光伏建筑一体化技术与应用

摘 要：随着《中国可再生能源法》的施行，光伏建筑一体化（BIPV）作为可再生能源在建筑上的应用技术受到广泛关注。文章通过对光伏建筑一体化应用技术的全面论述，就正确认识理解和应用光伏建筑一体化技术提出了自已的见解，可供大家参考。

关键词：可再生能源 光伏系统 光伏建筑一体化 光电幕墙

引 言

在世界市场的拉动下，我国光伏产业近年来发展迅速，我国太阳能电池组件年产量由世界份额的1%发展到2005年的8%，仅次于日本、欧洲，已成为世界光伏产业发展最快的国家之一[1]，为世界瞩目。

目前，全世界大约60%的太阳能电池用于并网发电系统，且主要用于城市的建筑与光伏系统的结合，即光伏建筑一体化（BIPV）[1]。光伏发电与建筑相结合是目前世界上大规模利用光伏技术发电的研发热点。在我国，BIPV尚处于示范阶段，随着《中华人民共和国可再生能源法》于2006年1月1日的施行，将大大地推动我国光伏发电与建筑的结合。加强BIPV技术研发，促进光伏产品在建筑外围护上的应用，是光伏行业、建筑幕墙行业推动可再生能源在建筑上应用的新课题。

1、光伏系统原理与应用1.1光伏电池

光伏电池是将太阳能转换成电能的转换器。其发电原理是光生伏打效应，即太阳光照射到电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下，光生电子与空穴被分离形成电压。

光伏电池多为半导体材料制造，目前应用最多的是硅太阳能光伏电池。而硅太阳能电池中，对2004年全世界生产和应用硅太阳电池情况统计显示：多晶硅占56%，单晶硅占

29%，非晶硅占5%，带硅电池3%，薄膜电池占7%[1]。数据表明目前光伏发电的应用主要还是多晶硅与单晶硅产品。

1.2光伏发电系统

太阳能电池单体是光伏转换的最小单元，工作电压约为0.45~0.5V，一般不能单独作为电源使用。为了便于使用，将太阳能电池单体进行串并联并封装后形成可以单独作为电源的单元组件，也称为光伏组件。为满足负载所要求的输出功率，将光伏组再经过串并联就形成了具有一定输出功率的光伏方阵或太阳能阵列。如图1。

由于太阳能光伏方阵所产生的电压为直流电压，且受到太阳光强度的太小而变化。为了得到稳定的可供常规交流负载使用的交流电，通常采用控制器、逆变器、蓄电池等形成稳定的光伏发电系统。如图2a、2b。

光伏发电系统主要有两种形式。一种为光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器、交流负载组成的供电系统；另一种为并网光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、并网逆变器组成并网发电系统，将电能直接输入公共电网。这两种系统中，并网光伏系统是太阳能光伏应用的主要形式。

2、光伏建筑一体化（BIPV）的概念与分类2.1概念

太阳能光伏建筑一体化BIPV(Building Integrated Photovoltaics)，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方阵安装在建筑的维护结构外表面来提供电力。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。

2.2分类 根据光伏方阵与建筑结合形式的不同，BIPV可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用（如图3光伏方阵与墙面的结合，图4光伏方阵与屋面的结合）。另一类是光伏方阵与建筑的集成。光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。如图5~7。

光伏方阵与建筑的结合是一种常用的BIPV形式，特别是与建筑屋面的结合。光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。

3、光伏建筑一体化（BIPV）对光伏方阵与光伏组件的要求3.1影响光伏发电的因素简单地讲，影响光伏发电的有两个方面。一是光伏组件可能接受到的太阳能，二是光伏组件的本身的性能。

由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，因而太阳能电池方阵所能获得的辐射量决定了它的发电量。而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关[2]。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影响太阳能的发电，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素几乎只能被动选择。对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。

3.2BIPV对光伏方阵的布置要求

对于某一具体位置的建筑来说，与光伏方阵结合或集成的屋顶和墙面，所能接受的太阳辐射是一定的。为获得更多的太阳能，光伏方阵的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南、东南面等。 3.3BIPV对光伏组件的要求

BIPV将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对建筑物的建筑效果与建筑功能带来一些新的影响。作为与建筑结合或集成的建筑新产品，BIPV对光伏组件提出了如下新的要求。 3.3.1颜色与质感

用于BIPV的光伏组件，由于其安装朝向与部位的要求，在不可能作为建筑外装饰的主要材料的前提下，光伏组件的颜色与质感需与整座建筑协调。 3.3.2强度与抗变形的能力

