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摘要：本文着重介绍了光伏发电与建筑一体化（BIPV）的建筑形式、BIPV技术的设计方法，BIPV技术应用于节能建筑所遇到的几个问题，说明了BIPV的设计原则，并简要介绍了BIPV与节能建筑相结合的发展前景。
关键词：光伏发电与建筑一体化(BIPV）；节能建筑；设计方法；设计原则
Abstract: this paper introduces the photovoltaic (BIPV) and the building integration of architectural form, BIPV technology, the design method of BIPV technology applied to energy-efficient buildings have encountered several problems, illustrates the design principle of BIPV, and briefly introduces the BIPV combined with energy-saving building development prospects.
Keywords: photovoltaic (BIPV) and the building integration; Energy-saving building; Design method; Design principles
中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
0.前言：
随着中国经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，人们生产、生活对电力的需求也日益增加。据相关资料显示，在我国，截止到2004年，发电量的82.6%是由火力发电提供的。【1】过分的依赖火力发电，必将大量的使用化石燃料——煤，这对势必造成环境的污染和资源的浪费。建筑能耗大约占社会总能耗的50%，BIVP，可以有效的减少建筑物对常规能源的消耗。随着光伏产业的发展，太阳能光伏成本逐渐降低，“建筑物产生能源”新概念的提出，也促进了BIVP的进一步发展，大力推广应用太阳能光伏发电，有利于提高新能源在能源结构中的比重，可以缓解日益严峻的环境问题和能源问题。
1.BIPV的建筑形式
BIPV系统可以分为光伏屋顶结构（PV-ROOF）和光伏墙结构（PV-WALL）两种形式。光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合，即把封装好的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置组成一个发电系统；另外一种是建筑与光伏器件相结合，将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙。【2】
2.BIPV的设计方法
2.1平均峰值日照时数Tm。
求出全年平均日太阳辐射量,并用单位mWh/cm2表示,除以标准日太阳辐射照度,即可求出平均峰值日照时数。
(1)
2.2确定电池组件最佳电流。
太阳能电池组件应输出的最小电流为
(2)
式中,L为负载每天总耗电量;
η1为蓄电池组件充电效率(0·80~0·90);
η2为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数,通常可取0.9~0.95iii;
η3为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数,通常可取0.9~0.95。
由太阳能电池组件面上各月中最小的太阳能总辐射量HTmin可算出各月中最小的峰值时数
Tmin,则太阳能电池组件应输出的最大电流为:
(3)
太阳能电池组件的最佳电流值介于Imin和Imax之间,具体数值可用试验方法确定。方法是先选定一个电流值IA,按月求出太阳能电池组件的输出发电量,对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据式(4)进行计算。
(4)
式中,N为当月天数。而各月负载耗电量为:
(5)
