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摘要：通過對光伏建筑一體化的各種應(yīng)用形式及優(yōu)勢分析，綜合探討BIPV在建筑上應(yīng)用的實用性。提出一些光伏組件（詞條“光伏組件”由行業(yè)大百科提供）在建筑應(yīng)用的技術(shù)思路，市場應(yīng)用的平衡點以及對市場的預(yù)期。
關(guān)鍵詞：光伏;建筑;一體化;優(yōu)勢
1.引言
隨著石化能源的日益枯竭和人類生存環(huán)境的日益惡化，世界各國對清潔能源如太陽能、風(fēng)能等可再生能源的支持力度越來越大。光伏建筑一體化建筑是光伏應(yīng)用形式中最接近人類生活的一種，是綠色節(jié)能環(huán)保理念的完美體現(xiàn)。根據(jù)《中國建筑能耗研究報告(2020 )》2018年建筑行業(yè)全生命周期碳排放占全國總量的51.3 %，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳是我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵。
根據(jù)《中國建筑能耗研究報告(2020)》2018年建筑行業(yè)全生命周期碳排放占全國碳排放總量的51.3%
2.光伏建筑一體化的定義
光伏建筑一體化(BIPV)技術(shù)即將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。BIPV即Building Integrated Photovoltaic，其不但具有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，同時又能產(chǎn)生電能供建筑使用。光伏建筑一體化(BIPV )不同于光伏系統(tǒng)附著在建筑上(BIPV : Building Attached PV)的形式。幾種系統(tǒng)的工程實例請見下圖(圖1)。
3.光伏建筑一體化的應(yīng)用形式
隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展和建筑設(shè)計師（詞條“建筑設(shè)計師”由行業(yè)大百科提供）們的奇思妙想，建筑外圍護(hù)的形式越來越多樣化。而作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一種深化表現(xiàn)形式，光伏建筑一體化在建筑物上也出現(xiàn)了多種多樣的應(yīng)用形式，如圖2所示。下面介紹幾種BIPV在建筑中的運用形式，供大家參考。
· 采光頂:采光比較理想，發(fā)電效率較高;
· 幕墻立面:示范效果好，形式多樣，美觀;
· 遮陽板:既遮擋陽光，又發(fā)電補(bǔ)充能源;
· 護(hù)欄和地板:充分利用空間，安放簡單方便;
3.1光伏玻璃幕墻
利用采光充足的玻璃幕墻層間區(qū)域及需要進(jìn)行遮陽設(shè)計的立面區(qū)域，安裝光伏幕墻，集建筑裝飾、建筑遮陽與發(fā)電一體化。其結(jié)構(gòu)原理玻璃幕墻完全相同，幕墻形式可做成全隱框、全明框、半隱框等多種形式。光伏玻璃幕墻系統(tǒng)可按照工程定制或?qū)υ粔ο到y(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造;光電面板背面可襯以不同顏色，以適應(yīng)不同的建筑風(fēng)格。光伏幕墻集發(fā)電、隔音、隔熱、裝飾等功能于一體，把光電技術(shù)與幕墻技術(shù)相結(jié)合，代表著幕墻技術(shù)發(fā)展的新方向。其通過太陽能光電池和半導(dǎo)體材料對自然光進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)化、蓄積、變壓，最后聯(lián)入建筑供電網(wǎng)絡(luò)，為建筑提供可靠的電力支持。
3.2光伏玻璃采光頂
玻璃采光頂是建筑的組成部分，隨著建筑物跨度越來越大，通過建筑幕墻、門窗已不能滿足建筑物室內(nèi)采光的需要，需要在大跨度屋面設(shè)置玻璃采光頂進(jìn)行室內(nèi)采光。光伏玻璃組件與采光頂結(jié)合進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，可以讓綠建設(shè)計融入建設(shè)全過程。結(jié)構(gòu)上采用橫隱豎明半隱框設(shè)計，對于有防火要求的需滿足建筑屋面防火要求。對于無防火要求的光伏采光頂，可采用點支式玻璃采光頂及鋁合金（詞條“鋁合金”由行業(yè)大百科提供）框架式玻璃采光頂。
3.3光伏護(hù)欄
護(hù)欄是建筑物防護(hù)安全設(shè)施的重要防護(hù)構(gòu)件，在朝向和陽光良好位置，選用
光伏玻璃替代常用玻璃、金屬等，不僅可以滿足安全防護(hù)需求，也可以利用太陽
能發(fā)電，一舉兩得;光伏玻璃與欄桿結(jié)合進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，結(jié)構(gòu)安全可靠，完美隱