当光伏组件与建筑集成使用时，光伏组件是一种建筑材料，作为建筑幕墙或采光屋顶使用，因此需满足建筑的安全性与可靠性需要。光伏组件的玻璃需要增厚，具有一定的抗风压能力。同时光伏组件也需要有一定的韧性，在风荷载作用时能有一定的变形，这种变形不会影响到光伏组件的正常工作。 3.3.3透光率

在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。 3.3.4尺寸和形状

目前市场上大部分的光伏组件的为用于光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一，不能适应建筑多样化与个性化的要求。用于BIPV的光伏组件，需要结合建筑的不同要求，进行专门的设计与生产。

3、光伏建筑一体化（BIPV）对光伏方阵与光伏组件的要求3.1影响光伏发电的因素简单地讲，影响光伏发电的有两个方面。一是光伏组件可能接受到的太阳能，二是光伏组件的本身的性能。

由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，因而太阳能电池方阵所能获得的辐射量决定了它的发电量。而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关[2]。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影响太阳能的发电，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素几乎只能被动选择。对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。

3.2BIPV对光伏方阵的布置要求

对于某一具体位置的建筑来说，与光伏方阵结合或集成的屋顶和墙面，所能接受的太阳辐射是一定的。为获得更多的太阳能，光伏方阵的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南、东南面等。 3.3BIPV对光伏组件的要求

BIPV将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对建筑物的建筑效果与建筑功能带来一些新的影响。作为与建筑结合或集成的建筑新产品，BIPV对光伏组件提出了如下新的要求。 3.3.1颜色与质感

用于BIPV的光伏组件，由于其安装朝向与部位的要求，在不可能作为建筑外装饰的主要材料的前提下，光伏组件的颜色与质感需与整座建筑协调。 3.3.2强度与抗变形的能力

当光伏组件与建筑集成使用时，光伏组件是一种建筑材料，作为建筑幕墙或采光屋顶使用，因此需满足建筑的安全性与可靠性需要。光伏组件的玻璃需要增厚，具有一定的抗风压能力。同时光伏组件也需要有一定的韧性，在风荷载作用时能有一定的变形，这种变形不会影响到光伏组件的正常工作。 3.3.3透光率

在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同

时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。 3.3.4尺寸和形状

目前市场上大部分的光伏组件的为用于光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一，不能适应建筑多样化与个性化的要求。用于BIPV的光伏组件，需要结合建筑的不同要求，进行专门的设计与生产。

4、光伏建筑一体化（BIPV）的主要形式从光伏方阵与建筑墙面、屋顶的结合来看，主要为屋顶光伏电站和墙面光伏电站。而光伏组件与建筑的集成来讲，主要有光电幕墙、光电采光顶、光电遮阳板等形式。目前光伏建筑一体化主要有八种形式，

1 BIPV 形式 光电采光顶 光伏组件 光伏玻璃组件 建筑要求 建筑效果、结构强度、采光、遮风挡雨 建筑效果、结构强度、遮风挡雨 建筑效果、结构强度、采光、遮风挡雨 建筑效果、结构强度、遮风挡雨 建筑效果、结构强度、采光 类型 集成 集成 集成 （天窗） 2 3 （透明幕墙） 光电幕墙 4 （非透明幕墙） （非透明） 光电遮阳板 光伏玻璃组件 5 （有采光要求） （透明） 光电遮阳板 光伏玻璃组件 6 （无采光要求） 7 8 屋顶光伏方阵 墙面光伏方阵 （非透明） 普通光伏组件 普通光伏组件 （透明） 光伏玻璃组件 光电屋顶 光电幕墙 光伏屋面瓦 光伏玻璃组件 集成 集成 建筑效果、结构强度 集成 建筑效果 建筑效果 结合 结合

表1 光伏建筑一体化的主要形式

5、光伏建筑一体化BIPV的设计5.1设计原则

光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此，BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。

5.2建筑设计

BIPV的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用BIPV的先决条件；其次是考虑建筑物的周边环境条件，即选用BIPV的建筑部分接受太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮档，也不必考虑选用BIPV；第三是与建筑物的外装饰的协调，光伏组件给建筑设计带来了新的挑战与机遇，画龙点睛的BIPV设计会使建筑更富生机，环保绿色的设计理念更能体现建筑与自然的结合。第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。 5.3发电系统设计

BIPV的发电系统设计与光伏电站的系统设计不同，光伏电站一般是根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统，BIPV则是根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率并配套系统。

BIPV光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。

光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果，如颜色与板块大小；另一方面要考虑其受光条件，如朝向与倾角。光伏组件设计，涉入电池片的选型（综合考虑外观色彩与发电量）与布置（结合板块大小、功率要求、电池片大小进行）；组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。光伏发电系统的设计，即系统类型（并网系统或系统）确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。

