主页〞恒彩娱乐〝主页，Vol.15， No.6 Nov.， 2013 POWER DSM 为解决不可再生能源短缺带来的社会发展瓶颈问题， 人们将目光转向了以太阳能为代表的可再生能源， 开始实施 “太阳能计划”有的优点， 得到越来越多的重视。目前建筑能耗占社会总能耗的30%左右， 而暖通空调能耗约占建筑能耗的65%。随着社会经济的发展， 建筑能耗也将持续增加。提倡建筑节能不仅能够缓解能源危机， 还能减少污染物的排放。光伏建筑一体化 （BIPV） 正是在这种背景下产生并发展成光伏技术重要的应用形式［2］。BIPV的概念出现在20世纪70年代末的美国。由于其不需要额外的土地、 绿色环保、 可实现多种功能等诸多特点， 各...

　　Vol.15， No.6 Nov.， 2013 POWER DSM 为解决不可再生能源短缺带来的社会发展瓶颈问题， 人们将目光转向了以太阳能为代表的可再生能源， 开始实施 “太阳能计划”有的优点， 得到越来越多的重视。目前建筑能耗占社会总能耗的30%左右， 而暖通空调能耗约占建筑能耗的65%。随着社会经济的发展， 建筑能耗也将持续增加。提倡建筑节能不仅能够缓解能源危机， 还能减少污染物的排放。光伏建筑一体化 （BIPV） 正是在这种背景下产生并发展成光伏技术重要的应用形式［2］。BIPV的概念出现在20世纪70年代末的美国。由于其不需要额外的土地、 绿色环保、 可实现多种功能等诸多特点， 各国纷纷投入到BIPV技术的研究和发展之中。经过众多研究者的努力， BIPV已经从最初的光伏阵列在建筑物上的简单堆砌的形式发展到现在的光伏系统以屋顶、 墙体， 遮阳或者雨棚等形式与建筑物融为一体， 成为建筑物密不可分的一部分［1］。太阳能因其特［3］。1光伏建筑一体化概念光伏建筑一体化是将太阳能发电系统与建筑的构件集成在一起， 不仅能够承担该建筑构件的在楼体中的建筑职能， 同时还可以利用光能产电， 为系统负载提供电力。BIPV建筑可以看作是光伏电站的一种衍生产品。由于太阳光在单位面积上辐射的能量很小， 使得光伏电站需要占用大范围的面积去获取太阳能。而光伏系统与建筑物结合后， 不会要求额外的地面空间， 因此非常适合在城市中广泛应用。光伏建筑一体化可分为2种。一种是以建筑附加系统形式的出现的， 多以现有的建筑物为基础，在其建筑表面附加光伏发电系统。这种形式在BIPV早期发展阶段采用较多， 因多与建筑设计风格不协调， 很难达到理想效果， 现多用于旧建筑的改造工作。另一种是现在普遍使用的与建筑构件相集成的形式。光伏组件将作为一种建筑材料应用到建筑的表层结构中。这种形式要求与建筑物一起设计， 同时施工， 并一起交付使用。从严格意义上讲， 以建筑构件方式使用的系统这种才是真正的光伏建筑一体化。与光伏发电站类似， 一个完整的BIPV系统除了光伏组件组成的光伏阵列外， 还包括其他一些配套设备， 如： 蓄电池、 逆变器、 电流控制箱、 系统监控保护设备。配套设备是根据BIPV系统光伏阵列的大小和建筑物中所分布的布置来进行配置。当BIPV系统被设计成并网型时， 蓄电池等储电设备可以省略， 用以替代的是并入电网的接入装置。作为光伏发电技术和建筑学的结合产物， BIPV已经在世界范围内被推广应用并取得了很多成功的经验。