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摘要：光伏建筑一体化属于建筑设计的范畴，其发电功能固然重要，还应该在塑造建筑空间起到作用。光伏系统需要特定的工作条件，但建筑师可以通过建筑设计提供尽景理想的环境。在现代建筑中，各种因素都会影响着建筑，或者是思想，或者是结构，或者是材料，等等。光伏建筑一体化也不例外，笔者认为，无论是从能效方面还是空间方面，只要能给建筑带来积极地影响，都是应用的可能性。本文暂时抛开经济性因素，讨论光伏建筑一体化与建筑设计更加直接的关系。

关键词：光伏设计；建筑；应用

前言：光伏系统的设计具有专业性和特殊性，对于光伏建筑一体化而言，关注的是什么样的建筑条件适合光伏系统。设计之初需要根据太阳辐射和光伏覆盖面积来估算系统容量，并以此选择合适的建筑用电单位作为系统负载。一般对光伏系统外观没有特殊需求的情况下，应当优先采用最佳倾角，而方位角则取决于建筑的朝向。光伏系统在工作时受环境影响较大，因此需要定时的维护和清理。在设计时，除了满足光伏系统的基本需求外，还应当考虑到维护和清理的便捷性。

一、光伏系统设计

光伏系统的设计具有专业性和特殊性，对于光伏建筑一体化而言，建筑师更加关注的是什么样的建筑条件适合光伏系统。因此本节将着重讨论与建筑设计密切相关的光伏系统设计要点，而对技术细节将不做过多阐释。

1，太阳辐射

太阳光是光伏发电系统的唯一能量来源，太阳与地球出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。

2，系统容量与负载

设计之初需要根据太阳辐射情况和可能的光伏覆盖面积来估算系统容量，并以此选择合适的建筑用电单位作为系统负载。这对于独立光伏发电系统而言显得格外重要，因为很难在使用过程中扩大系统容量。科学的容量计算和合理的负载选择可以使光伏系统运行更加有效。考虑到与常规电力相比较，光伏发电的功率并不稳定，一些大型建筑往往选择较级别较低的用电负载使用光伏电力，如景观照明、立面亮化照明、地下车库照明等。

3，倾角与方位角

光伏建筑一体化系统的效率在很大程度上取决于光伏板的方位角和倾斜角，方位角指光伏板的垂直面与正南方向夹角，倾斜角指光伏板平面与水平地面的夹角。

在设计之初建筑师可根据建筑所在地纬度和光伏系统的可能朝向对系统性能做出基本的判断。一般对光伏系统外观没有特殊需求的情况下，应当优先采用最佳倾角，而方位角则取决于建筑的朝向。

4， 阴影与遮挡

阴影是影响光伏系统工作效率的重要因素，处在阴影中的光伏组件只能靠反射光的微弱能量发电。形成阴影的原因总结起来主要有两种情况：自遮挡和外遮挡。

（1）自遮挡

自遮挡是指BIPV系统中光伏组件间的相互遮挡，一组光伏组件处于相邻光伏组件的阴影之中，常出现在屋顶光伏阵列和立面遮阳组件中。

要避免这种情况的出现需要根据太阳光的入射角度详细计算光伏组件的最佳间距。在确定了光伏组件倾角B和长度b的基础上，可以计算出光伏组件倾斜高度h，即h=sinB×b。光伏组件的水平间距L=h/tanA。在方案设计阶段角通常将∠A按照当地冬至日正午阳光的入射角度来计算。

（2）外遮挡

外遮挡指外界物体对光伏系统造成的遮挡。外遮挡存在三种常见情况：a.自身建筑遮挡，b.周边建筑遮挡，c.环境遮挡。

a.自身建筑遮挡，建筑的局部形体对光伏系统造成的遮挡。这需要建筑师在建筑方案设计阶段充分考虑光伏系统的需求，选择更加合理的空间布局。

b.周边建筑遮挡，指环境建筑物对光伏系统造成的遮挡。这种情况在高密度城市空间和建筑组团规划中应当尤其注意。

c.环境遮挡，指光伏建筑周边的自然环境造成的遮挡，尤其是景观植物。这种遮挡比较常见，但也最容易被忽视。

与自遮挡有所不同的是，外遮挡存在一些难以预知的情况，如建筑物的改造或加建、植物的生长等，这需要建筑师在研究现状的同时还要考虑到未来的可能性。

5 ，局部遮挡

局部遮挡指光伏组件被障碍物或阴影遮挡住某一部分。局部遮挡不仅会降低整个组件的工作效率，甚至会对组件造成损坏，尤其是晶体硅光伏电池组件。晶体硅光伏电池组件由多个晶体硅电池片串联而成。当其中一个电池片被遮挡时，其发电功率大幅减少，工作电压远低于整个组件。被遮挡的电池片不仅不能为系统输送电力，还由于电压低的缘故反而成为了系统的负载。该电池片的温度升高，将严重威胁组件的安全性。

