教你更好的应用建筑光伏一体化技术打造零碳建筑！
原创零碳达人立青绿建节能方向标2022-08-24 08:03发表于上海
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零能耗与零碳建筑
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最有前途的可再生能源技术之一是光伏。光伏 (PV) 是一种真正优雅的现场发电方式，直接利用太阳，无需担心能源供应或环境危害。这些固态设备只是简单地从阳光中发电，无声无息，无需维护，无污染，也不会消耗材料。
越来越多的共识是，在使用点提供电力的分布式光伏系统将率先实现广泛的商业化。这些分布式应用中最主要的是用于单个建筑物的光伏发电系统。
对光伏建筑集成的兴趣正在全球范围内增长，其中光伏元件实际上成为建筑物的一个组成部分，通常用作外部天气表皮。欧洲、日本和美国的光伏专家和创新设计师现在正在探索将太阳能融入他们的工作的创造性方法。一种全新的太阳能电力建筑术语正在开始出现。
光伏建筑一体化 (BIPV) 系统包括将光伏模块集成到建筑围护结构中，例如屋顶或立面。通过同时用作建筑围护结构材料和发电机，BIPV 系统可以节省材料和电力成本，减少化石燃料的使用和臭氧消耗气体的排放，并为建筑增添建筑趣味。
虽然大多数 BIPV 系统与可用的公用电网连接，但 BIPV 也可用于独立的离网系统。并网 BIPV 系统的好处之一是，通过合作公用事业政策，存储系统基本上是免费的。它还具有 100% 的效率和无限的容量。建筑业主和公用事业公司都受益于并网 BIPV。太阳能发电的现场生产通常在建筑物和公用事业高峰负荷时或附近时最大。太阳能的贡献降低了建筑物所有者的能源成本，而输出的太阳能电力有助于在其最大需求期间支持公用电网。
目前市场上有两种基本的商用光伏组件技术：
厚晶体产品包括由单晶或多晶硅片制成的太阳能电池，每平方英尺光伏阵列（在充足的阳光下）可提供约 10-12 瓦的功率。
薄膜产品通常包含非常薄的光伏活性材料层，它们使用类似于建筑玻璃涂层的真空沉积制造技术放置在玻璃顶板或金属基板上。目前，商业薄膜材料每平方英尺光伏阵列面积（在充足的阳光下）提供约 4-5 瓦的功率。与厚晶体产品相比，由于其生产中对活性材料和能源的要求要低得多，因此薄膜技术有望降低成本。
光伏系统是通过将多个称为模块的单独收集器以电气和机械方式组装成一个阵列来构建的。
建筑一体化光伏（BIPV）系统
光伏建筑一体化 (BIPV) 是将光伏 (PV) 集成到建筑围护结构中。光伏模块具有建筑表皮的双重功能——取代传统的建筑围护结构材料——和发电机。通过避免传统材料的成本，降低了光伏的增量成本，提高了其生命周期成本。也就是说，BIPV 系统的总成本通常低于需要单独、专用安装系统的 PV 系统。
一个完整的 BIPV 系统包括：
PV 模块（可能是薄膜或晶体、透明、半透明或不透明的）；
充电控制器，用于调节进出电池组的电力（在独立系统中）；
电力存储系统，通常由公用事业交互系统中的公用电网或独立系统中的多个电池组成；
功率转换设备，包括将光伏模块的直流输出转换为与公用电网兼容的交流电的逆变器；
备用电源，例如柴油发电机（可选——通常用于独立系统）；和
适当的支撑和安装硬件、接线和安全断开装置。
光伏建筑一体化应用
立面——光伏可以集成到建筑物的侧面，用半透明薄膜或晶体太阳能电池板代替传统的玻璃窗。这些表面比屋顶系统更不容易受到阳光直射，但通常提供更大的可用区域。在改造应用中，光伏电池板还可用于伪装不美观或退化的建筑外观。
屋顶——在这些应用中，光伏材料取代了屋顶材料，或者在某些情况下，取代了屋顶本身。一些公司提供由夹层玻璃制成的集成式单片太阳能屋顶；其他人提供太阳能“木瓦”，可以安装在普通屋顶木瓦的位置。
玻璃——超薄太阳能电池可用于制造半透明表面，允许日光穿透同时发电。这些通常用于创建光伏天窗或温室。
建筑设计注意事项
最大化 BIPV 系统价值的一个关键部分是规划环境和结构因素，这两者都会影响任何太阳能系统的经济性、美学和整体功能。
（1）环境因素
日照- 这是指接收到的平均太阳辐射量，通常以 kWh/m2/day 计算。这是描述特定地区太阳能资源量的最常用方法。
气候和天气条件——高环境温度会降低太阳能系统的输出，而云和降雨模式会影响系统输出和维护要求。高水平的空气污染可能需要定期清洁以提高效率。
阴影——树木、附近的建筑物和其他结构会阻挡阳光，从而降低光伏系统的输出。
纬度——与赤道的距离会影响太阳能电池板接收太阳辐射的最佳倾斜角度。
（2）结构因素
建筑能源要求——BIPV 系统的设计应考虑建筑是否应该能够完全独立于电网运行，这需要电池或其他现场储能系统。