在众多项目中， BIPV的外部观感尤其重Abstract： The building integrated photovoltatic system（BI⁃PV）this paper, through evaluating the consumption of buildings, weconcluded that the exitence of the BIPV was necessary. The efficien⁃cy of three common implementations of BIPV were compared, andfactors that influenced the electric output of the system were aslo an⁃alysed.At last some standards of BIPV design have been pointed out.Key words： BIPV; solar energy; design rules中图分类号： TU802； TM615文献标志码： C摘要： 光伏建筑一体化是太阳能技术的重要发展趋势。分析了目前建筑耗能和建筑节能的现状， 指出光伏技术与建筑的一体化（BIPV）方案势在必行。分析比较了的BIPV 3种结构形式具体结构和优缺点， 并总结了影响其系统产电性能的各项因素， 最后提出BIPV的设计原则及策略。关键词： 光伏建筑一体化； 太阳能； 设计原则光伏建筑一体化及其设计原则郭剑， 张双燕（杭州国电能源环境设计研究院， 杭州Design principles of the building integrated photovoltatic systemsGUO Jian ,ZHANG Shuang⁃yan（Hangzhou State Power Energy Environment Research DesignInstitute,Hangzhou 201308,China）201308）文章编号： 1009-1831 （2013） 06-0027-03收稿日期： 2013-09-1027 电力需求侧管理第15卷第6期2013年11月图3光伏采光顶构造图2集成太阳能屋顶构造图1独立太阳能屋顶结构要， 必须要符合建筑美学要求， 并与建筑物周围环境融为一体， 不能单纯以发电为目的而造成视觉上的污染。这一问题在BIPV系统早期的发展中往往被人们忽视。其次， BIPV构件要满足建筑使用功能， 通过太阳能电池模块与建筑物的屋顶、 幕墙、 雨搭等建筑构件的集成， 实现保护、 保温、 隔热、 遮雨或透光的使用功能； 最后， BIPV系统必须能稳定、 良好的执行光电转换的功能， 这是光伏建筑一体化的核心功能。22.1光伏建筑一体化的安装形式与屋顶一体化光伏屋顶的形式主要有以下3种： 独立太阳能光伏屋顶、 集成太阳能光伏屋顶、 光伏采光顶。（1）独立太阳能屋顶是将光伏装置与建筑屋顶分离开， 光伏装置作为后加的设备加于建筑物之上， 并不承担屋顶系统的保温、 隔热、 结构等方面的功能， 这种形式下的光伏装置可不受建筑屋顶倾斜角的限制， 有利于根据所在地区的太阳高度角合理安排电池组件的安装角度。独立太阳能光伏屋顶的构造如图1所示。（2）集成太阳能光伏屋顶是将光伏装置和建筑屋顶结合为一体， 此时光伏组件作为屋顶功能的一部分存在， 屋顶由光伏板、 空气间隔层、 屋顶保温层、 结构层构成。太阳能光伏屋顶是太阳能电池板与屋面板结合形成的一体化产品。这种太阳能电池板既能防雨雪， 又能抵御一定的压力， 对光伏组件的设计及安装有很高的要求。集成太阳能光伏屋顶的构造如图2所示。（3）光伏采光顶是将电池板应用到屋面采光上， 除了要满足安全、 抗风压、 防水和防雷要求外，还必须满足屋面采光要求。光伏采光顶需具有一定的透光能力， 因此常采用透光性的光伏元件 （如：薄膜太阳能电池） ， 一般将组件的透光率设计在10%~50%。设计时还可通过组件中电池片排列的间隔、安装位置及角度不同达到合适的透光率。光伏采光顶的构造如图3所示。2.2与墙体一体化建筑物的外墙也是 BIPV 系统经常安装的位置。光伏组件不仅可以与墙体的石材、 砖瓦预制在一起， 而且可与玻璃幕墙集成一体。