两者相减,若ΔE = EA-EL为正,表示该月太阳能电池组件发电量大于用电量,能给蓄电池组件充电;若ΔE为负,表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量,要用蓄电池组件贮存的电能来补充,蓄电池组件处于亏损状态。如果蓄电池组件全年荷电状态低于原定的放电深度(一般≤0.5),则应增加太阳能电池组件输出电流;如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值,则可减少太阳能电池组件输出电流。当然,也可以增加或减少蓄电池组件容量。
2.3蓄电池组件容量的确定。
列表算出全年各月ΔEi的数值,并算出全年中ΔE连续为负值(即连续亏欠量)的累积值∑ΔEi。如果全年只有一个连续亏欠期,它就是累积亏欠量之和。对北半球来说,由于岁末年初是冬季,在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如有几个不连续的亏欠期,即在连续两个亏欠期之间有ΔEi为正的盈余量,則应扣除此盈余量。最后求出累积亏欠量∑ΔEi,这样即可确定蓄电池组件的容量:
(6)
式中,DOC为放电深度,对铅酸蓄电池组最大可达75% ~80%。但考虑蓄电池组的寿命等影响因素,一般取DOC =60% ~70%为宜。
2.4确定太阳能电池组件的工作电压。
太阳能电池组件的输出工作电压应足够大,以保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此,太阳能电池组件在任何季节的工作电压须满足:
(7)
式中, Vf为蓄电池组浮充电压;
Vd为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降;
Vi为因温度升高引起的压降。
可用式(8)计算因温度升高而引起的压降Vi。
(8)
式中,a是太阳能电池组件的温度系数,对单晶硅和多晶硅电池组件来说,a =0.005,对非晶硅池组件来说,a =0.003;
Tmax为太阳能电池组件的最高工作温度(45℃~60℃);
Va为太阳能电池组件的标准工作电压。
2.5确定太阳能电池组件功率。
太阳能电池组件板的功率
(9)
式中,a、tmax取值与式(8)中相同,K为考虑一些未知工作因素,而引入的安全系数,可根据电压等级,数据准确程度,运行环境等,在1.05~1.30之间选取viii。这样,只要根据算出的蓄电池组容量,太阳能电池组件的电流、电压及功率,参照厂商提供的蓄电池组件和太阳能电池组件性能参数,就可以选取合适的组件型号和规格了。
3．BIPV与节能建筑应注意的问题
3.1 朝向问题
太阳能与建筑相结合，不能自由的选择安装朝向，不同朝向的太阳能电池板的光伏效应是不同的，所以在设计过程中，不能按照常规的方法进行发电量计算，还应考虑其朝向问题。不同朝向的太阳能电池板可按（如图1）所示的方法进行设计。
（注：假定向南倾斜纬度角安装的太阳能电池发电量为100）
图1：太阳电池不同向的相对发电量
3.2 遮挡问题
太阳能与建筑相结合，不可避免的会碰到遮挡问题。遮挡对晶体硅太阳能电池板影响很大，对非晶体硅的影响会小的多。一块晶体硅太阳能电池板如果被遮挡1/10的面积，功率损失将达到10%；而非晶硅受到同样的遮挡，功率损失只有10%。所以在遇到不可避免的遮挡时，可选用非晶硅太阳能电池板。
3.3 温度问题（注：此温度为太阳能电池的结界温度）
太阳电池与建筑相结合，还应当注意太阳电池的通风设计，以避免太阳电池温度过高造成发电效率降低。（晶体硅太阳电池的结温超过25℃时，每升高1℃功率损失大约4‰）【3】
3.4 透光问题
太阳电池与建筑相结合，太阳电池会被用作天窗、遮阳板和幕墙时，对于它的透光性就有了一定的要求。一般来讲，晶体硅太阳电池本身是不透光的，当需要透光时，只能将组件用双层玻璃封装，通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。由于电池片本身不透光，作为玻璃幕墙或天窗时其投影呈现不均匀的斑状。晶体硅太阳电池也可以做成透光型，即在晶体硅太阳电池上打上很多细小的孔，但是制作工艺复杂，成本昂贵，目前还没有达到商业化的程度。非晶硅太阳电池可以制作成茶色玻璃一样的效果，透光效果好，投影也十分均匀柔和。如果是将太阳电池用作玻璃幕墙和天窗，选非晶硅太阳电池更为适合。
4.BIPV的设计原则
4.1 BIPV要讲究建筑的美观
“美”是人类对建筑亘古不变的追求。BIPV应用于节能建筑，本身就能够吸引公众的眼球，美观与否非常重要，太阳能电池的安装位置、安装角度和安装方法都将与建筑密切结合，保证建筑的风格和美观，能够起到画龙点睛、锦上添花的效果。
