徐偉，王雪，孫維娜，杜萌，劉晶晶

（內蒙古科技大學土木工程學院）

1 引言

光伏建筑一體化系統(tǒng)已被證明是一種可行的可再生發(fā)電技術，可以幫助建筑物滿足其部分負荷需求。由于光伏系統(tǒng)可以集成到建筑中，同時提供電負荷和熱負荷，因此光伏建筑一體化系統(tǒng)被證明是一種很有潛力的能源系統(tǒng)形式，因此越來越多的可再生能源的研究致力于利用太陽能發(fā)電的光伏系統(tǒng)。全球有很多國家從不同角度進行了光伏建筑一體化的研究。西班牙著重對建筑應用方面進行研究，澳大利亞著重進行模擬研究，韓國著重對電池和光伏模塊設計進行研究，美國著重對電網、政策和應用策略進行研究。

2 國外光伏建筑一體化太陽能能效利用綜述

光伏系統(tǒng)用于建筑主要分為兩類，一類為建筑附屬光伏系統(tǒng)，一類為建筑光伏一體化系統(tǒng)。建筑附屬光伏系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)被加入到建筑，但對建筑結構功能沒有直接影響。而建筑光伏一體化系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)可以通過替換傳統(tǒng)建筑材料集成在建筑圍護結構中，比如屋頂和外墻。因此光伏建筑一體化系統(tǒng)可以看作是建筑能源集成系統(tǒng)的一部分，對建筑功能性有很大影響，故將光伏系統(tǒng)集成到建筑體系中需要考慮很多因素以實現(xiàn)最佳的集成效果。

2.1 單一光伏模塊與光伏建筑一體化能效利用評述

部分研究者提出在高溫環(huán)境下，光伏模塊的效率很低，因此很多學者為了解決這個問題進行了大量的研究。研究表明，可以通過吸收光伏模塊背面的熱量以提高光伏系統(tǒng)的效率。Chow[1]等利用ESP-r 軟件模擬研究了一個260m2的光伏建筑一體化系統(tǒng)，特別的由于采用空氣間隙帶走光伏模塊產生的熱量，使得系統(tǒng)能量產生率大大提高。Mallick等采用實驗研究了新型不對稱復合拋物光伏聚光器，并將實驗結果和類似的非聚光系統(tǒng)進行比較。研究結果表明采用聚光型系統(tǒng)的能量效率是非聚光系統(tǒng)的1.62 倍。一個以三種不同方式組合的光伏建筑一體化系統(tǒng)被Pantic[2]等進行測試，實驗結果顯示，處于較高溫度下的光伏系統(tǒng)的產電量大大降低。Corbin 和Zhia 建立了兩個CFD 模型，其中一個模型的光伏板背面沒有冷卻管道，另一個設有帶翅片的冷卻管道。模擬結果表明，設有冷卻管道的光伏系統(tǒng)的產電效率提升5.3%。Maturi[3]等對光伏板散熱效果對其產電效率影響進行了實驗研究，兩種形式的光伏板(帶翅片和不帶翅片)被進行對比實驗。實驗結果表明，帶有翅片的光伏板板面溫度可以降低5.2Co，進而光伏板能量輸出可以提高2.3%，特別的是光伏板的使用壽命將提高31%。同樣，Zogou 等提出三種降溫措施，即通過空氣流動換熱，帶走光伏板熱量，降低其溫度，研究結果表明，隨著空氣流量的增加，整體散熱和冷卻效果增強，但提高換熱效率所帶來的風機容量也有所增加，因此要統(tǒng)籌考慮各因素的綜合影響，以獲得最優(yōu)設計安裝方式。

此外部分學者對建筑光伏一體化系統(tǒng)的建筑設計方面進行了研究，包括如何設計光伏建筑一體化系統(tǒng)，建筑光伏一體化系統(tǒng)的壽命以及如何進行系統(tǒng)形式的選擇。Peng[4]等人提出光伏建筑一體化系統(tǒng)的功能性、經濟性、技術應用性和美觀性比高度集成化更重要，此外由于光伏系統(tǒng)的使用壽命比建筑短，因此維護方便，置換便捷對于光伏建筑一體化系統(tǒng)更為重要。Wei[5]等比較了家用熱水系統(tǒng)和光伏建筑一體化系統(tǒng)的經濟性。研究結果顯示，當光伏系統(tǒng)至于建筑屋頂時，只有當屋頂可布置面積大于6m2時，光伏建筑一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢才明顯。