作为太阳能电池和玻璃的独特组合产物， 光伏幕墙巧妙的利用了太阳能电池双层玻璃封装的构造， 使之在执行发电功能的同时又充当建筑材料， 被认为是最节省材料成本的一种BIPV形式。由于薄膜太阳能电池具有的透光性， 光伏幕墙使用范围也扩展到建筑物的窗户、 前庭等需要采光部位。当BIPV系统安装在外墙立面的时候， 太阳能电池把原来辐射进建筑物的光线吸收阻挡在建筑物的外部， 有效的起到了隔热作用， 减少了夏季使用空调制冷的能源消耗。当光伏组件安装在建筑外墙的时候， 其发电效力容易受到建筑物朝向、 太阳光入射角的因素的影响。2.3光伏建筑一体化还可以与遮阳或雨棚的构建与遮阳、 雨棚一体化28 Vol.15， No.6 Nov.， 2013 POWER DSM 结合一体。光伏组件既能减低入室光线的强度、 多余的热量， 避免风雨的侵扰， 又可以实现光电的转换。与屋顶一体化类似， 这种集成方式可以使太阳能电池根据太阳的高度角选择朝阳倾角， 从而获得最大的太阳辐射量。33.1影响BIPV系统性能的因素太阳辐射太阳光是光伏发电系统的唯一能量来源， 太阳与地球处于持续的相对运动状态， 因此地面所接收到的太阳辐射量每时都在发生变化。无论何种形式的光伏系统都需要在设计之初掌握当地的太阳辐射情况， 以便系统更加有效地发挥作用。在设计中比较受关注的参数是太阳辐射度和月平均日辐射量。前者反映太阳投射到单位面积上的辐射功率， 后者表示单位时间太阳投射到单位面积上的辐射能量。3.2众所周知， 当光伏系统的朝向正对着太阳的时候， 太阳能电池单位面积上能获得最大强度的太阳辐射。虽然由于地球公转的原因， 太阳的位置始终随着季节的变化而在正南方 （北半球） 的偏东或偏西方向做规律性运动， 但是只要保持系统的正南朝向， 光伏组件就可以在一年的周期中生产出最理想的发电量。倾角是指光伏组件的平面与水平线的夹角。在理想状态下， 当太阳光线与光伏组件平面的入射角为0， 即光线垂直射入电池表面的时候， 光线在电池表面所发生的反射最少， 太阳光能量可以最大程度的被太阳能电池吸收并转换为电能。此时， 光伏组件平面与水平面所形成的倾角被称作最佳倾角。由于太阳和地球都处在运动之中， 所以这个最佳倾角是一定范围中变化的数值。文献 ［4］ 通过使用光伏系统所在地的纬度经过一系列的复杂计算解出这些变化的最佳倾角。而文献 ［5］ 则提供了一个更为简单的办法确定最佳倾角： 以光伏系统所在地的纬度数值减去20所得的数值即为最佳倾角。此方法虽然不精确， 但是可以迅速的确定光伏组件的最佳倾角大致范围， 仍有一定使用价值。在BIPV项目中， 由于建筑物的环境及光伏阵列所安放位置的关系， 光伏组件通常无法以最佳朝向和最佳倾角的形式安装。这一问题在与外墙一体化形式的BIPV系统中尤为突出。在光伏幕墙中， 光伏组件基本都是以倾角90的形式安装， 光能损失较大。解决这种问题的最好办法除了对光伏组件的表面进行特殊处理， 最大程度的避免入射光的反射和折射之外， 还需要在建筑设计阶段就要考虑好光伏组件朝向和倾角因素光伏系统安放的位置， 在满足建筑功能和美观的同时， 为光伏建筑一体化系统的安装位置做好合理的规划。3.3阴影遮挡是建筑设计经常遇到的问题。尤其在城市中， 由于人口密度和土地价格等原因导致建筑物的高度不断提升， 而间隔距离却越来越小。因此， 以城市建筑为主要应用场所的BIPV系统不可避免的面临着阴影遮挡问题。对于传统的单晶硅、 多晶硅光伏系统， 无论是相邻建筑物的大面积遮挡，还是路边绿色植物的小片树叶投影都会严重的降低被遮挡光伏阵列的发电量。光伏系统损失的不仅仅是被阴影遮挡的太阳能电池所提供的电力， 而会失去与被遮挡电池相串联的整组光伏组件的发电能力。