國際光伏建筑一體化的最新應(yīng)用

夏 斐 編譯

（英國艾克福建筑設(shè)計(jì)公司，英國）

光伏是最可信賴的可再生能源技術(shù)之一。光伏的意義在于直接在現(xiàn)場(chǎng)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不用擔(dān)心對(duì)環(huán)境的危害，沒有噪音，沒有污染，不用消耗資源。在光伏技術(shù)越來越廣泛的商業(yè)化使用過程中，光伏與建筑的一體化是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)。

光伏建筑一體化BIPV（building-integrated photovoltaics）是用光電材料去替代常規(guī)的建筑材料，作為建筑外表皮，比如屋頂，天窗或者是立面。它們正在快速地被結(jié)合到新建筑的建設(shè)和老建筑的改造中，作為一種主要的或輔助的電力來源。光伏模板充當(dāng)著建筑表皮的雙重角色：代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑外部材料和作為發(fā)電設(shè)備。光伏建筑一體化中，因?yàn)楸苊饬嗽緫?yīng)使用的常規(guī)建筑材料，使得光伏設(shè)備帶來的高出造價(jià)得以抵消，使用周期中的成本也會(huì)降低，投資有望在若干年后收回。這些好處正在使得BIPV成為發(fā)展最快的光伏產(chǎn)業(yè)之一。

光伏建筑一體化系統(tǒng)的重要功能是與電網(wǎng)的并網(wǎng)，但也可以作為單獨(dú)的系統(tǒng)運(yùn)行。與電網(wǎng)對(duì)接的優(yōu)點(diǎn)是蓄電設(shè)備可以自由高效地配置，并且對(duì)容量大小沒有要求。如果是建筑單獨(dú)運(yùn)行光伏系統(tǒng)則需要大量蓄電池來存儲(chǔ)電能，從而增加造價(jià)。與電網(wǎng)的并網(wǎng)，建筑的業(yè)主和供電部門都可以從中受益。光伏發(fā)電基本上都用在建筑或是電網(wǎng)的用電高峰期，光伏發(fā)電可以降低建筑的能源消耗并可以在用電的最高峰對(duì)電網(wǎng)提供幫助。

在市場(chǎng)上有2種基本的供商業(yè)使用的光伏模板：①厚的光伏產(chǎn)品包含由晶硅制成的太陽能單元，每平方英尺可以產(chǎn)生10～12 W電力。②薄的產(chǎn)品包含非常薄的光伏材料貼附在玻璃或金屬上。當(dāng)前的薄片光伏產(chǎn)品，每平方英尺可以產(chǎn)生4～5 W電力。與厚型的產(chǎn)品相比，因?yàn)樾枰俚枚嗟脑牧?，薄型的光伏產(chǎn)品造價(jià)要低很多。

一個(gè)完整的光伏建筑一體化系統(tǒng)包含：①光伏模板，可以是薄型的，晶硅的，透明的，半透明的或是不透明的。②充電控制器用來控制電力進(jìn)出電池。③電力存儲(chǔ)系統(tǒng)，通常包括電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)或者大量的電池系統(tǒng)。④電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括一個(gè)轉(zhuǎn)換器將光伏發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)適配的交流電。⑤備用系統(tǒng)，如柴油發(fā)電機(jī)。⑥安裝支持設(shè)備，線路和安全設(shè)備。

1 光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)

光伏建筑一體化系統(tǒng)應(yīng)該采取有目的性的設(shè)計(jì)手法，仔細(xì)挑選合適的設(shè)備和系統(tǒng)。設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)建筑整個(gè)使用壽命中帶來的成本來分析，而不是只看初期投入的成本。因?yàn)楣夥牧纤娲慕ㄖ牧虾徒ㄔ烊斯こ杀究赡苁拐麄€(gè)成本得到降低。設(shè)計(jì)光伏建筑一體化系統(tǒng)應(yīng)該考慮到建筑的使用、電力負(fù)荷、位置、朝向、建筑規(guī)范和相關(guān)的市政公用問題。

2 光伏建筑一體化的應(yīng)用

光伏設(shè)備可以采用很多不同的方式裝配在建筑上。

（1）光電板可以集成在建筑外立面上，補(bǔ)充或者替代傳統(tǒng)的外觀或是玻璃幕墻。通常立面上的光伏板是豎直的，這樣會(huì)影響對(duì)太陽能的接受，但是大面積的表面可以彌補(bǔ)一些不足。