藏線及接線盒更美觀，施工簡單便捷。
3.4光伏遮陽棚
光伏遮陽棚是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ慕ㄖ夥鼞?yīng)用形式之一，具有以下有點：
a)在合理安裝角度下，有利于光伏組件最大限度的接受太陽輻射（詞條“太陽輻射”由行業(yè)大百科提供），提高光
電轉(zhuǎn)化效率;
b)可以阻擋陽光進(jìn)入室內(nèi)，利于控制和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，降低建筑物空調(diào)負(fù)
荷，起到節(jié)能減排的作用;
c)光伏組件作為一種新型的建筑遮陽構(gòu)件，可以節(jié)約遮陽材料，豐富建筑
4.光伏建筑一體化的優(yōu)勢
4.1能夠滿足建筑美學(xué)的要求
BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術(shù)品，其成功與否關(guān)鍵一點就是建筑物的外觀效果。在BIPV建筑中，我們可通過相關(guān)設(shè)計將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。這樣既可防陽光直射和雨水侵蝕，又不會影響建筑物的外觀效果，達(dá)到與建筑物的完美結(jié)合，實現(xiàn)建筑大師們的構(gòu)想。
4.2能夠滿足建筑物的采光要求
對建筑物來說光線就是靈魂，其對光影的要求甚高。BIPV建筑是采用光面超白鋼化玻璃制作的雙面玻璃組件，能夠通過調(diào)整電池片的排布或采用穿孔硅電池片來達(dá)到特定的透光率，即使是在大樓的觀光處也能滿足光線通透的要求。當(dāng)然，光伏組件透光率越大，電池片的排布就越稀，其發(fā)電功率也會越小。
4.3能夠滿足建筑的安全性能要求
BIPV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，因此需要有比普通組件更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。在不同的地點，不同的樓層高度，不同的安裝方式，對它的玻璃力學(xué)性能要求就可能是完全不同的。
BIPV建筑中使用的雙玻璃光伏組件是由兩片鋼化玻璃，中間用PVB膠片復(fù)合太陽能電池片組成復(fù)合層，電池片之間由導(dǎo)線串、并聯(lián)匯集引線端的整體構(gòu)件。鋼化玻璃的厚度是按照國家建筑規(guī)范和幕墻規(guī)范，通過嚴(yán)格的力學(xué)計算得出的結(jié)果。而組件中間的PVB膠片有良好的粘結(jié)性、韌性和彈性，具有吸收沖擊的作用，可防止沖擊物穿透，即使玻璃破損，碎片也會牢牢粘附在PVB膠片上，不會脫落四散傷人，從而使產(chǎn)生的傷害可能減少到最低程度，提高建筑物的安全性能。
《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ 102-2003》第3.4.6項明文規(guī)定，玻璃幕墻采用夾層玻璃璃時，應(yīng)采用干法（詞條“干法”由行業(yè)大百科提供）加工合成，其夾片宜采用聚乙烯醇縮丁醛(PVB膠片。而在作者參編的《民用建筑（詞條“民用建筑”由行業(yè)大百科提供）太陽能光伏系統(tǒng)（詞條“太陽能光伏系統(tǒng)”由行業(yè)大百科提供）應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》也將“夾層（詞條“夾層”由行業(yè)大百科提供）玻璃應(yīng)采用PVB膠片”作為一項強(qiáng)制性的條文加入到規(guī)范中，以加強(qiáng)建筑物的安全性。
4.4能夠滿足安裝方便的要求
BIPV建筑是光伏組件與玻璃幕墻的緊密結(jié)合。幕墻在我國發(fā)展三十年以來，各種幕墻形式都具有了比較成熟的設(shè)計和安裝技術(shù)。構(gòu)件式幕墻（詞條“構(gòu)件式幕墻”由行業(yè)大百科提供）施工手段靈活，主體結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力強(qiáng)，工藝成熟，是目前采用最多的結(jié)構(gòu)形式。單元式幕墻在工廠內(nèi)加工制作，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，降低人工費用，控制單元質(zhì)量，從而縮短施工周期，為業(yè)主帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。雙層通風(fēng)幕墻（詞條“雙層通風(fēng)幕墻”由行業(yè)大百科提供）系統(tǒng)具有通風(fēng)換氣，隔熱隔聲，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，并能夠改善了BIPV組件的散熱情況，降低了電池片溫度，減少了組件的效率損失，降低熱量向室內(nèi)的傳遞。BIPV建筑簡單來說，就是用BIPV光伏組件取代普通鋼化玻璃，其結(jié)構(gòu)形式基本上同傳統(tǒng)玻璃幕墻能夠相通。這就使得BIPV光伏組件的安裝具有深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢，完全能夠達(dá)到安裝方便的要求。
