建筑中应用的光伏，助力实现碳中和建筑

在政府对房屋建造没什么影响的国家，如何施工由私人决定。建筑中光伏系统的集成可以 找专家执行，但是，对小规模的单户房屋，是否集成光伏系统取决于房屋的主人。在这些国家大多数光伏集成建筑都是商业或工业大楼，由建筑专家参与建造。在这些类型的建筑中，建筑的外墙和屋顶都有集成光伏系统。私人户主会购买小规模光伏系统(小于500Wp )来安装到他们房屋的某个地方,这也开辟了个很大的市场。

把光伏系统集成到建筑中是为了降低对土地的需求和成本。这些节省的成本可能源自支撑结构，也可能源自建筑材料。建造房屋时就集成光伏系统比建成之后再安装要经济方便得多。

 

建筑集成的定义很难确切地阐述，因为它即涉及光伏系统的物理集成，又包括光伏系统在建筑中的整体形象。对于建筑师来说，在建筑集成中关心的主要是美学方面而非物理集成方面。最好的情形是不失美感地实现物理集成。然而事实上,很多物理集成的例子都表现得缺乏美感。看看建筑中的光伏系统就知道只增加一个设计良好的光伏系统并不能改善一个设计拙劣的建筑的外观。而另一方面，一座设计精良的建筑再加上集成良好的光伏系统将会被每个人接受。

以下的章节将从建筑和设计的角度来向非设计者解释光伏技术的一些基本观点。

注:光伏系统中所有的额定功率都是在标准条件和倾角下测试的，这可能要比BIPV PV光伏建筑一体化)实际应用中的输出功率大(为了满足BIPV应用要求安装的电池板的取向常常不是优化条件)。

光伏组件的建筑功能

基本上PV系统被集成到建筑中的三个位置。主要的位置是屋顶和外墙，以及其他的被称为“建筑部件”的位置。

一个光伏系统可以以几种方式集成到屋顶上。一种选择是使集成的系统成为建筑外层的一部分，即成为防渗层的一部分。在20世纪90年代，几个工程就是在这个原则上完成的见图22-319。另一种把光伏系统安装到屋顶上的途径是将其安装在防渗层的上方。这种选择更加安全但同时也有一些风险，因为为了将系统安装到屋顶上防渗层必须打孔。使用光伏组件作为屋顶覆盖物减少了所需要的建筑材料的数量，这非常有利于可持续建筑，能够减少成本。除了用组件覆盖整个屋顶，还有许多产品供小规模使用，例如光伏屋顶板和瓦片。这些产品的小规模(从一块瓦片上的两个电池到类似瓦片上的大约20个电池)使其在已有的或DIY建筑中用起来非常方便。

 

作为屋顶材料的透明光伏材料可以阻挡水和太阳，但能够透过阳光 (见图)。在玻璃覆盖的区域，例如太阳房和门廊，为了避免夏季过热，有必要在屋顶做日光防护。光伏电池吸收了70%~ 80%的太阳辐照。电池之间的空隙透过足够的漫射日光使得空间能达到宜人的光照水平。这样的安装方式在波斯特的De Kleine Aarde可持续中心(荷兰)和Brundtland中心(丹麦)见到.在Doxford(英国)的太阳能办公室使用透明的光伏组件已经在建筑外墙产生了相似的结里[12为了提高对太阳光的利用,透明的光伏组件已被用来代替玻璃。

当然,光伏电池将太阳光转化为电能(一般效率为6%~15%),剩余的大阳能被转化为热能。在奥地利Linz的Haus der Zukunft项目中，剩余的热量也用来加热房间。在光伏组件下面制备了-种气腔，通过这种气腔可以抽走光伏组件产生的热空气。这种混合收集器为家中的加热系统提供了热空气,在这种情况下,这种系统能效更高。

在培基的荷兰能源研究中心 (ECN)42号楼有个暖房，暖房有个43kWp的BP大阳能屋顶集成透明组件，该系统相对于玻璃将太阳光的透过减少了大约70%。因此这个暖房作为一个大的太阳企置在办公室上方,在保护办公室免受太阳辐射的同时也能提供足够的阳光。

建筑外墙通常为砌砖或混凝士结构,预制件或构架的金属幕墙安装在合适的位置。混泥士结构形成结构层,被隔离层和保护层覆盖。这个保护层可以是木材,金属片,板条、玻璃或光伏组件。对于常常使用昂贵保护层的写字楼来说,用光伏组件充当保护层并不比天然石和昂贵的特种玻璃之类的常用材料贵。这个保护层大约1000美元/m2,和现在的光伏组件的价格相当。

 

