什么是光伏建筑？

【專家解說】：光伏建筑一體化即BIPV（Building Integrated PV，PV即Photovolta-ic）。光伏建筑一體化（BIPV）技術是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術。光伏建筑—體化(BIPV)不同于光伏系統(tǒng)附著在建筑上(BAPV：Building Attached PV)的形式。 編輯本段光伏建筑一體化簡介　　現(xiàn)代化社會中，人們對舒適的建筑熱環(huán)境的追求越來越高，導致建筑采暖和空調(diào)的能耗日益增長。在發(fā)達國家，建筑用能已占全國總能耗的３０％—４０％，對經(jīng)濟發(fā)展形成了一定的制約作用。 　　光伏建筑一體化，是應用太陽能發(fā)電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用。另一類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)取Ｔ谶@兩種方式中，光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。由于光伏方陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求。[1] 編輯本段光伏建筑一體化在國外的發(fā)展現(xiàn)狀　　美國是世界上能量消耗最大的國家，國會先后通過了“太陽能供暖降溫房屋的建筑條例”和“節(jié)約能源房屋建筑法規(guī)”等鼓勵新能源利用的法律文件。在經(jīng)濟上也采取有效措施，不僅在太陽能利用研究方面投入大量經(jīng)費，而且由國會通過一項對太陽能系統(tǒng)買主減稅的優(yōu)惠辦法。因此，美國太陽能建筑的發(fā)展極為迅速，無論是對太陽能建筑的研究、設計優(yōu)化，還是材料、房屋部件結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開發(fā)、應用，以及真正形成商業(yè)運作的房地產(chǎn)開發(fā)，美國均處于世界領先地位，并在國內(nèi)形成了完整的太陽能建筑產(chǎn)業(yè)化體系。 　　美國于上個世紀８０年代初就由新墨西哥洲的洛斯阿拉莫斯科學實驗室編制出版了被動式太陽房設計手冊。此外，美國還出版了許多實用的被動式太陽房建筑圖集，既介紹成功的設計實例，也有對太陽房原理、構(gòu)造的詳細說明。這些工具書的發(fā)行和一些樣板示范房屋的建立，對美國公眾接受太陽房起到了很好的促進作用。比較著名的示范建筑有：位于新澤西州普林斯頓的凱爾布住宅；位于新墨西哥州科拉爾斯的貝爾住宅；位于新墨西哥州圣塔菲的圣塔菲太陽房；位于加利福尼亞州阿塔斯卡德洛的阿塔斯卡德洛住宅，以及位于新墨西哥州科拉爾斯的戴維斯住宅。這些建筑采用壁爐或電散熱器作輔助熱源，但太陽能供暖率均在７５％以上，有的已達到１００％，例如阿塔斯卡德洛住宅。 　　早在上個世紀４０年代，美國麻省理工學院就開始利用太陽能集熱器作為熱源的供暖、空調(diào)系統(tǒng)研究，先后建成了ｗ號實驗太陽房。這些實驗太陽房，即是最早的主動式太陽房。到７０年代以后；又有華盛頓近郊的托馬森太陽房和科羅拉多州丹佛市的洛夫太陽房等主動式太陽房的示范建筑建成。這些太陽房的成功運行，說明太陽能供熱、空調(diào)系統(tǒng)在技術上是完全可行的，但由于投資較大，推廣普及程度不及被動式太陽房。直到進入９０年代，由于開發(fā)出更加高效的太陽集熱器和吸收式制冷機、熱泵機組，應用范圍才得以擴大。 　　日本在主動式太陽房的研究應用領域也處于世界前列。１９７４年日本通產(chǎn)省制定了“陽光計劃”，并按此計劃建造了數(shù)幢典型太陽能采暖空調(diào)試驗建筑，如矢崎實驗太陽房。而且多年來日本的太陽能采暖、空調(diào)建筑一直穩(wěn)步發(fā)展，并已應用于大型建筑物上。 　　此外，法國、德國、澳大利亞、英國等發(fā)達國家也擁有相當先進的太陽能建筑應用技術。著名的集熱蓄熱墻采暖方式即是法國人菲利克斯·特朗勃的專利，法國的奧代洛太陽房是該采暖理論轉(zhuǎn)化為實際應用的第一個樣板房。