（2）光伏設(shè)備可以與遮陽板結(jié)合，以鋸齒形的設(shè)計(jì)體現(xiàn)在建筑立面上。這樣的方式可以提高光伏設(shè)備直接接受太陽能，同時(shí)還可以作為傳統(tǒng)的建筑被動(dòng)遮陽構(gòu)件。

（3）在屋頂系統(tǒng)中使用光伏設(shè)備，可以替代傳統(tǒng)建材，如金屬包裹或是瀝青鋪設(shè)的屋頂。

（4）光伏設(shè)備可以用在天棚采光系統(tǒng)中，不但可以有效地利用光伏設(shè)備，還可以成為一個(gè)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。

另外，光伏電板還可以作為陽臺(tái)的玻璃扶欄等。

3 光伏幕墻系統(tǒng)（facade integrated photovoltaic systems）

外立面并不單單是一座建筑的臉面，如今外立面也是一座建筑達(dá)到節(jié)能的大腦。一個(gè)好的外立面由以下的因素構(gòu)成：設(shè)計(jì)美學(xué)、保溫隔熱、采光遮陽、自然通風(fēng)、安全性和生產(chǎn)能量。

光伏幕墻系統(tǒng)在歐洲被使用在了多個(gè)建筑的改造中，合作保險(xiǎn)大樓（圖1）是英國曼徹斯特第二高樓。這座118 m高的大樓是合作金融服務(wù)公司的總部。大樓始建于1962年。大樓于2005年開始進(jìn)行了一次整體翻新。外立面采用了光伏板進(jìn)行包裹，可以每年發(fā)電180 MWh，平均設(shè)置容量21 kW（英國年人均消耗電量5000 kWh）。這座大樓像很多紐約的大樓一樣，原先建造時(shí)用馬賽克面磚包裹，但由于長年的污染和維修，最后決定用光伏面板來替代原先的外立面，這也是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的一項(xiàng)行動(dòng)。光伏面板的造價(jià)550萬英鎊，并于2006年向英國電網(wǎng)供電。

圖1 英國合作保險(xiǎn)大樓光伏幕墻系統(tǒng)

博世（Bosch）公司最近研制了他們的第一個(gè)光伏建筑幕墻系統(tǒng)，于2010年應(yīng)用在德國霍爾茨明登市的施威格商場(chǎng)（圖2）的改造中。這個(gè)項(xiàng)目的目的是將高容量超薄光伏模塊結(jié)合進(jìn)建筑外表皮的設(shè)計(jì)建造中，設(shè)計(jì)容量21 kW。新安裝的光伏模塊可以從朝南的300 m2外立面上一年發(fā)電19 MWh。從而一年可以少排放12.4 t二氧化碳，相當(dāng)于一輛中型的汽車行駛6萬km的碳排放。此外，系統(tǒng)已經(jīng)開始向電網(wǎng)供電。優(yōu)雅的設(shè)計(jì)和出色的外觀，周邊由鋁板包裹，非常適合于具有建筑設(shè)計(jì)美感的立面上。在這些超薄的光伏面板中并不是使用硅作為半導(dǎo)體材料，而是用一種含有銅、鎵、硫、硒的化學(xué)合成物。

