宋瑞芳
北方工程设计研究院有限公司 河北石家庄 050000
摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。随着可再生资源的日益减少以及生态环境的不断破坏，清洁能源的需求愈发迫切，太阳能光伏系统是将太阳能通过元器件转换为电能，从而满足工厂和居民日常用电的需求。太阳能建筑一体化设计（BIPV），就是将太阳能产品及构建应用在建筑上，利用建筑自身结构特点来充分利用太阳能，实现了太阳能建筑一体化。不仅有利于保护生态环境，同时还能对建筑起到美化作用，是未来太阳能光伏发电技术发展的重要方向。本文就关于太阳能光伏发电技术与建筑施工的一体化设计展开探讨。
关键词：太阳能；光伏发电；建筑施工；一体化
引言
现代化社会中，人们对舒适建筑环境的追求越来越高，导致建筑采暖、空气调节、照明等能耗日益增长，传统的化石能源也在不断消耗殆尽。随着社会的不断进步和科技的飞速发展，各种新型能源逐步得到人们重视。太阳能作为新型能源中的一种，具有可再生、能量大、普及广、绿色清洁等优点。近年来，光伏发电在新能源开发利用上得到了广泛的应用，其中光伏建筑一体化(BIPV)应用技术具有广阔的应用前景。
1太阳能光伏发电技术概述
不管是并网发电系统还是自成系统，太阳能光伏发电系统都是由三部分组成，主要有太阳能电池板、控制器、逆变器。在太阳能光伏发电系统的安装和维护工作中，其操作步骤非常简单，因为它自身没有机械部件，主要应用在有电能需要的地方。在应用过程中，太阳能电池板可以把太阳能转化成直流电，然后在通过逆变器把直流电转化成交流电，最终再借助配电箱对电能进行合理分配，把一部分的电能应用到建筑方面，剩余部分的电能就会传输到公共的电网中，如果遇到夜间发电量不充足或阴天时，就可以使用公共电网来提供电能。该种方式具有一定的优势，它不仅可以降低能源的消耗，而且还能满足建筑节能的实际需求。
2太阳能光伏发电技术现状
光伏发电技术是利用半导体PN结的光生伏特效应，当太阳光照射在光伏电池的PN结上，由于扩散运动使P区带正电，N区带负电，PN结两端产生电势差，将光伏电池接通外电路就会形成电压和电流，进而将太阳能转换为电能。建筑应用光伏电池的主要类型为晶硅太阳能电池与薄膜太阳能电池。晶硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池两种。薄膜太阳能电池按光电转换材料进行分类，可将其分为硅（微晶硅、纳米晶硅、非晶硅）、碲化镉、铜铟镓硒（CIGS）、TiO2染料敏华（DSCs）、量子纳米材料、有机聚合物等。目前晶硅太阳能电池占比较大，但由于晶硅太阳能电池在制造过程的高能耗以及所需高真空条件使其发电成本较高，而且晶硅太阳能电池具有易破碎、不可弯曲等缺点。与晶硅太阳能电池相比，柔性薄膜太阳能电池具有不易破碎、质量轻、可弯曲等优点，因此薄膜太阳能电池易与建筑结合，近年来受到广泛关注。
3太阳能电池的选用
太阳能电池(solarcell)是利用半导体P-N结的光生电动势效应(或称光伏效应photo-voltaiceffect)将太阳能直接转换成电能的器件。作为太阳能建筑的核心组件，太阳能电池的选用关乎电池效率的发挥以及建筑的功能的实现，关系到系统的安全、高效地运行。依据太阳能电池的材料和状态分，太阳能建筑所采用的太阳能电池主要有三类：:晶体硅电池(多晶硅电池、单晶硅电池)、非晶硅电池以及薄膜电池。电池的特点决定其应用的范围。晶体硅电池适合布置在辐射条件好的部位，以充分利用有限的建筑面积。因此，晶体硅电池一般都采用有利于在全年范围内尽可能多接收太阳射的姿态，但在太阳辐射照度较强时，光伏电池背面的温度会比较高，要注意散热。
