浅谈太阳能光伏系统与建筑一体化

王晓青

【摘 要】太阳能作为一种无处不在、取之不尽、用之不竭、洁净且无污染的能源正日益受到人们的重视。太阳能是未来人类最适合、最安全、最理想的替代能源。本文通过对太阳能与建筑一体化在实际工程中应用的讨论与分析，为推广与实践太阳能与建筑一体化技术提供参考。

【关键词】太阳能；照明；太阳能与建筑一体化

随着社会的发展和人口不断增长，建筑能耗在社会能源总消费量中所占的比例逐年上升，能源已经成为全球的热点、焦点问题。世界各国都面临着资源和环保的双重压力，人类社会的可持续发展遭遇了空前的挑战。能源的紧缺提出了对可再生能源的需求，而太阳能作为一种可以在任何太阳存在的地方都可以使用的能源受到广泛的关注，它的使用已经从最初在边远地区和缺电地区的使用，逐渐的转移到发达国家城市的使用。如何降低我国建筑耗能已经是提升到影响国家能源安全和迫切需要解决的问题，建筑中充分利用太阳能是降低我国建筑耗能的一个有效途径。

1.太阳能光伏发电与建筑设计一体化的优点

从建筑设计施工技术和经济角度来看，光伏发电与建筑设计一体化有如下优点：

（1）并网光伏供电系统一般安装在闲置的屋顶或外墙面上， 无需额外用地或增建其他设施，适合于人口密集的住宅小区使用，这对于寸土寸金的大中城市中的建筑尤显重要。

（2）可实现原地发电、原地用电，在一定的距离之内可以节省电站输送电网的设施投资；对于联网用户系统来说，光伏供电系统所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可将富余电力送入电网。在阴雨天、夜晚或光强度较弱的季节，建筑物所需负载可以由外电网供电。 由于有光伏发电系统和公共电网共同负载供应电力，增加了供电的可靠性和安全性。

（3）夏季是日照旺季 ， 由于大量制冷设备的使用 ， 使电网成为用电高峰，常出现某些地区限电拉闸现象，而此时也是光优发电系统发电量最多的时候， 光优建筑一体化系统除了保证自身建筑用电外，还可以向外电网供电，从而可大大缓解高峰期电力需求的紧张状态。

（4）电于光伏发电系统安装在屋顶、外墙壁等外围护结构上，吸收了太阳能又把它转化为电能，大大降低了室外综合气温，减少了墙体受热和室内空调机的负荷，既节约了能源，又利于确保室内的空气品质。

（5）可以杜绝由于采用煤炭等化石燃料发电而导致的废气、 废渣对大自然环境的严重污染，这也正是当前在世界范围内大力倡导节约能源和环境保护所寻求的重要途径之一。

（6）在建筑物外围护结构上安装太阳能光伏发电系统还可以促进伏部件的大规模生产， 从而可以进一步降低光伏部件的市场价格，这对于太阳能光伏发电系统的推广使用有着重要的推动作用。

当今社会， 光伏发电与建筑设计一体化研究已成为 21 世纪重要的研究课题。由于建筑设计是一个复杂的系统工程，牵涉面广，如果将新型太阳能光伏发电系统融入到建筑设计中，同时还应保持建筑的固有功能特征和文化内涵， 就应该从建筑技术和建筑美学两方面入手，使建筑设计与太阳能技术有机会结合，并由此而产生“一体化设计”新概念。 所谓“一体化设计”是指在建筑规划和设计之初，就将太阳能利用纳入设计内容之中，使之成为建筑物的一个有机组成部分，统一 设计、精心施工和调试。

2.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。

3.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。

3.1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。

3.2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。

4.结论

“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，2005，119：52.

[2]庄剑英.建筑节能与节能建筑材料.建筑节能，2005（7）：47-49.