圖2 德國施威格商場(chǎng)光伏幕墻外觀

德國幕墻和光伏產(chǎn)品生產(chǎn)廠家Schüco經(jīng)過多年的研發(fā)，近年創(chuàng)造出E平方光伏幕墻（Schüco E2Fa?ade）（圖3）。它更像是一層建筑的皮膚，可以透氣，可以抵御紫外線，可以調(diào)節(jié)光照和溫度，還能自己發(fā)電。E平方幕墻系統(tǒng)是一個(gè)新的既可以節(jié)約能量，又可以生產(chǎn)能量的綜合系統(tǒng)。它集成了很多智能建筑科技，超薄透明晶片的光伏玻璃，太陽熱轉(zhuǎn)換，隔熱遮陽，具有熱恢復(fù)功能的分散式機(jī)械通風(fēng)構(gòu)成了一個(gè)自動(dòng)化落地幕墻系統(tǒng)。這個(gè)幕墻系統(tǒng)可以得到最大程度節(jié)能生態(tài)的建筑構(gòu)造和優(yōu)化的室內(nèi)舒適度。與此同時(shí)，在滿足了使用功能的情況下，它還提供了一種新的具有特色的建筑樣式。采用模數(shù)化的設(shè)計(jì)，并且具有多種開啟方式。有時(shí)太多的功能部件會(huì)干擾建筑師的設(shè)計(jì)自由度從而會(huì)影響建筑的外觀，E平方幕墻系統(tǒng)采用隱藏式的設(shè)計(jì)，看起來和普通的玻璃幕墻沒有太大的差別，大大地提高了設(shè)計(jì)感和建筑師的自由度。幕墻系統(tǒng)中可以容納所有的管線并在窗框中集成了直觀的操作系統(tǒng)。第一個(gè)使用E平方幕墻系統(tǒng)的項(xiàng)目正在建造中。

圖3 E平方幕墻內(nèi)外觀及節(jié)點(diǎn)細(xì)部

4 光伏遮陽系統(tǒng)（shadow voltaic PV systems）

光伏模板由于多為黑色的不透明或半透明晶體，是一種天然的遮陽材質(zhì)。根據(jù)太陽的入射角，這些遮陽板可以調(diào)節(jié)到合適的角度，不但可以遮陽，還可以優(yōu)化高效地發(fā)電。結(jié)合建筑立面設(shè)計(jì)，這些太陽能遮陽板還起到了豐富建筑立面的作用?？梢哉f是一種非常聰明的處理方法。

臺(tái)灣臺(tái)南縣政大樓（圖4）是一座快30年的老建筑，2007年在保留原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了室內(nèi)外的改造。原先的建筑南立面沒有任何遮陽設(shè)施，只是使用者在內(nèi)部用窗簾隔熱，只能擋直射的陽光，對(duì)于熱環(huán)境沒有太大作用。因此，建筑師決定以光伏遮陽板的方式來作出改善。舊建筑不僅獲得更新，還可以發(fā)電，使建筑得到有意義的生命延續(xù)。大樓改造方案巧妙地在舊有立面加上了3個(gè)雙層表皮（double skin）結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)通風(fēng)的玻璃盒子，利用2層表皮間的煙囪效應(yīng)，把冷空氣由下方吸入，熱空氣由上方排出。光伏電板作為遮陽板呈鋸齒狀安裝在表皮外部，每塊模板的晶片分開封裝，具有視覺穿透性。這樣構(gòu)成的一組采光、通風(fēng)、遮陽的設(shè)計(jì)，非常有效地讓辦公室空間隔絕外界的高溫并有開闊的景觀。光伏遮陽板設(shè)計(jì)容量12 kW，由345片35 W的光伏電板組成，并將太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市電網(wǎng)并聯(lián)，互為補(bǔ)充，達(dá)到最大的應(yīng)用效果。

圖4 臺(tái)南縣政大樓光伏遮陽板

5 光伏屋面（roof integrated photovoltaic systems）

屋面是太陽能光伏電池安裝的最佳建筑部位，新技術(shù)可以將光伏電池薄膜與屋面材料復(fù)合在一起，使得屋面在防水、保溫的基礎(chǔ)上增加了發(fā)電的新功能。

2010年上海世博會(huì)主題館（圖5）屋面太陽能板設(shè)計(jì)安裝容量為2.8 MW，安裝總面積為31104 m2，是目前世界上單體面積最大的太陽能屋面。在主題館的屋頂，呈96個(gè)三角形分布。全部3.12 MW太陽能屋面，如按上海標(biāo)準(zhǔn)的光照條件計(jì)算，年發(fā)電量可達(dá)284萬kWh，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1000 t，每年可減少二氧化碳排放量約2500 t。