太阳能系统设计——光伏系统本身的设计取决于建筑物的能源需求，以及可能限制材料选择的任何结构或美学限制。晶体硅面板每平方米的电力输出更高，但成本和设计限制更大。薄膜材料每平方米产生的电能较少，但成本较低，并且可以更容易地集成到更多表面上。
光伏建筑一体化 (BIPV) 系统的设计
BIPV 系统应该在采用了节能设计技术、设备和系统经过仔细选择和指定的地方进行。应该从生命周期成本的角度来看待它们，而不仅仅是初始成本，因为总成本可以通过避免的建筑材料和劳动力成本来降低。BIPV 系统的设计考虑必须包括建筑物的使用和电力负载、其位置和方向、适当的建筑和安全规范，以及相关的公用事业问题和成本。
设计 BIPV 系统的步骤包括：
（1）仔细考虑节能设计实践和/或节能措施的应用，以减少建筑物的能源需求。这将提高舒适度并节省资金，同时还使给定的 BIPV 系统能够为负载提供更大百分比的贡献。
（2）在公用事业交互式光伏系统和独立光伏系统之间进行选择：
绝大多数 BIPV 系统将与公用电网相连，使用电网作为存储和备份。系统的大小应满足业主的目标——通常由预算或空间限制来定义；并且，必须在了解公用事业要求的情况下选择逆变器。
对于那些仅由光伏供电的“独立”系统，系统（包括存储）的大小必须满足建筑物的峰值需求/最低电力生产预测。为了避免光伏/电池系统因异常或偶尔的峰值负载而过大，通常使用备用发电机。这种系统有时被称为“光伏发电机组混合动力”。
（3）转移峰值：如果峰值建筑负载与光伏阵列的峰值功率输出不匹配，将电池并入某些并网系统以抵消最昂贵的电力需求时期可能在经济上是合适的。该系统还可以用作不间断电源系统 (UPS)。
（4）提供足够的通风：PV 转换效率会因工作温度升高而降低。与非晶硅薄膜相比，晶体硅光伏电池更是如此。为了提高转换效率，请在模块后面进行适当的通风以散热。
（5）使用混合光伏-太阳能热系统进行评估：作为优化系统效率的一种选择，设计人员可以选择捕获和利用通过加热模块开发的太阳能热资源。这在寒冷气候中对进入的通风补充空气进行预热可能很有吸引力。
（6）考虑集成采光和光伏收集：使用半透明薄膜模块或在两层玻璃之间具有定制间距电池的晶体模块，设计人员可以使用光伏在立面、屋顶或天窗光伏系统中创建独特的采光功能。BIPV 元件还可以帮助减少与大面积建筑玻璃相关的不必要的冷却负荷和眩光。
（7）将光伏组件集成到遮阳设备中：光伏阵列被视为建筑物的“眉毛”或遮阳篷，可提供适当的被动式遮阳。当遮阳板被视为集成设计方法的一部分时，冷水机容量通常可以更小，并且周边冷却分布会减少甚至消除。
（8）针对当地气候和环境的设计：设计师应了解气候和环境对阵列输出的影响。寒冷、晴天会增加发电量，而炎热、阴天会降低阵列输出；/p>
将光反射到阵列上的表面（例如雪）将增加阵列输出；
阵列必须针对潜在的雪和风荷载条件进行设计；
适当角度的阵列将相对较快地减少积雪；和，
在干燥、多尘的环境或具有重度工业或交通（汽车、航空）污染的环境中的阵列需要清洗以限制效率损失。
（9）解决场地规划和定位问题：在设计阶段的早期，确保您的太阳能电池阵列能够最大程度地暴露在阳光下，并且不会被附近建筑物或树木等场地障碍物遮挡。特别重要的是，在太阳正午两侧的三个小时的太阳能收集高峰期，该系统完全没有阴影。阴影对光伏阵列的影响比阴影的足迹对电力收获的影响要大得多。
（10）考虑阵列方向：不同的阵列方向会对系统的年能量输出产生重大影响，倾斜阵列比垂直立面多产生 50%–70% 的电力。
（11）减少建筑围护结构和其他现场负载：最大限度地减少 BIPV 系统所承受的负载。尽可能采用采光、节能电机和其他峰值降低策略。
（12）专业人士：BIPV的使用相对较新。确保参与项目的设计、安装和维护专业人员在光伏系统工作方面接受过适当的培训、许可、认证和经验。
此外，BIPV 系统可以设计为与传统建筑材料和设计相融合，或者它们可以用于创建高科技、面向未来的外观。隔开的晶体单元的半透明阵列可以提供漫射的内部自然光。高调系统还可以表明所有者希望提供具有环保意识的工作环境。
光伏建筑一体化 (BIPV) 具有双重用途：它们既可用作结构的外层，又可发电供现场使用或输出到电网。BIPV 系统可以节省材料和电力成本，减少污染，并增加建筑物的建筑吸引力。虽然它们可以作为改造添加到结构中，但 BIPV 系统的最大价值是通过将它们包含在初始建筑设计中来实现的。通过在初始建设期间用光伏替代标准材料，建筑商可以降低光伏系统的增量成本，并消除单独安装系统的成本和设计问题。
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