这是因为在由多光伏组件串联的阵列中，光伏阵列的工作电流是由受到最低光照强度的太阳能电池的电流决定的。如果阵列某一块太阳能电池停止工作， 那么整个光伏阵列将失去效力。更重要的是， 被遮挡的晶硅光伏组件会产生热量， 形成热点效应， 最后导致太阳能电池及所属光伏组件的整体损坏。为了避免这种现象出现， 现在出产的光伏组件都已经在太阳能电池的串联线路上安装了旁路二极管作为电流绕过被遮挡太阳能电池的备用通路。这种措施虽然能保护光伏组件不受破坏， 但是被阴影遮挡部分的发电效力仍将损失掉。而薄膜电池因为其弱电发电能力强， 阴影遮挡只会影响被遮挡光伏组件的性能， 不会影响整体阵列的工作表现。建筑物所遭受的阴影遮挡大部分是每日的， 长期的。频繁而长期的阴影对BIPV系统的发电性能影响是巨大的， 因此有必要在设计BIPV系统的时候仔细考察建筑周围环境， 避免遮挡发生。3.4光伏系统为了生产出更高的电量， 必须要尽可能的得到最大化光照强度和时长， 这直接导致BIPV系统的工作环境温度大幅度上升。光伏组件一般以25 ℃为最佳工作温度， 在温度超过最佳工作稳定之后， 其输出功率会随着温度的上升而下降。当周围温度每上升1 ℃， 光伏组件的工作效率将下降大约0.4%。例如： 一个发电效率为15%的光伏系统，在周围气温上升10 ℃的情况下， 发电效率将下降到14.4%。目前解决温度问题的方法有2个： 一种是采用非晶硅、 碲化镉、 铜铟镓硒等温度系数低的薄膜太阳能电池材料组建BIPV系统， 另一种方法就是为BIPV系统的光伏系统预留散热的缝隙， 利用空气的流动来带走热量。阴影遮挡因素温度影响（下转第37页）29 Vol.15， No.6 Nov.， 2013 POWER DSM （上接第29页）4BIPV的设计原则和策略BIPV在设计及使用中应遵循一定的建筑标准,主要应包括： ①分析建筑物所在地的地理气候条件及日照情况,这是决定是否选用BIPV的先决条件；②考虑建筑物的周边环境条件,应确保建筑物能最大面积的收集太阳能,提高太阳能的转换率； ③光伏组件与建筑物的外装饰应协调、 融合,不损害和影响建筑的效果、 结构安全、 功能和使用寿命, 不能对建筑物本身产生损害和不良影响； ④太阳能产品、 构件能够实现预制板式的工业标准化、 系列化和商业通用化,与屋顶和墙壁等建筑构件具有可替代性； ⑤具有适用性、 经济性、 舒适性、 美观性； ⑥建筑物接收太阳能不得再另外占用土地和增加其他设施； ⑦能够分散发电,避免远距离传输和分电损失,降低输电和分电投资及维修成本。5结束语在化石燃料紧缺且环境严重污染的当今世界，太阳能作为最有潜力的可持续性替代能源， 将会有很大的发展空间， 而光伏建筑一体化则是太阳能利用的主要发展趋势。BIPV体现了创新的建筑设计理念和高科技含量, 它不仅开辟了光伏技术应用于建筑领域的新天地, 而且拉动了光伏技术的产业化发展及在城市的大规模应用, 因而具有非常广阔的市场前景。D参考文献：［1］ 谷民安,刘永生,赵春江,等.太阳能光伏技术与建筑一体化研究进展 ［J］ .华东电力, 2009, 37(10): 1 771-1 774.［2］ 梁象莹. 基于太阳能光伏技术的节能建筑系统的设计与研究 ［J］ .应用能源技术, 2009(2):6-9.［3］ 魏政,于冰清.我国光伏产业发展现状与对策探讨 ［J］ .中外能源, 2013, 18(6):15-25.［4］Performance evaluation of photovoltaic modules atdifferentConversion and Management, 2004, 45(15-16): 2 441-2 452.［5］ Fordham M, Thomas R. Photovoltaics and...