英國利物浦附近的沃拉西的圣喬治郡中學，則是直接受益式太陽房最大和最早的樣板之一。盡管英國的太陽能資源并不豐富，該所中學安裝的常規(guī)采暖系統(tǒng)卻從未使用過。 　　最后值得一提的是近幾年來在發(fā)達國家已有相當發(fā)展水平的“零能房屋”，即完全由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清潔、無污染，它代表了２１世紀太陽能建筑的發(fā)展趨勢。由于許多國家的政府（如美國、德國）都制定了太陽能在國家總能源消耗中的所占比例應超過２０％的計劃，相信這種“零能房屋”將會有十分良好的發(fā)展前景。 編輯本段光伏建筑一體化建筑種類　　根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類： 　　第一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用。 　　第二類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。 　　光伏方陣與建筑的結(jié)合（即第一類）是一種常用的形式。2008年奧運會體育賽事的國家游泳中心和國家體育館等奧運場館中，采用的就是光伏方陣與建筑結(jié)合的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)年發(fā)電量可達70萬千瓦時，相當于節(jié)約標煤170噸，減少二氧化碳排放570噸。(施鶴群) 編輯本段光伏建筑一體化建筑 優(yōu)點　　(1)綠色能源。太陽能光伏建筑一體化產(chǎn)生的是綠色能源，是應用太陽能發(fā)電，不會污染環(huán)境。太陽能是最清潔并且是免費的，開發(fā)利用過程中不會產(chǎn)生任何生態(tài)方面的副作用。它又是一種再生能源，取之不盡，用之不竭。 　　(2) 不占用土地。光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大、光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多的時期，對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用。 　　(3)太陽能光伏建筑一體技術采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力。 　　(4) 起到建筑節(jié)能作用。光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。因此，發(fā)展太陽能光伏建筑一體化，可以“節(jié)能減排”。(施鶴群) 編輯本段光伏建筑一體化建筑存在的問題　　雖然太陽能光伏建筑一體化有高效、經(jīng)濟、環(huán)保等諸多優(yōu)點，并已在世博場館和示范工程上得以運用，但光伏建筑還未進入尋常百姓家，成片使用該技術的民宅社區(qū)并未出現(xiàn)。這是由于太陽能光伏建筑一體化存有兩大問題 　　一是太陽能光伏建筑一體化建筑物造價較高。一體化設計建造的帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑物造價較高，在科研技術方面還有待提升。 　　二是太陽能發(fā)電的成本高。目前太陽能發(fā)電的成本是每度2.5元，比常規(guī)發(fā)電成本每度1元翻倍。 　　三是太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定，受天氣影響大，有波動性。這是由于太陽并不是一天24小時都有，因此如何解決太陽能光伏發(fā)電的波動性，如何儲電也是亟待解決的問題。 　　(施鶴群) 編輯本段光伏建筑一體化建筑示范工程　　世界各地出現(xiàn)了不少太陽能光伏建筑一體化建筑物，中國也不例外，中國在借鑒國外發(fā)達國家推行太陽能光伏建筑一體化技術經(jīng)驗的基礎上，開始發(fā)展太陽能光伏建筑一體化建筑物。 　　(1)上海的一些地標性工程在建設過程中已經(jīng)使用新能源系統(tǒng),并注意與建筑本身融為一體。