结构玻璃幕墙或结构外墙通常由非常成熟的框架系统建造。这些系统可以填充各种类型的薄板列如玻璃或者无框架的光伏组件。幕墙非常适合各种类型的遮阳板、百叶窗和遮阳篷。在夏天为建筑遮阳的同时提供电力。建筑师意识到了这一点,世界上能看到很多光伏遮阳系统。建筑阳面位置的遮阳篷(用来保护入口)是安装BI-PV系统的好地方,可以遮阳挡雨、供电。

光伏技术作为“绿色设计”的一部分

政府在促进和支持可再生能源 (光伏系统)方面的作用极大地影响到这些系统在建筑中使用的程度。在一些政府干预较少的国家，电力公司起了更大的作用。甚至没有财政的支持，政府也能鼓励使用可再生能源，例如通过要求建筑物拥有更好的性能。通过引入某些性能目标,可再生能源和太阳能光伏系统可能会被考虑到。

人们越来越关注绿色产品，例如有机食品，有机纤维以及绿色建筑。保险公司和金融市场越来越意识到“绿色”资金，它要求建筑师的设计不同以往。“绿色”设计是将光伏系统集成到建筑中的一个基本原因。

光伏系统技集成做屋顶天窗、葛墙和遭阳板

对于建筑师来说，光伏系能应用必须是整体设计的一部分，如果建筑设计合理，高质量的光伏系统能够为建筑物持续不断的提供一部分能量。一股来说，相对于普通的事节能建筑，能耗至少减少50%。

在整体设计中，集成一套光伏系统不仅仅意味者代营建筑材料，也意味有英学上的集成。这种集成也代替了建筑表皮的其他功能，安装到斜坡屋预上的光伏系统意味着光伏组件也可以成为防水表皮的一部分，系统也可以安装到屋顶防渗膜上方，于是可以保护用预膜免受UV先和日光的直射。这延长了这种膜的使用寿命，这种系统对平屋顶也是有用的。来自美国伯克利的Powerligh公司将一种光伏系统引入这个市场，这种光伏系统被粘到发泡聚苯乙烯(XPS)隔热材料上，这种暖屋顶结构(建造在隔热材料暖的一面)非常适合翻新大的屋顶

设计者可能将光伏系统集成到例如天篷和遮阳系统之类的建筑元素上，但是需要详细地了解逅阳要求和光伏技术以便详细地设计这种光伏集成系统。设计者最先发现的事情之一是有效的光伏系统并非自动就成为好的遮阳系统。般来说,百叶窗上的光伏系统为防止百叶窗对光伏系统的遮光，需要将百叶窗之间的距离留大一些，而这样可能造成在春天或秋天太阳角度比较低的时候有过多的阳光透过热负载和日光控制系统能够和光伏系统集成结合起来。而且，当设计老详细地研究这些方面时,他或她会发现光伏系统也能够是热套封或热系统的一部分。另一个例子是荷兰培登的31楼的整修。在这个工程里，35kWp的光伏系统被集成到百叶窗上来阻挡夏季的高温、减少强光反射并改善室内光照环境。为了防止组件被上层的百叶窗遮光,百叶窗的尺寸基本十是组件尺寸的两倍。

方位取向是设计绿色建筑的一个重要事项。建筑的热鱼载，遮光需求和再墙的设计取决于方位取向。

方位取向对于光伏系统也很重要。事系统可能适合某些国家。尤其是在北纬50°成南线50°以下的国家。当幕墙的追光不可避免时，以及对于这此度之间的国家，面向太阳的倾斜表面或者甚至水平的表面可能更加合适。设计者最后的选择会基于取向，光伏系统年总共接收的日照量。来自围建筑的和设计的美学效果。对于设计者说一个重要的事情是要学会使用这些蓝色的，火色的或者黑色的电池，要熟记在刚开始的设计中中就要将集成考虑进去。理想地来说，光伏系统不应该是被添加到建筑上面是要设计为建筑的一部分。

 

集成良好的系统

我们怎么评价一个BIPV系统是否是集成良好的呢”?IEA光伏电力系统任务第7工作组的建筑师们讨论了这个同题并提出了利断BIPV工程美学质量的几个标准”。为了确定BIPV系统是否具有高质量，我们需要根据以下几点进行辨别:

(1)BIPV系统的技术质量、也就是光伏、电缆和逆变器的技术方面

(2)BIP系统的建筑质量。这里帮我们系的质量看成一个建筑元素(屋的一部分或者被组件代替的幕城)，组件和它的集成必须满足典型的建筑标准，例如防渗或者足够牢固以承受风力或者雪的重压。

(3)BIPV系统的美学质量。这是判断BIV系统中科学性最低最主观的部分。但是事实上架构优美，集成良好的系统能提高市场接受程度

光伏系统的技术和建筑质量都被认为是前提条件。建筑内所有的设施都要正确地发挥作用，美学质量不是前提，尽管关于建筑价值的讨论十分广泛，建筑质量的高低还是可以辨别的。