4.2BIPV要注意其经济性
经济性一直是BIPV技术面临的难题。目前太阳能光伏发电的成本要比其他能源发电成本高的多。但是，BIPV技术如果能与建筑物的整体结构充分结合，也能有效的降低成本。如:替代玻璃屋顶、外窗玻璃、幕墙等建筑材料。替代集中应急电源(EPS)，不间断电源(UPS)中的蓄电池，节省用户用电峰值用电量等。【4】
5. BIPV与节能建筑结合的发展前景
太阳能光伏发电系统在建筑上应用的发展前景世界光伏发电市场发展迅速,近10 年太阳能电池组件生产的年平均增长率为33%,光伏发电已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。各发达国家纷纷制订了近期光伏发电发展计划。（如表1所示）【5】
表1美国、欧洲、日本及全球光伏发电发展计划(单位为MW)
按照我国政府制订实施的“中国光明工程”计划，到2010年，利用光伏发电技术解决2 300万边远地区人口的用电问题。大力发展光伏并网发电对调整电源结构，缓解电力紧缺，增加用户收入，加快经济发展，保护生态环境都具有重要意义。随着光伏发电成本的下降，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MW p，2020年累計装机将达到30GWp，届时将达到全国发电量的1%，2050年将达到100GW p。【6】
6．结束语
BIPV技术在节能建筑中的应用，在今后若干年都将成为发展的重点。它将对中国政府推行的节能减排工作起到很好的促进作用，符合中国的国情。BIPV技术必将成为节能减排中的一枝奇葩，在建筑节能行业中大放异彩。
参考文献：
【1】张国宝.调整电力结构,促进电力工业健康发展[J].中国电力企业管理, 2005
【2】袁旭东，魏湘渊.光伏建筑一体化的研究，新建筑[J]，2001（2）：67~69）BIPV的建筑形式主要有以下几种：
【3】桑野幸徳 太阳能电池及其应用 科学出版社 1990.9-12.45
【4】李逢元 太阳能光伏发电应用于公共建筑的探讨 建筑电气[J] 2004.4
【5】刘玉娜 田琦 吴晓庆 太阳能光伏发电在建筑中的应用及前景 山西能源与节能[J] 2007（3）
【6】赵国英.太阳能光伏发电产业的现状与前景.科技信息参考[R]，2005（99）：5~7
【7】李宏毅.建筑系统节能呼唤太阳能光伏发电.建筑[J]，2005（2）
关键词：光伏发电与建筑一体化(BIPV）；节能建筑；设计方法；设计原则
Abstract: this paper introduces the photovoltaic (BIPV) and the building integration of architectural form, BIPV technology, the design method of BIPV technology applied to energy-efficient buildings have encountered several problems, illustrates the design principle of BIPV, and briefly introduces the BIPV combined with energy-saving building development prospects.
Keywords: photovoltaic (BIPV) and the building integration; Energy-saving building; Design method; Design principles
中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
0.前言：
随着中国经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，人们生产、生活对电力的需求也日益增加。据相关资料显示，在我国，截止到2004年，发电量的82.6%是由火力发电提供的。【1】过分的依赖火力发电，必将大量的使用化石燃料——煤，这对势必造成环境的污染和资源的浪费。建筑能耗大约占社会总能耗的50%，BIVP，可以有效的减少建筑物对常规能源的消耗。随着光伏产业的发展，太阳能光伏成本逐渐降低，“建筑物产生能源”新概念的提出，也促进了BIVP的进一步发展，大力推广应用太阳能光伏发电，有利于提高新能源在能源结构中的比重，可以缓解日益严峻的环境问题和能源问题。