如，在虹橋交通樞紐龐大的主體建筑上，頂面和部分外立面均安裝了太陽能發(fā)電裝置，總量達6.5個兆瓦，竣工后，每年將為虹橋高鐵客運站提供650萬度清潔電力，可減少二氧化碳排放5000噸左右。 　　(2) 2003年，在北京市大興區(qū)建成了一幢建筑面積達8000平方米的綜合利用新能源的生態(tài)建筑示范工程，經(jīng)過近一年的運行后，于2004年6月全面通過驗收，被專家評議為“我國第一幢綜合利用太陽能解決能源問題的建筑示范工程”。該工程中“50千瓦大型屋頂光伏并網(wǎng)示范電站”是國家科技部“十五”科技攻關項目。 　　(3)2004年，深圳建成目前亞洲最大的并網(wǎng)太陽能光伏電站，該光伏電站總?cè)萘?兆瓦，年發(fā)電能力約為100萬度。電站設計及安裝與深圳綜合展館、花卉展館等建筑融為一體，堪稱國內(nèi)綠色建筑的典范。 　　(4)北京南站中，主站房屋面中央采光帶也采用了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)總發(fā)電量約320千瓦，可輔助解決車站的用電問題。 　　上述光伏建筑一體化建筑的設計和建成，對于中國在更多城市建筑中推廣光伏建筑一體化的用能模式具有明顯的示范意義，對于廣大的農(nóng)村地區(qū)推廣這種太陽能利用方式也具有借鑒意義。(施鶴群) 編輯本段上海世博會上展示的光伏建筑一體化建筑　　上海世博會上，展示了多種太陽能光伏建筑一體化建筑，起到了示范效應，能使人們逐漸意識到未來城市建設的生態(tài)建筑理念。 　　(1)英國零碳館的屋頂上，片片深色的太陽能電池板本身就是屋頂建材，通過吸收太陽能所產(chǎn)生的能量不僅用于發(fā)電、供暖，還與被動風能和地源熱能共同帶動室內(nèi)通風，調(diào)節(jié)屋內(nèi)的溫度和濕度。 　　(2)法國阿爾薩斯的水幕太陽墻，在法國阿爾薩斯案例館，“水幕太陽能墻”外層同樣覆蓋太陽能電池板，能把照射到墻體外層的太陽光轉(zhuǎn)換成電，正好能維持“水幕太陽能墻”不斷運作，為建筑帶來冬暖夏涼的感覺。 　　(3)德國弗萊堡的生態(tài)建筑， 　　(4)中國館、主題館、世博中心和城市未來館四座標志性建筑上采用太陽能光伏建筑一體化技術。上海世博會上光伏建筑的太陽能發(fā)電規(guī)模達到4.68兆瓦，年均發(fā)電可達406萬千瓦時，減排二氧化碳總量逾3400噸。世博園里的光伏建筑一體化并網(wǎng)電站，在世界同類電站尤其是中心城區(qū)的電站中，總?cè)萘课痪忧傲小?　　在世博園內(nèi)刷新了我們對建筑的概念：通過太陽能光伏組件與建筑材料合為一體，建筑物的門窗、外墻和屋頂皆能通過日照產(chǎn)生無污染的“綠電”，整座建筑成了無污染的“發(fā)電機”。從這種途徑獲得的清潔電能不僅可供建筑本身使用，還可以輸入城市電網(wǎng)，進入千家萬戶。(施鶴群) 編輯本段光伏建筑一體化在國內(nèi)的發(fā)展動態(tài)　　1、綠色健康住宅根據(jù)國家有關部門的要求，已進入了試點應用研究的重點階段，而作為可再生能源的太陽能熱利用技術也同時進入了快速發(fā)展時期，太陽能熱水器真成為廣大民眾綠色家電的首選。建設部相繼召開了“太陽能與建筑結(jié)合應用研討會”，國家有關部門對這項課題十分重視并抓得很緊，建設部、科技部、經(jīng)貿(mào)委先后分別下發(fā)了《建設部建筑節(jié)能“十五”計劃綱要》、《科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金若干重點項目指南》、《新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十五”規(guī)劃》、《關于組織實施資源節(jié)約與環(huán)境保護重大的通知》等文件，強調(diào)并提出課題開發(fā)應用的目標，明確了發(fā)展的重點和重點支持的具體項目。為此，中國建筑標準設計研究所承擔了編制建筑工程行業(yè)標準、建筑施工工法、標準設計圖集等“太陽能供熱制冷成套技術開發(fā)與示范”的課題，為太陽能與建筑一體化事業(yè)的健康穩(wěn)步發(fā)展，也為我們設計單位承擔這項課題的專項設計提供有利條件。