光伏建筑一体化

将光伏技术引入到建筑中全球气候变化的潜在威胁，日益增长的能源需求，化石能源不可避免的枯竭，使得人类对可再生能源的需求越来越迫切。与此同时，建筑能耗在工业国家中已经占到了20%-30%，因此越来越需要在建筑设计中考虑能耗和环境。传统的节能建筑考虑了隔热、采暖、通风、温室、光照设计等方面，但光伏发电主动式地产生高品位能量，与建筑完美结合，提供了一种可持续建筑的新理念。什么是光伏建筑一体化光伏建筑一体化（BIPV）是将建筑和光伏发电结合的一种理念。这种发电系统既能够发电，又是建筑的一部分。BIPV系统的标准构件是光伏组件（PVModule）。太阳光照射在太阳电池上产生光生伏打效应，产生直流电。太阳电池连接起来并封装在不同的材料上构成组件。组件通过电气的串并联方式连接成光伏方阵。光伏方阵输出的直流电经过逆变器转变为交流电并入电网。光伏组件可以通过多种方式集成到建筑中。最简单的将光伏组件直接安装在建筑的外表，但是这只是屋顶的光伏发电。我们认为光伏建筑一体化，需要将光伏组件融合到建筑中，成为建筑的整体结构的一部分。当光伏组件放在建筑的背景下，将不仅仅从能量的角度考虑。因为光伏组件的特性也可以作为多功能的建筑因素，提供电能和控制采光，使建筑引进新的设计理念。建筑一体化的光伏组件（BIPVmodule）可以代替传统的建筑材料，降低光伏发电的成本。它并不占用额外的空间，在人口稠密的城市也能使用。它可以做到发电就地使用，减少能量运输的损耗。电网电能的需求高时，通常恰好是用电高峰，它可以起到调节电网的作用。设计良好的一体化系统也能够提高市场的接受程度，为业主塑造良好的社会形象，是太阳能利用的最佳形式。光伏组件没有机械运动部件，不会对建筑结构造成问题，维护成本低。光伏组件已经证明可以正常工作至少30年以上。光伏组件是模块化的技术，可以根据实际需要设计光伏方阵面积。光伏技术基本到处都是可以使用，组件也容易运输和装载。这些因素使光伏技术，尤其是结合建筑的BIPV具有优越性和可行性，也许目前唯一阻挡它的只有价格。只要光伏组件更好地普及，市场的需求将推动生产规模的扩大和光伏技术的进步，价格将有一天为我们所接受。设计一体化的光伏建筑由于光伏建筑一体化是光伏和建筑的集成，其核心问题就是光伏和建筑的不同设计目标造成了冲突。光伏发电系统的目标是通过优化光伏方阵方位和角度等因素以最大化能量产出，但是建筑方面需要考虑的包括了建造成本、优化建筑面积、采光控制、热性能和建筑美感。建筑外壳需要适当减少太阳光的入射功率，因为制冷通常是建筑最大的能耗点。光伏则需要获得最多的太阳辐射以最大化性能。因此一个出色的BIPV设计需要工程师和建筑师的合作。再谈到材料，由于BIPV组件是需要配合建筑结构的使用，它不像一般组件只由一块玻璃和TPT或两块玻璃这样封装的，而需要采用了双层结构、安全玻璃、中空玻璃、low-e玻璃、加干燥剂等技术。它必须像使用在建筑幕墙的安全玻璃那样符合建筑的安全标准，以抵抗风压、冰雹等自然因素的影响。为了减少室内采用空调控制温度，必须具备一定隔热的功能。为了减慢组件的老化还必须保持气密性。为了满足室内采光的要求，必须控制组件的透光率。甚至为了与建筑的外形协调，必须考虑组件的颜色和形状。组件之间的埋线和防雷等更不在话下。而且不仅是组件本身的一体化，光伏系统的维护和运行控制也必须集成到建筑的维护和控制。另外，缺乏美感的光伏应用将会在市场遇到更大的阻力，这来自于追求建筑效果的建筑师和期望看到城市良好形象的政府官员，这是对光伏发电技术的挑战，也是BIPV发展的机会。设计良好的BIPV，是能够将光伏的优势和建筑的特点完美的融合。因此评价BIPV的设计需要从三个方面考虑。从光伏技术上，必须考虑光伏方阵的空间位置和方向，方阵和逆变器的配合，防雷、绝缘等的安全措施；从建筑设计上，必须满足特殊的建筑标准，减少建筑的能耗，提高居住的舒适度；从建筑美学上，这是最少科学、比较主管的判断。光伏建筑的案例分析我们从一个具体的案例来应用以上所提到的技术。北京火车南站光伏发电系统应用在南站屋面中央采光天窗上，按照整个采光天窗约30%比例布置光伏电池板，光伏方阵分布在最大长度约为400米,最大宽度约为50米的屋面上两侧及两端。光伏方阵朝向为北偏西45度，光伏方阵的倾角为7度。