1.BIPV的建筑形式
BIPV系统可以分为光伏屋顶结构（PV-ROOF）和光伏墙结构（PV-WALL）两种形式。光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合，即把封装好的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置组成一个发电系统；另外一种是建筑与光伏器件相结合，将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙。【2】
2.BIPV的设计方法
2.1平均峰值日照时数Tm。
求出全年平均日太阳辐射量,并用单位mWh/cm2表示,除以标准日太阳辐射照度,即可求出平均峰值日照时数。
(1)
2.2确定电池组件最佳电流。
太阳能电池组件应输出的最小电流为
(2)
式中,L为负载每天总耗电量;
η1为蓄电池组件充电效率(0·80~0·90);
η2为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数,通常可取0.9~0.95iii;
η3为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数,通常可取0.9~0.95。
由太阳能电池组件面上各月中最小的太阳能总辐射量HTmin可算出各月中最小的峰值时数
Tmin,则太阳能电池组件应输出的最大电流为:
(3)
太阳能电池组件的最佳电流值介于Imin和Imax之间,具体数值可用试验方法确定。方法是先选定一个电流值IA,按月求出太阳能电池组件的输出发电量,对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据式(4)进行计算。
(4)
式中,N为当月天数。而各月负载耗电量为:
(5)
两者相减,若ΔE = EA-EL为正,表示该月太阳能电池组件发电量大于用电量,能给蓄电池组件充电;若ΔE为负,表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量,要用蓄电池组件贮存的电能来补充,蓄电池组件处于亏损状态。如果蓄电池组件全年荷电状态低于原定的放电深度(一般≤0.5),则应增加太阳能电池组件输出电流;如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值,则可减少太阳能电池组件输出电流。当然,也可以增加或减少蓄电池组件容量。
2.3蓄电池组件容量的确定。
列表算出全年各月ΔEi的数值,并算出全年中ΔE连续为负值(即连续亏欠量)的累积值∑ΔEi。如果全年只有一个连续亏欠期,它就是累积亏欠量之和。对北半球来说,由于岁末年初是冬季,在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如有几个不连续的亏欠期,即在连续两个亏欠期之间有ΔEi为正的盈余量,則应扣除此盈余量。最后求出累积亏欠量∑ΔEi,这样即可确定蓄电池组件的容量:
(6)
式中,DOC为放电深度,对铅酸蓄电池组最大可达75% ~80%。但考虑蓄电池组的寿命等影响因素,一般取DOC =60% ~70%为宜。
2.4确定太阳能电池组件的工作电压。
太阳能电池组件的输出工作电压应足够大,以保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此,太阳能电池组件在任何季节的工作电压须满足:
(7)
式中, Vf为蓄电池组浮充电压;
Vd为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降;
Vi为因温度升高引起的压降。
可用式(8)计算因温度升高而引起的压降Vi。
(8)
式中,a是太阳能电池组件的温度系数,对单晶硅和多晶硅电池组件来说,a =0.005,对非晶硅池组件来说,a =0.003;
Tmax为太阳能电池组件的最高工作温度(45℃~60℃);
Va为太阳能电池组件的标准工作电压。
2.5确定太阳能电池组件功率。
太阳能电池组件板的功率
(9)
式中,a、tmax取值与式(8)中相同,K为考虑一些未知工作因素,而引入的安全系数,可根据电压等级,数据准确程度,运行环境等,在1.05~1.30之间选取viii。这样,只要根据算出的蓄电池组容量,太阳能电池组件的电流、电压及功率,参照厂商提供的蓄电池组件和太阳能电池组件性能参数,就可以选取合适的组件型号和规格了。