2.2 光伏建筑能效模擬分析評述

仿真模擬研究對于系統(tǒng)分析起著至關重要的作用。隨著技術的改進和發(fā)展，采用模擬進行光伏建筑一體化系統(tǒng)的研究越來越多。目前有很多軟件可以進行光伏建筑一體化研究，包括TRNSYS，Energyplus，Pheonics，Green building 等。Cheng[6]等采用PVSYST3.41 分析了光伏建筑一體化系統(tǒng)最佳角度和緯度之間的關系。研究選取了北半球20 個不同位置，其緯度覆蓋在0o到85o之間。分析結果表明，當光伏系統(tǒng)的傾斜角度和緯度相等時，將獲得最佳的系統(tǒng)性能。一個TRNSYS 模型被Kamel[7]等開發(fā)以研究光伏建筑一體化系統(tǒng)，同時該模擬將空氣源熱泵進行耦合，系統(tǒng)最大效率達到16%。Tian[8]等用三個不同的光伏建筑一體化模型來評估系統(tǒng)性能，他們提出應該仔細選擇太陽輻射和氣候數(shù)據(jù)以獲得更好的能量輸出預測結果。Candanedo[9]等研發(fā)了基于開環(huán)空氣的光伏建筑一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模型。模擬結果顯示，穩(wěn)態(tài)模型可以快速評估能量平衡，并對系統(tǒng)設計有利。而瞬態(tài)模型可以更好的理解控制算法和系統(tǒng)設計優(yōu)化，更適用于實驗研究。Keoleian[10]等將生命周期模型應用于非晶硅光伏屋面瓦，并針對其應用于美國不同地區(qū)進行了研究。研究結果顯示，光伏建筑一體化系統(tǒng)使用于煤炭和天然氣發(fā)電的城市，可以很大程度上減少空氣污染。

2.3 光伏建筑并網系統(tǒng)能效評述

還有研究者著重于研究光伏建筑一體化系統(tǒng)和電網系統(tǒng)的耦合，通常能量會在電能轉換，能量傳輸過程中損失，因此對于內容的研究多集中于通過改變光伏系統(tǒng)的配置來提高系統(tǒng)的效率。Bakos[11]等采用一種計算機化的可再生能源技術評估工具，對并網的BIPV 系統(tǒng)進行可行性分析。評估結果表明，對于補貼比例在0%至60%時，系統(tǒng)的投資回收期在20a 至50a。Chel[12]等提出一個簡單的模型用來預估光伏建筑一體化系統(tǒng)的規(guī)模和生命周期投資。在本研究的條件下，當系統(tǒng)能量產出為3285kW時，回收期為10a 左右。Liu 和Duan[13]提出一種針對不同功率配置的光伏建筑一體化系統(tǒng)的能效評估方法。研究結果表明，集成轉換器可以使AC 模塊中的每個PV 模塊和PV-DCBM 基本系統(tǒng)保持在自己的MPP 下工作。此外由于AC模塊和PV-DCBM 基礎系統(tǒng)的防陰影和防錯配功能，是光伏建筑一體化的最理想構件。Seyedmahmoudian[14]等認為微電網技術是光伏建筑一體化的重要課題。如果根據(jù)光伏存儲系統(tǒng)的直流輸出功率，在所選項目中使用直流運行，則可很大程度提高光伏建筑一體化系統(tǒng)的效率。此外處理電網和輔助電網資源的最佳方法是避免與光伏建筑一體化系統(tǒng)產生不必要的集成。da Silva Jardim[15]等研究了光伏建筑一體化系統(tǒng)的并網潛力，研究結果表明，即使對于效率最低的技術，屋頂上也有足夠的空間可以容納光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少可以實現(xiàn)30%的光伏滲透水平。Agrawal[16]等建立了一個光伏建筑一體化動態(tài)仿真模型，用來確定系統(tǒng)的能效，實用性和經濟性。模擬結果顯示，與其他電池技術相比，單晶光伏建筑一體化系統(tǒng)具有更高的能源效率和火用效率，而最經濟的非晶硅系統(tǒng)，其能效為7.13%。此外光伏建筑一體化系統(tǒng)的發(fā)電成本非常接近傳統(tǒng)電網產生的能源成本。

3 結論及展望

由以上研究發(fā)現(xiàn)為解決建筑能源消耗過大、污染較高和光伏建筑發(fā)電效率低等問題，如何提升太陽能光伏建筑的能效已經成為研究熱點。根據(jù)以上國外研究現(xiàn)狀可從三個方面總結太陽能光伏建筑能效提升研究。

①通過對單一光伏模塊的整改優(yōu)化組合獲得最優(yōu)設計安裝方式，進而提高太陽能光伏建筑能效；

②通過現(xiàn)有技術軟件，模擬驗證提高太陽能光伏建筑能效比；

③從并網系統(tǒng)的可行性、并網潛力、儲能系統(tǒng)分析來提高系統(tǒng)的效率。

在不同環(huán)境背景下、光伏建筑一體化系統(tǒng)不同建筑設計條件下、光伏系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合等情況下，光伏系統(tǒng)效率各不相同，這要求在初始設計階段能根據(jù)不同建筑精確找出最佳配比模式。運行階段由于外界因素作用會降低太陽能光伏建筑的能效比，隨著光伏建筑的規(guī)模擴大，如何提升運行階段的系統(tǒng)能效會成為研究熱點，這對推動太陽能等可再生能源在城市建筑中的利用，緩解城市建設領域的能耗需求有重要意義。