浅析光伏发电与建筑一体化设计

　　摘要：本文介绍了光伏发电系统，阐述建筑与光伏发电一体化系统的基本原理，着重分析了光伏发电与建筑屋面、墙面、透光构件、幕墙、遮阳构件等组成部分的一体化设计原则。

　　关键词：光伏发电;建筑;一体化;设计

　　Abstract: This paper introduces the photovoltaic power generation system, expounds the basic principles of the construction and photovoltaic energy integration system, focusing on the analysis of the integration design principle of (pv) power and building roof, metope, pervious to light component, curtain wall, sunshade component.

　　Key words: photovoltaic power; architecture; integration; design

　　中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：

　　建筑作为人类日常生活必需的生存空间，每年消耗着大量的能源，约占一个国家总能耗的40%左右。特别是在一些严寒地区，城镇建筑能耗竟高达当地能源消费的50%左右1。开发各种新能源也成为人们考虑的重点，其中最重要的方法就是利用太阳能这一古老而永不枯竭的能源，太阳能光伏发电技术与建筑有机结合，降低对传统能源的依赖是今后一个阶段建筑设计的发展方向之一。

　　1.光伏发电系统

　　1.1太阳能电池的工作原理

　　太阳能发电有很多种方式其中大多数方法是通过将太阳能转化为热能，利用热能进行发电。光伏发电是比较直接的一种形式，它主要是利用一些材料受到光照后产生电流的物理原理，将这些材料制成发电原件的技术，这种技术可以将阳光直接转换为电能，使用更加便利，应用更加广泛，近些年得到了极大的发展。

　　1.2光伏发电系统的种类

　　太阳能光伏发电系统分为独立式太阳能发电系统和并网式发电系统。独立式太阳能发电系统，具有自己独立的蓄电系统，白天将多余的电能存储到蓄电池中，在夜晚或阴雨天电量少的时候从蓄电池中在提取电能，它的特点是独立性强适合没有电网的地区使用;并网式太阳能发电系统不同于独立系统，它并联入到电网中，白天发电时将电能输送到电网系统中，将电网作为蓄电池，在需要时候在从电网中提取电能，它的特点是无需蓄电系统，但是需要电网支持。

　　1.3光伏发电的优势

　　光伏发电在使用过程中具有很多优势，首先在使用过程中不产生任何污染，没有噪声，没有次生产物，且其产生的电能为高品位能源，不需二次转化，维护其运行的成本较低，不需要进行二次追加投入，是一种理想的情节能源。

　　2.建筑与光伏发电一体化系统

　　光伏发电为建筑提供能源的方式很多，目前使用量最大的是在远离城市的沙漠地区建立大型的光伏发电厂，再过高压输电技术将电能输送到用户，这种方式在输电过程中会造成大量的电能损失;还有一种形式是在能源负荷中心附近建立大型光伏发电厂，再通过电网将电能输送到用户，但能源负荷中心往往是经济中心，用地成本较高;于是目前催生出一种新的光伏发电应用形式,将光伏发电原件直接装在建筑的屋顶或墙面上，利用建筑作为光伏发电板的安装场所，在这种情况下，建筑光电一体式系统就应运而生，简称BIPV。

　　2.1太阳能电池板

　　太阳能电池板根据材料不同有很多种类，如多晶硅电池板，单晶硅电池板以及非晶硅和薄膜电池板。以单晶硅电池板发电效率最高，造价也最为昂贵，目前使用量最大的是多晶硅电池板。

　　2.2电池板板的安装朝向和倾角

　　太阳的运行轨迹每天和每时都有所不同，获得最多太阳能的方法是是使太阳能电池板永远与太阳光线保持垂直，但是这就需要有双轴跟踪系统，造价高，且构造复杂，一般情况下不采用这种形式。

　　目前我国太阳能发电板的安装方向通常采用正南方向，倾斜角度通常为春秋分节气正午时分的太阳高度角的互余角，这样可以使光电板在全年获得最大的能量，当然主要朝向可以根据具体情况进行调整，有时甚至可以安装在东西墙上。

　　3.光伏发电与建筑一体化的做法

　　3.1用光电设备作屋面板

　　屋面是光电板最理想的建筑一体化安装部位，坡屋面那是最为理想的光电板安装界面，坡屋面本身就为光电板提供了理想的倾斜角度，使其能够获得最大的能量，另外倾斜的屋面角度还可以防止冬季积雪。由于光电板在工作时其背面会产生较多热量，当光电板与屋面进行一体设计时要考虑到这种情况，在光电板与屋面之间设置空气层或太阳能热水系统给光电板降温。

　　平屋面安装发电板，需要进行一些构造设计来实现光电板的理想倾角，一般情况下是采用一些角钢支撑，但是这种情况下光电板与建筑一体化的效果比较差，不是理想的光电与建筑一体化设计方法。

　　3.2用光电设备作建筑立面

　　建筑立面也是光电板的理想安装界面，安装时以南立面为主，北方地区南向墙面全年可以获得40%~50%的太阳能，东西向也可以作为安装立面，在全年东西向墙面也可以获得20%~30%的太阳能辐射。需要注意的是在遮挡较为严重的立面不适合安装太阳能光电板，阴影会遮挡掉大部分太阳能辐射。

　　3.3透明构件光电板

　　随着光伏产业的发展已经出现透明光电构件，一种是半透明状的，类似茶色玻璃，另一种是将光电元件排列成具有花格的图案，花格之间是透明材料，形成斑驳的光影效果。这两种材料都有透光性能，但透光量都较为有限，因此如采光要求高的情况下不易使用，或者大面积使用获得较好的采光效果和发电效果。目前在很多建筑的中庭空间都在使用，创造出一种光影丰富的效果。

　　3.4光电幕墙

　　光电幕墙是一种新型的光电材料，它集发电与装饰为一体，能够很好的与建筑融合。它主要多个太阳能光电池经加固处理，镶嵌在特殊的透明度极高的低铁玻璃中，彼此之间经过其背面的导线相连，从而构成了一个整体的光电板。这种材料外表光洁，色彩明亮，节能效果明显，此幕墙体现了智能化特点，把太阳能光电技术集成到幕墙中不占有建筑面积，且太阳能光电板优美的外观，具有特殊的装饰效果，更赋予建筑物鲜明的现代科技色彩。

　　3.5光电系统与遮阳设备

　　建筑遮阳系统也是光电一体化主要考虑的建筑构件之一，建筑遮阳板与太阳能光伏发电两者的任务恰好有机的统一在一起。遮阳设备提供了合适的倾斜角度，而光电板则是理想的遮阳材料。

　　电子树是光伏建筑遮阳的一种新的应用。它是以钢结构模仿树枝的形态支撑顶棚，而顶棚部分采用太阳能电池板，模拟树叶在阳光下光影斑驳的效果。

　　4.结语

　　在能源日益紧张的今天，太阳能光伏发电与建筑一体化设计无疑是解决建筑能源问题的一条最佳出路。如果屋顶和立面全部采用光电板，它将足够产生建筑所需要的能量，建筑不再成为能源的负担，而是成为能源的资产。

　　参考文献:

　　[1]高辉，高新技术是建筑节能所必须，21世纪建筑新技术论从，上海，同济大学出版社，2009，131

　　[2]董毅.基于美观性的光伏建筑一体化应用研究[J].建筑技术，2010(5)：33-34.

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文章名称： 浅析光伏发电与建筑一体化设计

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