3．BIPV与节能建筑应注意的问题
3.1 朝向问题
太阳能与建筑相结合，不能自由的选择安装朝向，不同朝向的太阳能电池板的光伏效应是不同的，所以在设计过程中，不能按照常规的方法进行发电量计算，还应考虑其朝向问题。不同朝向的太阳能电池板可按（如图1）所示的方法进行设计。
（注：假定向南倾斜纬度角安装的太阳能电池发电量为100）
图1：太阳电池不同向的相对发电量
3.2 遮挡问题
太阳能与建筑相结合，不可避免的会碰到遮挡问题。遮挡对晶体硅太阳能电池板影响很大，对非晶体硅的影响会小的多。一块晶体硅太阳能电池板如果被遮挡1/10的面积，功率损失将达到10%；而非晶硅受到同样的遮挡，功率损失只有10%。所以在遇到不可避免的遮挡时，可选用非晶硅太阳能电池板。
3.3 温度问题（注：此温度为太阳能电池的结界温度）
太阳电池与建筑相结合，还应当注意太阳电池的通风设计，以避免太阳电池温度过高造成发电效率降低。（晶体硅太阳电池的结温超过25℃时，每升高1℃功率损失大约4‰）【3】
3.4 透光问题
太阳电池与建筑相结合，太阳电池会被用作天窗、遮阳板和幕墙时，对于它的透光性就有了一定的要求。一般来讲，晶体硅太阳电池本身是不透光的，当需要透光时，只能将组件用双层玻璃封装，通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。由于电池片本身不透光，作为玻璃幕墙或天窗时其投影呈现不均匀的斑状。晶体硅太阳电池也可以做成透光型，即在晶体硅太阳电池上打上很多细小的孔，但是制作工艺复杂，成本昂贵，目前还没有达到商业化的程度。非晶硅太阳电池可以制作成茶色玻璃一样的效果，透光效果好，投影也十分均匀柔和。如果是将太阳电池用作玻璃幕墙和天窗，选非晶硅太阳电池更为适合。
4.BIPV的设计原则
4.1 BIPV要讲究建筑的美观
“美”是人类对建筑亘古不变的追求。BIPV应用于节能建筑，本身就能够吸引公众的眼球，美观与否非常重要，太阳能电池的安装位置、安装角度和安装方法都将与建筑密切结合，保证建筑的风格和美观，能够起到画龙点睛、锦上添花的效果。
4.2BIPV要注意其经济性
经济性一直是BIPV技术面临的难题。目前太阳能光伏发电的成本要比其他能源发电成本高的多。但是，BIPV技术如果能与建筑物的整体结构充分结合，也能有效的降低成本。如:替代玻璃屋顶、外窗玻璃、幕墙等建筑材料。替代集中应急电源(EPS)，不间断电源(UPS)中的蓄电池，节省用户用电峰值用电量等。【4】
5. BIPV与节能建筑结合的发展前景
太阳能光伏发电系统在建筑上应用的发展前景世界光伏发电市场发展迅速,近10 年太阳能电池组件生产的年平均增长率为33%,光伏发电已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。各发达国家纷纷制订了近期光伏发电发展计划。（如表1所示）【5】
表1美国、欧洲、日本及全球光伏发电发展计划(单位为MW)
按照我国政府制订实施的“中国光明工程”计划，到2010年，利用光伏发电技术解决2 300万边远地区人口的用电问题。大力发展光伏并网发电对调整电源结构，缓解电力紧缺，增加用户收入，加快经济发展，保护生态环境都具有重要意义。随着光伏发电成本的下降，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MW p，2020年累計装机将达到30GWp，届时将达到全国发电量的1%，2050年将达到100GW p。【6】
6．结束语
BIPV技术在节能建筑中的应用，在今后若干年都将成为发展的重点。它将对中国政府推行的节能减排工作起到很好的促进作用，符合中国的国情。BIPV技术必将成为节能减排中的一枝奇葩，在建筑节能行业中大放异彩。
参考文献：
【1】张国宝.调整电力结构,促进电力工业健康发展[J].中国电力企业管理, 2005
【2】袁旭东，魏湘渊.光伏建筑一体化的研究，新建筑[J]，2001（2）：67~69）BIPV的建筑形式主要有以下几种：
【3】桑野幸徳 太阳能电池及其应用 科学出版社 1990.9-12.45
【4】李逢元 太阳能光伏发电应用于公共建筑的探讨 建筑电气[J] 2004.4
【5】刘玉娜 田琦 吴晓庆 太阳能光伏发电在建筑中的应用及前景 山西能源与节能[J] 2007（3）
【6】赵国英.太阳能光伏发电产业的现状与前景.科技信息参考[R]，2005（99）：5~7
【7】李宏毅.建筑系统节能呼唤太阳能光伏发电.建筑[J]，2005（2）