非晶硅电池适合以幕墙的构件形式布置于建筑立面，在夏季，东南、西南向的幕墙可作为建筑的垂直遮阳，与幕墙背面的通风层一起防止建筑过热;在冬季，正南向的幕墙可与厚重的外围护墙体一起构成传统的太阳能吸热壁。而薄膜电池的技术现在还远没有稳定，目前还不是建筑所主要考虑的集光材料。国内首次采用薄膜太阳能电池的工程是首都博物馆的PV系统。首都博物馆新馆选择非晶体多P-N结柔性太阳能电池板，以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式，彻底消除了太阳能电池板与屋面之间的空气腔，从根本上解决了空气层流作用的问题。这样既不会影响建筑造型也不需要对屋面结构进行重新计算和加固，同时进一步杜绝了渗漏问题。薄膜电池相对于其他的电池在抗风压、维护屋面系统的整体性以及屋面荷载方面有优越性，随着制造技术的提升，薄膜太阳能电池将会成为太阳能电池的主力军，成为名副其实的第三代太阳能电池。
4关于太阳能光伏发电技术与建筑施工的一体化设计
4.1在系统配置方面———整合设计
太阳能建筑的整合设计就是在建筑设计中系统应用太阳能暖、太阳能热水、太阳能空调、太阳能公共照明以及光伏发电等主动太阳能技术及各种可能的被动措施，通过对该建筑所在区域的场地、气候以及建筑施工的材料进行分析，确定出最终实现光伏发电的具体技术方案以及光伏系统所需要的材料、型号、功率等。
4.2发电系统的设计
BIPV的发电系统设计与地面光伏电站的系统设计不同。地面光伏电站一般根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统。BIPV根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率配套系统。光伏系统设计包含3个部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。光伏方阵设计:在实际应用中往往因为要服从于建筑的外形需要，光伏方阵可能会有各种颜色与板块大小之分以及朝向和倾角，这需要光伏和建筑师共同协商，兼顾双方的需求，妥善解决。光伏组件设计涉及电池片的选型与布置、组装的装配。光伏发电系统设计要确定系统类型为并网系统或独立系统，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统布线、感应、监控显示等环节设计。
4.3满足建筑物功能及光伏效率
将光伏发电与建筑物自身结合在一起，不仅增加了建筑的外观特性和美感、解决了发电场地的问题，同时还实现了太阳能的转换。但是BIPV发展初期，由于技术的不完善和原材料额度的制约，在建筑物和光伏系统结合设计中，不仅对建筑自身功能、结构造成一定破坏，同时还要满足一定光伏转换的效率，因此光伏建筑一体化有很多需要关注并解决的地方。通常商业建筑设计重点在于公共空间、服务空间以及附属空间三大部分。对于光伏建筑一体技术最适宜的区域就是建筑公共空间，通常建筑物公共空间对于采光无较多要求，甚至允许全室内照明。在该区域实施光伏建筑一体化施工时，可以在建筑顶层通过排布式方案展开实施，利用电池片排布实现对光线的过滤和调节，从而在实现太阳能采集的基础下满足建筑公共空间采光要求。另外，根据光照条件设计墙面遮阳式、墙面安装式方案，根据对太阳光照射最佳角度的计算进行安装。但是该种施工技术难度较大，且要求整体工艺水平高。目前涌现出来的透光率良好及色彩丰富的太阳能组件，能直接替代幕墙玻璃应用于建筑外墙，这就是行业进步的结果。
结语
随着国家将节能减排上升到政治和民生工程的高度，低碳注定是未来建筑的方向，而使用太阳能是建筑节能最有效的手段之一。光伏建筑一体化的发展将成为节能减排低碳环保的第一战，标志着向可持续发展的能源体系过渡。
参考文献
［1］何红胜．光伏建筑一体化发电系统的应用简析［J］．江苏科技信息，2019(3):69-70．
［2］李建飞．太阳能光伏发电技术及其应用［J］．陕西建筑，2018(6):1-3．
［3］林骞．光伏建筑一体化技术的应用［J］．居舍，2019(30):63．