6，温度

光伏电池的工作效率是在一个比较理想的环境下检测得出的。目前国际上统一规定地面太阳能电池的标准测试条件是：

光源辐照度：1000W/m2

测试温度：25°

AM 1.5太阳光谱4

光伏电池在实际工作中很难达到这一测试条件，尤其是工作温度。晶体硅电池的输出功率会随温度的升高而大幅衰减。薄膜电池在耐热性能方面优于晶体硅电池，非晶硅电池在较高温度下的光致衰减程度要比较低温度时更小，但是非晶硅中硅氢键存在温度稳定性问题，长时间在高温状态下运行依然存在隐患。

BIPV系统中，降低光伏电池工作温度的办法需要结合建筑设计进行，主要有主动式和被动式两种方法。

被动式，指通过建筑物理环境中自然力的方式改变工作环境从而间接地降低其工作温度。目前常用的有两种具体措施：一是在光伏组件背后设置空腔，借助自然形成的空气流动降温；二是将光伏系统整合在双层呼吸式玻璃幕墙的外侧，利用双层幕墙的基本工作原理同样可以达到降温的目的。

主动式，指通过机械驱动的方式使外部媒介对光伏电池采取降温措施。这种复杂方式的降温效果极佳，但是需要更多的设备支持和成本投入，在现阶段还不具备大规模运用的可行性。

7，维护

目前晶体硅电池的平均寿命是25-30年，薄膜电池大约是15-20年。这些材料都远远小于建筑的使用寿命，因此在实际应用中需要考虑到光伏组件更换的便利性。

光伏系统在工作时受环境影响较大，因此需要定时的维护和清理。在设计时，除了满足光伏系统的基本需求外，还应当考虑到维护和清理的便捷性。建筑立面BIPV的细部设计应注意在上口位置设置滴水，尽量较少墙面的污染。建筑屋顶BIPV应在光伏组件间预留检修通道，方便后期维护。

二，光伏系统在建筑中的应用方式

光伏建筑一体化不是简单的将光伏系统附加在建筑的外围护结构上，而是选择合适的应用策略，使二者相得益彰。通常情况下，根据应用部位可将光伏建筑一体化归为以下三种方式：建筑外遮阳与光伏--体化、建筑幕墙与光伏一体化、建筑屋顶与光伏一体化。下文主要从建筑设计的角度对这三种应用方式进行论述。

1，光伏与建筑外遮阳一体化（光伏遮阳）

建筑外遮阳与光伏一体化，简称光伏遮阳，是光伏建筑一体化最有效的方式。建筑外遮阳的目的是遮蔽直射阳光从而改善建筑热环境，减少建筑运行能耗，是建筑中常用的节能措施。通常建筑外遮阳被放置在太阳辐射量较强的部位，这一点十分符合光伏系统的需求，因此也成为光伏系统的最佳载体。但这并不意味着光伏遮阳就是简单的将遮阳板置换成光伏电池板，而是需要结合光伏系统和建筑的特点选择适宜的整合方式。根据一体化的具体措施不同，光伏遮阳可以分为：依附式光伏遮阳和独立式光伏遮阳。

（1） 依附式光伏遮阳

依附式光伏遮阳是光伏模块直接安装在建筑外立面，直接与建筑结构体相连。这种整合方式主要基于传统的建筑外遮阳系统，其特点是形式简单、安装方便，对建筑物的影响比较小，是一种最常用的光伏遮阳方式。

（2）独立式光伏遮阳

独立式光伏遮阳是将多个光伏模块整合在一个独立的结构体内，既可以自支撑也可以借助建筑结构支撑。其最大特点是具有高集合度，能够覆盖整个建筑立面，而且便于系统布线和整体维护。相比较依附式光伏遮阳而言，独立式光伏遮阳与建筑的关系更加紧密。

2，光伏与建筑屋顶一体化（光伏屋顶）

建筑屋顶是建筑物接收太阳辐射量最大的部位，而且在通常情况下也是受到遮挡最小的部位。因此从能效的角度来看，屋顶是建筑光状一体化的最佳应用场所。无论是传统建筑还是现代建筑都从未忽视过屋顶的表现力，屋顶也常被称作是建筑的第五立面。所以从建筑设计的角度来看，光伏屋顶并不是简单的敷设光伏阵列。

光伏系统与建筑屋顶相结合主要有三种基本模式：附件式、替代式和整合式。

（1）附件式光伏屋顶

光伏组件独立于建筑屋顶功能之外，表现为架设在屋顶构造层之上。这种模式的光伏屋顶构造比较简单，可以通过改变支架而适应不同的屋顶形式。根据光伏组件的安装角度，附件式光伏屋顶有三种基本安装方式：水平阵列式、倾角阵列式和平行阵列式。