5.4结构安全性与构造设计

光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面：一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受，受风变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定不是安装空调式的简单固定，而是需对连接件固定点进行相应的结构计算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。

构造设计是关系到光伏组件工作状况与使用寿命的因素，普通组件的边框构造与固定方式相对单一。与建筑结合时，其工作环境与条件有变化，其构造也需要与建筑相结合。如隐框幕墙的无边框、采光顶的排水等普通组件边框已不适用。

6、国内光伏建筑一体化工程应用实例6.1深圳国际园林花卉博览园光伏屋顶系统 由深圳市投资承建的1兆瓦太阳能光伏电站于2004年8月在深圳国际园林花卉博览园内建成发电。电站安装于园内综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡，采用与市电直接并网的运行方式，是目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站之一。该电站总容量1000.322kWp，年发电能力约为100万kWh。工程采用了超过4000个单晶硅及多晶硅光伏组件（160瓦和170瓦组件）。与建筑屋顶结合部分如图8~10。

6.2深圳方大大厦10.7kWp光电幕墙与光电屋顶

方大大厦光伏建筑一体化工程是光伏组件与建筑的集成。光伏组件作为大厦电梯井顶部的采光顶与幕墙面出现。光伏方阵总面积93.8平方M，光伏组件采用多晶硅玻璃组件，

并网发电系统，系统总容量10.7kWp；2002年12月建成并投入使用。安装方位：立面东南斜面东南偏南，与水平面倾角45度。

7、结束语

为推进要再生能源在建筑上的应用，今年国家财政部建设部共同颁发了《推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》、《可再生能源建筑应用示范工程评审办法》等一系列文件。同时2006年6月1日实施的《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）也明确将可再生能源发电作为绿色建筑评价的优选项。不难想象，光伏建筑一体化作为一种可再生能源在建筑上应用的举措，在我国将会快速地发展，光伏建筑一体化应用技术也将得到很大的进步。

在目前尚无相关技术标准规范的情况下，正确地认识和理解光伏建筑一体化技术，合理地应用并把握其关键点尤为重要。实现光伏系统与建筑的良好地结合，还需要我们进行深入广泛地研究。 参 考 文 献

[1] 中国可再生能源发展工程办公室主编.中国光伏产业发展研究报告（2004-2005）.北京.2006.8

[2] 王长贵 王斯成主编.太阳能光伏发电实用技术.北京.化学工业出版社.2005.9

[3] 李安定著.太阳能光伏发电系统工程.北京.北京工业大学出版社.2001.12 [4] L.Stamenic . Developments with BIPV System in Canada. Asian J. Energy Environ., Vol.5,Issue 4,(2004), pp349-365

[5] Gregory Kiss. Optimal Building-Integrated Photovoltaic Applications. November 1995.NREL/TP-472-20339

【作者及单位介绍】

谢士涛，高级工程师，中国建筑装饰协会幕墙工程委员会专家组成员，中国建筑金属结构协会铝门窗幕墙委员会专家组成员，建筑部幕墙门窗标准化技术委员会专家组成员，深圳市土木建筑学会门窗幕墙委员会委员，深圳市节能专家委员会成员。主要从事建筑门窗幕墙设计、建筑节能、太阳能建筑一体化方面研究，先后完成幕墙设计一百多项，发表论文二十多篇。

深圳南玻幕墙及光伏工程有限公司是中国南玻集团（A、B股股票的上市公司）的全资子公司。公司成立于1993年，成立以来，主要立足于建筑玻璃在建筑中的应用研究与建筑幕墙新产品的研发，先后完成了一批建筑幕墙如双层幕墙、光电幕墙等新产品的研制与工程应用。公司拥有建筑幕墙专项甲级设计资质与建筑幕墙的施工一级资质。

自2005年集团决定进军太阳能产业，为打造完整的太阳能产业链，集团先后成立了宜昌南玻硅材料有限公司（生产多晶硅片等原材料）深圳南玻光伏科技有限公司（生产太阳能电池片及光伏组件）东莞南玻太阳能玻璃有限公司（生产太阳能超白玻璃）。为了推动我国太阳能在建筑上的应用，公司又开始了太阳能建筑一体化方面的研究，先后在太阳能建筑一体化（光伏建筑一体化、光热建筑一体化）方面获得了多项国家专利。完成了一批示范工程，作为中国可再生能源学会太阳能建筑一体化专业委员会会员，超强的研发能力与务实的工作作风，促成公司打造为“国家住宅产业工程技术中心太阳能建筑一体化研发基地”。

公司立足于推动太阳能在建筑上的应用，竭诚为大家提供太阳能在建筑中的应用的各种技术服务与咨询工作。