单块光伏全玻组件的功率分别为150W和225W，分别使用了720块和604块，由此构成BIPV光伏屋面。光伏组件采用了CIS太阳电池，相比晶体硅电池，其优点可以选择具有不同透光率。因为采光带下方是高架旅客候车厅，必须满足透光和遮阳的要求。中央采光带彩釉玻璃的透光率为40%，光伏组件透光率控制在10%。晶体硅达到透光性必须通过组件的间隔，建筑视觉效果不如CIS。此外，此应用中的倾角较理想角度小，CIS的发电功率受入射角的影响要比晶体硅电池小。光伏组件作为直接作为建筑屋顶，还必须能够承受一定的风压和积雪重量。因此采购的CIS光伏组件结构强度不够，不能直接作为建筑材料。南站是采用了采用了2块75W的CIS太阳电池组件加封装玻璃构成一块光伏全玻组件和3块75W的CIS太阳电池组件加封装玻璃构成一块光伏全玻组件。封装玻璃必须具有满足建筑要求的强度，并切割成所需的尺寸。同时在全玻组件中加入干燥剂满足水密性，减缓太阳电池老化。光伏组件与屋顶结构紧密结合保持了屋顶结构的建筑风格和观赏性。整个光伏屋顶系统由30个子系统构成,系统总安装功率为243.9kWp。光伏系统采用无储能装置与公共电网并网，并网方式为不可逆流，并满足一定的电能质量要求。直流系统采用不接地系统，交流系统采用的与建筑交流系统一致。为保护逆变器不受直流系统和市电引入的感应雷破坏，在直流配电柜和交流配电柜分别安装了防雷器。该光伏电站年实现发电约l0万kWh，可节约燃煤36t，减少二氧化碳排放8.7吨。它有着在全社会倡导节能环保的功效，成为公众示范建筑。光伏建筑发展的愿景中国政府早期通过国际间的合作，完成了中国西部的系列示范项目。主要是采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决偏远地区无电村和无电户的供电问题另外，光伏发电在通讯、气象、长距离管线、铁路、公路等领域有良好的应用。这两者占据了目前我国的光伏发电的主要部分，但都不是并网发电，而且两者的建筑一体化的水平都较低，或者基本不考虑。光伏发电技术的最好的实现形式是光伏建筑一体化和并网发电。目前我国BIPV的发展水平总体处于示范阶段，BIPV的市场并未形成，特别是建筑设计部分较为薄弱。目前有条件发展BIPV的是在经济较发达、现代化水平较高的大中城市。国家可再生能源中长期规划中提到，建设与建筑一体化的屋顶光伏并网发电设施，首先在公益性建筑物上应用，然后逐渐推广到其它建筑物，同时在道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用光伏电源。“十一五”时期，重点在北京、上海、江苏、广东、山东等地区开展城市建筑屋顶光伏发电试点。到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量50MW。到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量1000MW。政府的一些公共项目的确开始采用光伏技术，并且随着光伏开始进入公众视野，2007年已经有7000万m2的建筑使用了光伏发电，比2005年增长了40%，当中出现了一些大型的BIPV的应用，如深圳园博园1MW、首都博物馆300kW、北京南站200kW的光伏并网电站等。随着快速的经济发展和城市化进程，中国正经历一个建筑行业的高速发展时期，当前的建筑将很大程度决定未来一段时期的城市风貌，我们应该考虑一些未来的技术和应用，以免造成的将来的遗憾。当然目前一系列关于光伏集成的国家光伏标准已经或正在出台。中国政府将加强光伏集成建筑的示范项目。甚至为了保护和评价光伏设备和环境影响，国家已经制定了有关的光伏建筑标准和准则，以及提供了国家级的训练和评价体系。但是中国光伏建筑的发展不仅依赖于法律法规和政策，更重要的是可持续发展的概念是否已经被决策层、公共管理人员和专业技术人员所了解和履行，乃至被普通民众所接受。光伏建筑是一种集成技术，需要各个行业人员的配合，包括了建筑设计师、城市规划师、光伏工程师、政府官员和材料供应商，并且最终是要人民群众所接受，这也是最终的消费者。这需要所有人都存在光伏建筑或仅仅是绿色的、可持续的建筑的理念。理念的接受需要长期的普及工作，这需要我们所有人的努力，这篇文章就是努力之一。