建築一體化光伏系統

建築一體化光伏（BIPV）系統是套用光伏發電的一種新概念，是太陽能光伏系統與現代建築的完美結合。建築設計中，在建築結構外表面鋪設光伏組件提供電能，將太陽能發電系統與屋面、天窗、幕牆等建築融為一體，建造綠色環保建築正在全球形成新的高潮。

基本介紹

• 中文名：建築一體化光伏系統  
• 外文名：BIPV 
• 特點：太陽能光伏系統與建築相結合
• 優點：使用方便，維護簡單
• 設計原則：美觀，高效，經濟
• 實例：德國國會大廈BIPV系統

簡介

太陽能光伏發電可直接將太陽光轉化成電能，光伏發電雖然套用範圍遍及各行各業，但影響最大的是建材與建築領域。20世紀90年代，隨著常規發電成本的上升和人們對環境保護的日益重視，一些國家開始將價格迅速下降的太陽能用於建築，太陽能電池已經可以彎曲、盤卷，厚度僅為幾個波長，易於裁剪、安裝、防風雨、清潔安全，可以取代建築用塗料、瓷塊、價格不菲的幕牆玻璃，可以作為節能牆體的外護材料。1997年，美國提出雄心勃勃的“柯林頓總統百萬太陽能屋頂計畫”，計畫在2010前為100萬戶居民每戶安裝3~5kWp光伏電池。德國與此同期推出“十萬太陽能屋計畫”。日本推出“新陽光計畫”，目標為2010年在全國推廣150萬套太陽能屋頂。2002年悉尼成功舉辦奧運會，共在國際奧運村安裝665套1kWp的屋頂光伏系統，是目前世界上最大的光伏住宅小區。建築一體化光伏（BIPV）系統是套用光伏發電的一種新概念，是太陽能光伏系統與現代建築的完美結合。

光伏與建築相結合的優點

光伏與建築相結合的優點表現在：

（1）可以利用閒置的屋頂或陽台，不必單獨占用土地

（2）不必配置蓄電池等儲能裝置，節省了系統投資，避免了維護和更換蓄電池的麻煩

（3）由於不受蓄電池容量的限制，可以最大限度地發揮太陽能電池的發電能力

（4）分散就地供電，不需要長距離輸送電力輸配電設備，也避免了線路損失

（5）使用方便，維護簡單，降低了成本

（6）夏天用電高峰時正好太陽輻射強度大，光伏系統發電量多，對電網起到調峰作用

光伏與建築相結合的形式

（1）光伏系統與建築相結合：將一般的光伏方陣安裝在建築物的屋頂或陽台上，通常其逆變控制器輸出端與公共電網並聯，共同向建築物供電，這是光伏系統與建築相結合的初級形式。

（2）光伏組件與建築相結合：光伏組件與建築材料融為一體，採用特殊的材料和工藝手段，將光伏組件做成屋頂、外牆、窗戶等形式，可以直接作為建築材料使用，既能發電，又可作為建材，進一步降低發電成本。

與一般的平板式光伏組件不同，BIPV組件既然兼有發電和建材的功能，就必須滿足建材性能的要求，如：隔熱、絕緣、抗風、防雨、透光、美觀。還要具有足夠的強度和剛度，不易破損，便於施工安裝和運輸等。為了滿足建築工程的要求，已經研製出多種顏色的太陽能組件，可供建築師選擇，使得建築物色彩與周圍環境更加和諧。根據建築工程的需要，已經生產出多種滿足屋頂瓦、外牆、窗戶等性能要求的太陽能組件。其外形不單有標準的矩形，還有三角形、菱形、梯形，甚至是不規則形狀。也可以根據要求，製作成組件周圍是無框線的，或者是透光的，接線盒可以不安裝在背面而在側面。

BIPV對建築圍護結構熱性能的影響

BIPV對建築圍護結構的傳熱特性具有明顯的影響，從而對建築冷熱負荷產生影響。光伏與通風屋面結合，不僅可以提高光伏裝換效率，而且可以通過屋面傳入室內的冷熱負荷。通過分析四種不同形式的屋面結構，評價光伏性能及其對建築冷熱負荷的影響，四種屋面結構如圖1所示，其中（a）為通風架空屋面BIPV；（b）為非通風架空屋面BIPV；（c）為屋面鑲嵌BIPV；（d）為傳統屋面。分析表明：夏季，BIPV的最佳做法是將PV模組與通風空氣夾層相結合（a）,這種做法可以降低空調冷負荷，同時提高光電轉化效率。冬季，合適的做法是非通風架空屋面BIPV（b），這種做法具有熱負荷低，光電轉化效率高的優點。

圖1 屋面結構

建築一體化光伏系統設計原則

設計原則如下：

（1）美觀性：安裝方式和安裝角度與建築整體密切配合，保證建築整體的風格和美觀。

（2）高效性：為了增加光伏陣列的輸出能量，應讓光伏組件接受太陽輻射的時間儘可能長，避免周圍建築對光伏組件的遮擋，並且要避免光伏組件之間相互遮光。

（3）經濟性：首先要將光伏組件與建築圍護結構相結合，取代部分常規建材，其次，從光伏組件到接線箱、接線箱到逆變器以及從逆變器到併網交流配電櫃的電力電纜應儘可能短。

建築一體化光伏系統設計實例

德國國會大廈BIPV系統

德國國會大廈的改造採用了圓形屋頂結構和創新的能量設計理念，通過成功的集成，40kW的光伏屋頂模組在視覺上幾乎看不出來，完全與建築融為一體。他們與標準屋頂構件具有同樣的尺寸和顏色。

荷蘭零能建築BIPV系統

荷蘭第一個採用PV作為防水屋面蓋板的零能建築Woubrugge,PV系統於1993年建在一個大的獨立住宅上，建築能量實現自維持，PV和太陽能熱利用負擔全年能耗。無框PV模組固定在鑄鋁支架上，形成屋面防水層。

中國BIPV系統

光伏建築一體化在國外套用較多，近年來，隨著能源緊張，節能意識的增強，我國正在逐漸套用該技術將光伏發電與建築一體化，建築綠色環保型建築。深圳國際園林花卉博覽會安裝的1MW太陽能光伏併網發電系統，採用4000多個單晶矽光伏組件（160瓦和170瓦組件），將太陽轉化為電能，並與深圳市電網併網運行。

北京天普太陽能工業有限公司天普新能源示範樓50kWp併網光伏示範電站，經過現場考察測量和協商溝通，採用在建築物的多個部位，結合建築需要，多角度多方法地安裝了總容量為50365Wp的6種類型的光伏組件，展示各種不同的建築一體化光伏發電技術。