福州康安康合太陽能公司2002年在“湖前蘭庭”9幢別墅做了第一個太陽能與建筑一體化示范工程，接著又在福州武警消防大廈、泉州“中遠名城”，馬尾“時代廣場”商住樓等多處做了多例大型的太陽能集中供熱系統(tǒng)工程，已全部通過驗收投入使用，節(jié)能效果顯著。 　　2、據(jù)了解，目前太陽能利用與建筑一體化這項新課題主要是科研、院校在研究開發(fā)，一些能源技術開發(fā)公司承擔施工安裝，福州康安康合太陽能技術開發(fā)公司經(jīng)過多年的研究、試驗和開發(fā)，擁有“太陽能吸熱瓦片”、“真空管太陽能中央熱水器”、“不對稱太陽能集熱板”等多項國家實用型專利，該公司利用多項成果，專業(yè)從事太陽能集中供熱建設，在解決太陽能與建筑一體化上取得很大突破，已經(jīng)設計、安裝了上述介紹的幾項大工程，積累了很多的實踐經(jīng)驗，取得了可喜的成績。 編輯本段光伏建筑一體化的發(fā)展方向　　目前建筑物空氣溫度調(diào)節(jié)消耗著大量的能量。在我國，它要占到建筑物總能耗的約70％。用空調(diào)機和燃煤來控制室溫不僅消耗能量，帶來外界的環(huán)境污染，而且并不能給室內(nèi)人員帶來健康的環(huán)境（雖然暫時它是舒適的）。在太陽能用于采暖方面，除造價較高的被動式太陽房有一些示范型建筑外，還沒有大規(guī)模的采用。主動式太陽能供能由于成本更高，與我國的經(jīng)濟發(fā)展也是遠不相適應。因此，建筑供能的主動與被動相結(jié)合的思想及太陽能與常規(guī)能源相結(jié)合的思想。按照房間的功能，采用不同方案的配合及交叉，這樣可以大大降低太陽能用于建筑供能的一次投資和運行成本，使得整個方案在商業(yè)化的意義下具有可操作性。被動采暖與降溫的意義在于使建筑本身能量負荷大大降低（節(jié)能率約70％），使其所要求主動供能裝置提供的能量大大降低。也就是說，它將對昂貴裝置的要求降低。另外，被動供能是巧妙利用自然條件的變化來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。我們認為，建筑物內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)技術發(fā)展方向不應當是改變自然環(huán)境來滿足人的要求，而是應當盡量巧妙地利用并順應自然界來滿足人們對健康和舒適的要求。研究空調(diào)的目的應當是盡量減少人工環(huán)境，而不是相反。主動供能的意義在于保障建筑室內(nèi)的舒適性增加。在主動與被動供能相互配合組成供能系統(tǒng)的情況下，整套建筑供能系統(tǒng)的設備性能將會提高，而尺寸和造價將會降低。 編輯本段光伏建筑一體化建筑設計中需注意的幾個問題一、光伏組件的力學性能　　作為普通光伏組件，只要通過IEC61215的檢測，滿足抗130km/h(2，400Pa)風壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求。用做幕墻面板和采光頂面板的光伏組件，不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。例如尺寸為1200mm×530mm的普通光伏組件一般采用3.2mm厚的鋼化超白玻璃加鋁合金邊框就能達到使用要求。但同樣尺寸的組件用在BIPV建筑中，在不同的地點，不同的樓層高度，以及不同的安裝方式，對它的玻璃力學性能要求就可能是完全不同的。南玻大廈外循環(huán)式雙層幕墻采用的組件就是兩塊6mm厚的鋼化超白玻璃夾膠而成的光伏組件，這是通過嚴格的力學計算得到的結(jié)果。 二、建筑的美學要求　　BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，就相當于音樂家的音樂，畫家的一幅名畫，而對于建筑物來說光線就是他的靈魂，因此建筑物對光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃，其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處，這個位置需要光線通透，這時就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，用來滿足建筑物的功能。