圖5 上海世博會(huì)主題館太陽能屋面

德國寶馬世界（圖6）是一座采用美妙的動(dòng)態(tài)形體設(shè)計(jì)，結(jié)合了太陽能來驅(qū)動(dòng)的汽車“神殿”。寶馬世界由奧地利建筑事務(wù)所藍(lán)天組設(shè)計(jì)，2007年建成，作為寶馬公司在慕尼黑的品牌推廣和汽車銷售。在寶馬世界的建筑設(shè)計(jì)中建筑師做了一次流動(dòng)的空間嘗試。外部的鋼和玻璃呈螺旋狀形成一個(gè)雙圓錐體，這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)的48 m寬的螺旋體結(jié)構(gòu)支撐起建筑的流動(dòng)形態(tài)的屋頂。在超過16500 m2的屋頂上集成安裝有由3660個(gè)太陽能模板組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，總功率可達(dá)到824 kW。建筑同時(shí)也利用立面上獲得的太陽能來適當(dāng)緩和空調(diào)的使用并提供自然通風(fēng)。從光伏建筑一體化中設(shè)計(jì)可減少30%的能量消耗。

圖6 寶馬世界太陽能屋面

6 光伏采光頂系統(tǒng)（skylight integrated photovoltaic systems）

光伏采光玻璃已經(jīng)在國內(nèi)外一些大型建筑中得到應(yīng)用，透明的光伏玻璃不但能像普通玻璃一樣為建筑創(chuàng)造獨(dú)特的天窗，帶來舒適并具有趣味性的室內(nèi)空間，還具有遮陽發(fā)電功能。

PowerGlaz公司最近的一個(gè)項(xiàng)目英國倫敦哈克尼區(qū)政府客戶中心（圖7）設(shè)計(jì)建造了一個(gè)玻璃屋頂用來覆蓋主體建筑。玻璃屋頂上總共600塊玻璃板，其中96塊是雙層中空夾層的光伏玻璃，可以提供65 kW的電力。同時(shí)，其他的普通玻璃上也印上了與光伏玻璃相似的紋理，這些紋理不但在外觀上將玻璃都統(tǒng)一起來，同時(shí)起到了遮陽的作用。所有光伏玻璃和沒有光伏材料夾層的普通玻璃都滿足遮陽和保溫隔熱的要求，并且這些氬氣填充的LowE玻璃可以有效地降低熱量的消耗。

圖7 哈克尼客戶中心采光頂系統(tǒng)

2008年建成的北京火車南站（圖8）的主站房屋頂采光帶共鋪設(shè)3600塊鋼化玻璃，其中1800塊玻璃的中空層內(nèi)將設(shè)置太陽能光電板。北京南站太陽能光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總安裝容量320 kW，系統(tǒng)年輸出電量為22萬kWh。據(jù)報(bào)道新南站建成后主要靠市政供電，但太陽能發(fā)電系統(tǒng)將在白天開啟，輔助解決車站用電問題。

圖8 北京南站太陽能采光頂

英國建筑大師諾曼福斯特爵士說過：“太陽能建筑不是關(guān)于時(shí)尚，而是關(guān)于生存”。光伏建筑一體化需要多方面的專家一同完成這項(xiàng)任務(wù)，包括建筑師、土木工程師、電氣工程師、光伏系統(tǒng)工程師等等。建筑本身就是藝術(shù)和技術(shù)的結(jié)合體，而怎樣讓光伏技術(shù)滿足建筑物的要求就又是一項(xiàng)新的任務(wù)，這需要克服許多實(shí)際的困難。比如光伏部件滿足功能審美的要求；光伏部件的防水防塵防火抗風(fēng)等建筑安全問題；光伏部件的壽命質(zhì)量問題；光伏建筑一體化投資大收效小的問題；向供電部門并網(wǎng)供電時(shí)帶來的技術(shù)和管理問題等。我國也在近年大量地興建具有光伏發(fā)電功能的大型公共建筑。但是仍以示范、低壓端并網(wǎng)自用為主，希望這些項(xiàng)目在巨額投入之后能帶來切實(shí)有效的收益。

（主要參考資料：Yudelson，Jerry，2009，Green Building Trends：Europe（Washington：Island Press）.Steven Strong，Solar Design Associates，2009，Building Integrated Photovoltaics（BIPV）（http://www.wbdg.org/resources/bipv.php） Schüco：http://www.schueco.com. Bosch Solar Energy：http://www.bosch-solarenergy.de.Power Glaz：http://www.powerglaz.com/Coop-Himmelblau（藍(lán)天組）：http://www.coop-himmelblau.at/ 葉世宗建筑師事務(wù)所：http://yeharch.myweb.hinet.net/）