光伏建筑一体化渐行渐近

 来源:中国科学报  作者:贡晓丽  2016/5/17

关键词: 光伏建筑一体化 、BIPV、 光电建筑

       我们已真真切切地感受到环境与能源危机对人类生存与发展的威胁——以资源与环境为代价的经济发展模式不可持续。中国作为一个经济快速发展的人口大国，发展可再生能源是解决能源问题的唯一出路。而在众多可再生能源发电技术中，太阳能的绿色环保价值不容置疑。

       太阳能与建筑结合是让太阳能成为建筑的一个有机组成部分，把已经成熟的太阳能技术产品真正融入到建筑中去，是打造低碳、节能、环保的绿色建筑重要方式。“光电建筑一体化”就是将太阳能光伏发电技术与建筑结合，创造了建筑设计的新概念，开拓了建筑电气设计的一个新领域。

      节能减排重要途径

       “光伏发电与建筑物集成”（BIPV）的概念在1991年被正式提出。太阳能光伏建筑一体化技术即将太阳能发电产品集成或结合到建筑上的技术。

       BIPV不但具有外墙围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化是利用太阳能让“建筑物产生能源”的新概念。

       “光电建筑是光伏应用的重点领域，光电建筑一体化融合提出了建筑物产生能源的新概念，既节约宝贵的资源，又改变了传统的能源应用的方式，让能源获取更便捷，能源使用更加清洁。”全国工商联新能源商会常务副秘书长史利民说。

       他提到，发展光电建筑一体化技术过程中，必须在常规建筑设计中注入生态驱动设计的理念。建筑本身是艺术，而PV系统与建筑的整合让建筑外观更加具有魅力。建筑中光伏构件的使用不仅很好地利用了太阳能，极大地节省了建筑对能源的使用，而且还丰富了建筑立面、顶面的结构形式。

      光电建筑一体化是各国缓解能源危机实现节能减排的重要途径。由于各国的土地资源有限，集中式的电站规模正在萎缩，而更大的建筑载体，包括屋顶和地面资源有着更好的应用空间。中国新能源建筑产业联盟主席司海健说：“以中国为例，光电建筑一体化的发电规模，可与火电、核电的总规模相当，该发电方式对能源利用、环境保护的贡献将不可估量。”

       在4月中旬举行的中国新能源建筑产业联盟第二届会员大会上，参会人员的一致意见是要将新能源和建筑的结合进行到底，其中主要的应用形式就是建筑一体化。为了带动几万家企业行动这一大事业，中国新能源建筑产业联盟预计在年内实现两个目标：第一，形成以工商建筑为基础的分布式电站网络，缓慢助力新能源登上历史的舞台；第二，有效降低中国建筑能耗占据社会能耗的比例，让建筑变被动节能为主动节能，真正焕发绿色升级。

      如何应用

      其实对于发展光电建筑一体化，国家能源局给出过明确的定义：在用电侧直接建设光伏电站，单个装机容量不超过6兆瓦的光伏发电系统。

      光伏建筑如何实现光伏材料在建筑上的应用？

      从光伏电池设计的角度来看，光伏电池主要有三种形式：晶体硅电池、非晶硅的薄膜电池、柔性薄膜电池。

      “晶体硅电池有很多不同的质感和色彩，不同的颜色和质感会给建筑提供一定的机理；非晶硅薄膜电池材质比较均匀，色彩丰富，更接近于玻璃，在建筑使用过程中，相对比较容易；柔性薄膜电池更适合使用于异型与弧型的结合面，同时重量也比较轻。”国家住宅与居住环境工程技术研究中心副总建筑工程师曾雁从专业角度评价道。

       常见的安装位置主要有四种方式，其中三种为普通的光伏组件，坡屋顶直接安装、平屋顶直接安装、在屋面上平行安装；第四种则用到建材型新组件，作为屋顶的材料，安装在平面上，代替建筑材料。

       在适当的位置选择适当的组件，保证发电效率尤其重要。曾雁以晶体硅电池举例：“外界温度一旦超过25摄氏度，晶体硅电池每功率的损失近千分之四，镶嵌式的安装通风差，组件升温快；立面架空安装时，由于通风条件比较好，功率损失就比较少。这种发电效率高但与建筑结合比较差的组件，安装时主要从以建筑美观为主还是以发电为主两个角度决定形式的选择。”

      “装机容量有限，且在并网的时候，改变了电网的既有负荷，使电网的管理变得更为复杂，这是光电建筑一体化的难题所在。”曾雁也道出了光电建筑的困境。

       抓关键要素

      合理的光电建筑一体化，要有适当的组件以及合适的屋顶。光伏组件技术日益发展的同时，“优秀的屋顶资源并不多。”上海亚泽新型屋面系统股份有限公司副总经理应晓捷说。

      屋顶做光伏电站的载体，包含两个要素：存量屋顶和增量屋顶。

      存量屋顶是在已有建筑上附加光伏的功能，“由于在设计初期没有考虑到光伏电站，新增荷载都会造成隐患”。

      已有屋顶采用材料的使用年限和光伏电站的寿命严重不符合也是制约因素之一。应晓捷说，大多数光伏电站使用寿命达到25年以上。

     “如果屋顶和电站在设计前期没有在一个水平上考虑问题，两者的结合则可能出现渗漏或引发安全问题，这是我们存在的主要问题。”应晓捷说。

      此外，由于导线布置不合理而埋下火灾隐患，一旦出事故，将对整个光伏电站造成严重的破坏。

      屋顶产权的问题，也是光电建筑一体化待解难题。不管是合同屋顶管理还是租赁模式，屋顶产权方发生变化之后都会对投入方造成一定的损失。“改变光伏分布式的方式就显得尤为重要。”应晓捷说。

      针对问题，解决方案也在不断被探索。“我们尽量在增量屋顶上做文章。”应晓捷回应，增量屋顶的特点是新建建筑从设计开始就将光伏和建筑结合在一起，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计、施工、后期管理，使其成为建筑有机组成部分的一种工程。

      “我们在建筑设计初期能够考虑到后期要设计光伏电站的配套设施等，保证我们原先建筑的结构安全。我们可以在设计初期选择耐腐性更强的屋顶建筑材料，以符合光伏电站20多年的使用寿命，在前期把可能存在的问题规避掉。”应晓捷说。

     “国家电网公司在分布式光伏的并网的技术、政策方面都作出了很大努力，来促进国内分布式光伏的发展。”中国电科院新能源所分布式新能源发电技术室副主任何国庆说，“随着分布式光伏装机容量越来越大，需要从技术和标准这些角度完善相应的保障，从而提出更高的技术研发和标准的要求，来提高分布式光伏的并网的友好性，促进分布式光伏与电网的协调发展。”