓦和光伏遮阳装置等。用光伏组件替代部分建材，在将来随着应用面的扩大，光伏组件的生产规模也随之扩大，则可以从规模效应上降低光伏组件的成本，有利于光伏产品的推广应用，所以存在着巨大的潜在市场。

与建筑相结合的光伏系统，还可以作为独立电源供电或者以并网方式供电。

当光伏建筑一体化系统参与并网时，甚至可以不需要蓄电池，直接与电网连入的装置并网发电。将光伏组件与建筑物相结合设置，引出端经过控制器及逆变器与公共电网相连，由光伏阵列及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。由于不需要蓄电池，造价大大降低，除了发电以外还具有调峰，环保和代替某些建材的功能，使光伏发电步入商业应用并逐步发展成为基本电源之一的重要方式。并网发电是当今光伏发电的新趋势。

光伏系统与建筑相结合的形式多种多样，主要包括与建筑屋顶相结合以及与建筑墙体相结合等方式，下面分别介绍：

4.1 光伏系统与建筑屋顶相结合

将建筑屋顶作为光伏阵列的安装位置有其特有的优势，日照条件好，不易受遮挡，可以充分接受太阳辐射。光伏系统可以紧贴建筑屋顶结构安装，减少风力的不利影响。并且，太阳光伏组件可替代保温隔热层遮挡屋面。此外，与建筑屋顶一体化的大面积光伏组件由于综合使用材料，不但节约了成本，单位面积上的太阳能装换设施的价格也可以大大降低，有效的利用了屋面的复合功能。

4.2 光伏系统与建筑墙体相结合

对于多、高层建筑来说，建筑外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。将光伏系统设置在建筑物外墙上能高效的收集太阳能产生电力，而且还能有效降低建筑墙体的温度，从而降低建筑室内空调冷负荷。

4.3 光伏组件与玻璃幕墙相结合

光伏组件与玻璃幕墙集成化的光伏玻璃幕墙，将光伏技术融入到玻璃幕墙中，突破了传统的玻璃幕墙的单一维护功能，更将对节能不利的太阳光转化成能被人们利用的太阳能。同时，这种复合材料不多占用建筑面积，而且外观优美，具有特殊的装饰效果，更赋予建筑鲜明的时代特色和科技效果。

4.4 光伏组件与遮阳装置相结合

将光伏组件与遮阳装置构成多功能建筑构件，一物多用。既可以有效利用空间为建筑物提供遮蔽，又可以提供能源，在建筑美学与使用功能两方面都达到了完美的统一。

4.5 光伏组件与窗户及采光顶相结合

光伏组件若是用于窗户及采光顶，则要求既能透光，又能发电。除此之外还要考虑安全性，美观及施工简便等因素。

4.6 薄膜光伏电池

近几年，薄膜光伏电池技术日臻成熟，光伏装换效率和稳定性不断提高。薄膜光伏电池作为与建筑物结合的光伏发电组件，双层玻璃封装刚性的薄膜光伏电池组件，可以根据需要，制作成不同的透光率，可以部分代替玻璃幕墙；而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜光伏电池也可用于建筑屋顶等需要造型的部分。薄膜光伏电池一方面它有时尚现代的建筑外观，并且能够发电；另一方面用于薄膜光伏发电的透明导电膜又能很好的阻挡外部红外射线的进入和内部热量的散失，将成为建筑与光伏组件结合的主要方向之一。

总结

以上讲述的这些太阳能建筑，既是低碳的节能环保建筑，也是美观富有现代感的建筑。广大的建筑师是应该开拓视野，勤于实践，努力为我国的节能减排，降低碳排量，创造清洁能源贡献自己的一份力量。