同時為了節(jié)約成本，電池板背面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。 　　一個建筑物的成功與否，關鍵一點就是建筑物的外觀效果，有時候細微的不協(xié)調(diào)都是不能容忍。但普通光伏組件的接線盒一般粘在電池板背面，接線盒較大，很容易破壞建筑物的整體協(xié)調(diào)感，通常不為建筑師所接受，因此BIPV建筑中要求將接線盒省去或隱藏起來，這時的旁路二極管沒有了接線盒的保護，要考慮采用其他方法來保護它，需要將旁路二極管和連接線隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。比如將旁路二極管放在幕墻骨架結(jié)構(gòu)中，以防陽光直射和雨水侵蝕。 　　普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方，BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。 三、建筑結(jié)構(gòu)與光伏組件電學性能的配合　　在設計BIPV建筑時要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統(tǒng)設備選型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會造成組件間的電壓、電流不同，這個時候可以考慮對建筑立面進行分區(qū)及調(diào)整分格，使BIPV組件接近標準組件電學性能，也可以采用不同尺寸的電池片來滿足分格的要求，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外，還可以將少數(shù)邊角上的電池片不連接入電路，以滿足電學要求。 四、巧妙利用太陽能的建筑　　太陽能為保護環(huán)境創(chuàng)造了有利條件，于是許多建筑學家巧妙利用太陽能建造太陽能建筑。 　　1、太陽能墻：美國建筑專家發(fā)明太陽能墻，是在建筑物的墻體外側(cè)裝一層薄薄的黑色打孔鋁板，能吸收照射到墻體上的80％的太陽能量。被吸入鋁板的空氣經(jīng)預熱后，通過墻體內(nèi)的泵抽到建筑物內(nèi)，從而就能節(jié)約中央空調(diào)的能耗。 　　2、太陽能窗：德國科學家發(fā)明了兩種采用光熱調(diào)節(jié)的玻璃窗。一種是太陽能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖氣，然后把這種太陽能傳遞到墻和地板的空間存儲，到了晚上再放出來；另一種是自動調(diào)整進入房間的陽光量，如同變色太陽鏡一樣，根據(jù)房間設定的溫度，窗玻璃或是變成透明或是變成不透明。 　　3、太陽能房屋：德國建筑師塞多。特霍爾斯建造了一座能在基座上轉(zhuǎn)動跟蹤陽光的太陽能房屋。該房屋安裝在一個圓盤底座上，由一個小型太陽能電動機帶動一組齒輪，使房屋底座在環(huán)形軌道上以每分鐘轉(zhuǎn)動3厘米的速度隨太陽旋轉(zhuǎn)。這個跟蹤太陽的系統(tǒng)所消耗的電力僅為該房太陽能發(fā)電功率的1％，而該房太陽能發(fā)電量相當于一般不能轉(zhuǎn)動的太陽能房屋的兩倍。 　　五、光伏建筑一體化的最新政策 　　1、太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法（財政部、住房城鄉(xiāng)建設部2009年3月26日頒布） 　　2、關于支持加快太陽能光電建筑應用的政策解讀（財建[2009]128號，財政部2009年4月發(fā)布） 　　    光伏建筑一體化——玻璃屋頂建筑編輯本段光伏建筑一體化特點　　1. 能夠滿足建筑美學的要求； 　　2. 能夠滿足建筑物的采光要求； 　　3. 能夠滿足建筑的安全性能要求； 　　4. 能夠滿足安裝方便的要求； 　　5. 能夠具有壽命長的優(yōu)勢； 　　6. 具有綠色環(huán)保的效果。