4.5能夠具有壽命長的優(yōu)勢
普通光伏組件封裝用的膠一般為EVA。由于EVA的抗老化（詞條“老化”由行業(yè)大百科提供）性能不強(qiáng)、使用壽命達(dá)不到50年，不能與建筑同壽命而且EVA發(fā)黃將會影響建筑的美觀和系統(tǒng)的發(fā)電量。而PVB膜具有透明、耐熱、耐寒、耐濕，機(jī)械強(qiáng)度高等特性，并已經(jīng)成熟應(yīng)用于建筑用夾層玻璃的制作。國內(nèi)玻璃幕墻規(guī)范也明確提出“應(yīng)用PVB”的規(guī)定。BIPV光伏組件采用PVB代替EVA制作能達(dá)到更長的使用壽命。目前，國外的Schott和Schuco公司，以及國內(nèi)的一些光伏玻璃企業(yè)已經(jīng)掌握了較成熟的PVB封裝技術(shù)的光伏組件。
此外，在BIPV系統(tǒng)中，選用光伏專用電線(雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線)，選用偏大的電線直徑，以及選用性能優(yōu)異的連接器等設(shè)備，都能延長BIPV光伏系統(tǒng)的使用壽命。
4.6具有綠色環(huán)保的效果
BIPV建筑物能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需要另占土地，還能省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu);太陽能硅電池是固態(tài)半導(dǎo)體器件，發(fā)電時無轉(zhuǎn)動部件，無噪聲，對環(huán)境不會造成污染;BIPV建筑可自發(fā)自用，減少了電力輸送過程的費用和能耗，降低了輸電和分電的投資和維修成本。而且日照強(qiáng)時恰好是用電高峰期，BIPV系統(tǒng)除可以保證自身建筑內(nèi)用電外，在一定條件下還可能向電網(wǎng)供電，舒緩了高峰電力需求，具有極大的社會效益;還能杜絕由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染，這對于環(huán)保要求更高的今天和未來極為重要。
5. 結(jié)語
太陽能作為一種潔凈的可再生能源，有著礦物能源不可比擬的優(yōu)越性。中國的太陽能資源十分豐富，為各種太陽能利用系統(tǒng)提供了巨大的市常由此，建筑界提出 “21世紀(jì)建筑”的一個概念即由建筑物自己產(chǎn)生能源，太陽能光伏建筑物一體化(BIPV)便成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)（詞條“光伏技術(shù)”由行業(yè)大百科提供）市場的熱點。
隨著國家2021年氣候變化綠皮書的發(fā)布，碳達(dá)峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革，如何實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展成為全球最強(qiáng)的呼聲。中國作為發(fā)展中國家，能源消耗逐年以驚人的速度增長，而建筑 作為能耗大戶(發(fā)達(dá)國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的1/3以上)，其 節(jié)能 效益則變得尤其重要。
2021年10月國務(wù)院印發(fā)關(guān)于《2030年前碳達(dá)峰行動方案》的通知，里面明確到2025年，新建公共機(jī)構(gòu)建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達(dá)到50%，各地方政府也積極響應(yīng)并發(fā)文，在綠色能源的熱潮下，許多企業(yè)正在積極建設(shè)城市并網(wǎng)發(fā)電示范工程。建筑作為光伏發(fā)電的載體，未來將給千家萬戶帶來清潔能源的便利，也會給整個建筑行業(yè)帶來新的機(jī)遇。
參與文獻(xiàn)
[1] IEC61215《地面用晶體硅光伏組件-設(shè)計鑒定和定型》
[2] IEC-61646《地面用薄膜光伏組件-設(shè)計鑒定和定型》
[3] IEC61730《光伏組件安全鑒定》
[4] GB/T51368《建筑光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》
[5] GB29551《建筑用太陽能光伏（詞條“太陽能光伏”由行業(yè)大百科提供）夾層玻璃》
[6] GB/T29759《建筑用太陽能光伏中空玻璃》
[7] GB/T 19939-2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》
[8] GB/T 21086-2007《建筑幕墻》
[9] GB/T 8478-2020《鋁合金門窗》
作者單位：蘇州金剛防火鋼型材系統(tǒng)有限公司