水平阵列式指光伏组件呈水平放置，这种方式通常应用于平屋顶建筑。倾角阵列式指光伏组件呈一定倾角放置，是经过计算得出的最佳倾角。需要注意的是在排布光伏组件时应当仔细计算间距，避免遮挡。平行阵列式特指应用于坡屋顶建筑的光伏组件安装方式，光伏组件与屋顶平行放置。这种方式利用建筑屋顶的坡度既可以増加系统的工作效率，还可以减少额外的结构支架。

（2）替代式光伏屋顶

光伏组件替代建筑屋顶最外侧的保护层，表现为融合在屋顶构造层之中。这一构造特点使得光伏组件受到一定限制，不仅需要尽量规则的形状，而且需要强调组件的密闭性和防水构造。

（3） 整合式光伏屋顶

光伏组件具备建筑屋顶的各项功能，表现为完全取代建筑屋顶，是纯粹的光伏屋顶。整合式光伏屋顶通常也是采光屋顶，因为这种模式对光伏组件的要求比较高，一般采用强化玻璃做面板和底板。玻璃，既可以是建筑采光屋顶的材料也可以是光伏组件的材料。这个特殊的交叉点使玻璃成为了整合式光伏屋顶的最佳材料。

3，光伏与建筑幕墙一体化（光伏幕墙）

垂直的墙面并非光伏发电的最佳部位，但是建筑立面往往有更多的表面积可以整合光伏系统。通常建筑立面是设计的焦点，不仅要表现形式还要满足必需的功能需求，因此对光伏系统的整合方式提出更高的要求。

通常光伏系统整合在建筑慕墙之中必须首先满足建筑幕墙的基本原理，而后将某一部分置换成光伏模块，整合而后的光伏幕墙既具备一般的建筑幕墙功能又能有效地发挥光伏系统的作用。因此对光伏幕墙的讨论将根据建筑幕墙的不同类型依次展开。

（1）干挂式幕墙的光伏一体化措施

干挂式幕墙的主要构造原理是在建筑的防水层外侧树立龙骨，而后用挂件将饰面板材安装在龙骨上。这种体系构造比较简单，是一种广泛应用的幕墙技术。由于饰面板材的作用更多是装饰和保护，所以选择的余地比较大。如果光伏组件使用适宜的背板和面板完全有条件替代饰面板材，接线可以隐藏在龙骨中。

（3）单元式幕墙的光伏一体化措施

单元式幕墙是将一个楼层高的幕墙单元在工厂预制后直接安装在建筑结构上。它的光伏整合方式与构件式幕墙类似，将光伏组件像普通面板一样预先嵌入幕墙单元的框架中。

（4）呼吸式幕墙的光伏一体化措施

呼吸式幕墙由内外两层建筑表皮及中间的通风空腔组成，通风空腔可以改变建筑立面的物理环境，从而提高建筑的舒适度。呼吸式幕墙的工作机制是缓冲原理和热压/风压原理，影响呼吸式幕墙性能的重要因素在于那两层建筑表皮。总的来说，其中一层表皮具备更好的热工性能来隔绝室内外环境，另外一层则用来组成通风空腔。通常呼吸式幕墙容易受冷凝作用的影响，这取决于热工表皮的位置。但是光伏电池的工作热景可以减少冷凝现象的发生。

4，光伏建筑一体化的其他应用方式

除了前面介绍的常规应用方式外，光伏建筑-体化作为一种设计概念被赋予了更多的表现形式。光伏玻璃与霓虹展示结合，白天储能，晚上形成媒体幕墙，让能量循环与媒体幕墙形成了动态的完美结合，光伏建筑一体化具有更大的应用潜力。

结语：本论文先后讨论了建筑中光伏系统的设计要点以及光伏系统与建筑相结合的四种主要方式。说明了光伏建筑一体化不仅仅是一个概念，而且具有可操作性。虽然光伏系统需要特定的工作条件，但是建筑师可以通过建筑设计提供尽景理想的环境。

在现代建筑中，各种因素都会影响着建筑，或者是思想，或者是结构，或者是材料，等等。光伏建筑一体化也不例外，笔者认为，无论是从能效方面还是空间方面，只要能给建筑带来积极地影响，都是应用的可能性。

参考文献

[1]杨金焕 于化丛 葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].电子工业出版社，2009.

[2]杨洪兴 周伟.太阳能建筑一体化技术与应用[M].中国建筑工业出版社，2008.

[3]Matin A.Green.太阳能电池：工作原理、技术和系统应用[M].上海交通大学出版社，2010.

作者简介：刘梦飞（1985.07-）男，汉族，本科，工程师，湖南岳阳人，主要从事建筑设计工作。