光电建筑技术研发研究

光电建筑技术研发研究

崔国卫

天元建设集团有限公司山东省临沂市  276000

摘要:太阳能是最丰富的可再生能源，光电建筑是目前利用太阳能的最佳方式。对BIPV和BAPV两种光伏建筑形式进行了了成本和适用场合分析。

关键词:绿色建筑;光伏建筑一体化;

引言

应对气候变化、减少温室气体排放是世界各国所面临的共同挑战，我国积极主动作为，提出了２０３０年前碳达峰、２０６０年前碳中和的目标。建筑运行碳排放占我国碳排放总量的２１％，建筑节能减排是实现“双碳”目标的重要方面。太阳能具有绿色、节能、零排放的优点，是建筑用能、农村农业用能等领域的重要节能减排方式。２０２１年１０月，国务院印发了《２０３０年前碳达峰行动方案》，将“城乡建设碳达峰行动”列为“碳达峰十大行动”之一，提出加快优化建筑用能结构，深化可再生能源建筑应用，推广光伏发电与建筑一体化应用。全文强制规范ＧＢ５５０１５—２０２１《建筑节能与可再生能源利用通用规范》。２０２２年４月１日起实施，对建筑围护结构、机电设备性能要求进一步提高的同时，更好地利用太阳能等可再生能源满足建筑用能需求也成为建筑节能水平进一步发展提高的关键方式。

1光电建筑技术研究

当前光伏系统在组件、汇流、逆变、并网等环节技术较为成熟，但在建筑应用过程中，还应充分考虑光伏系统安装在建筑表面后对建筑冷热负荷及建筑保温隔热对光伏组件发电效率的双向影响，对光伏组件的布置方式进行优化设计。此外，建筑产能与用能的匹配也是建筑光伏应用的研究热点之一，而准确的发电性能预测是实现产能用能匹配的基础。因此，本文针对建筑外墙光伏组件安装方式、建筑光伏系统发电量准确计算等进行研究，为光电建筑准确设计与优化建立基础。

1.1综合节能性能最优的外墙光伏组件安装方式研究

目前光伏组件多安装在建筑屋面，但对于我国城市建筑来说，外墙可用于安装光伏组件的面积大于屋面，节能潜力不可忽视。由于光伏组件在发电的同时发热明显，在建筑外墙安装时容易受安装条件限制，散热不良导致工作温度较高，影响光伏组件发电量。此外，建筑外墙安装光伏组件后，围护结构的热工性能也会发生改变，进而影响建筑的冷热负荷。基于光伏组件发电机理及其对建筑冷热负荷的影响规律分析，建立了光伏组件与墙体间综合传热计算模型，以建筑外墙光伏系统发电量、对建筑冷热负荷的影响及光伏伴生热量对建筑供暖的节能潜力为综合节能性能，研究了不同气候区建筑外墙光伏系统的综合节能性，得到以下结论：建筑外墙外表面的光伏组件与外墙的间距应在５～８ｃｍ之间，连续安装高度不应超过２层，确保外围护结构安全的同时提升不同气候区建筑外墙光伏系统的综合节能性能。

1.2光伏供能与建筑用能的协同研究

多种倾角朝向、多种类型组件综合应用，是建筑光伏系统与常规地面电站的显著区别之一。建筑光伏系统的光伏组件受建筑方案、外立面设计影响，难以按照最佳朝向倾角进行安装。偏离最佳倾角后，一年中会有较长时间太阳入射角大于６０°。此时，光伏组件表面玻璃透过比显著下降，进而影响组件实际发电量。为准确计算入射角变化对光伏系统实际发电量的影响，建立了表面玻璃透过比随入射角变化的理论模型，并集成到光伏系统发电量动态计算模型中，用于提高动态模拟计算的准确性。

二示范建筑

2.1建设背景

基于国家重点研发计划的国际能源署合作项目等研究成果，中国建筑科学研究院有限公司将原空调楼改造为光电示范建筑，率先实现净零能耗、净零碳排放的同时，集中展示光电建筑技术，打造集科研、展示、体验等功能于一体的综合实验平台。示范建筑于２０２１年１２月正式落成。

2.2建设目标

改造过程以“光电建筑、净零能耗、净零碳排放、在线实施”为整体目标，具体包括：

１）结合光伏遮阳、高性能门窗降低建筑供热供冷能耗，通过光伏发电满足建筑用能需求，探索太阳能零碳建筑技术路径。

２）示范建筑光伏一体化技术和产品最新研究成果，形成集科研、展示、体验等功能的综合实验平台。

３）作为既有办公建筑更新的示范，满足建筑功能性要求同时，探索现代化光电技术与历史风貌的有机融合

2.3建筑光伏一体化关键技术

为验证光伏幕墙的实际应用效果，该建筑在南立面采用５１．６ｍ２、透光率７０％的光伏幕墙，预计年发电量约１５００ｋＷ·ｈ。此外，在建筑立面光伏组件背板安装温度传感器开展热工性能试验，确保建筑立面光伏组件安全运行。在建筑安全方面，由于原建筑为砖混结构，屋面采用预制混凝土板，承载能力有限，不能直接将光伏基础受力于屋面板上。结合该建筑具体特点，在承重砖墙上每隔一定间距增设混凝土基础，基础顶部增设钢梁，用于光伏支架生根；立面则采用红砖砌体墙局部掏洞浇筑楔形混凝土固定预埋板，用于墙面光伏支架生根，从而确保砖混建筑加光伏的结构设计更加安全。

3效益分析

根据ＧＢ／Ｔ５０８０１—２０１３《可再生能源建筑应用工程评价标准》［１０，示范建筑光伏系统年发电量为２１２３８２ｋＷ·ｈ，折合单位建筑面积发电量为７３．７９ｋＷ·ｈ／ｍ２，单位光伏面积发电量为１４７．４７ｋＷ·ｈ／ｍ２，年二氧化碳减排量为１５７．３７ｔ，折合单位建筑面积为５４．６８ｋｇ／ｍ２。我国既有建筑面积约６００亿ｍ２，若１０％的既有建筑加装光伏系统，可新增装机容量１５０ＧＷ，则年可再生能源发电量可达１４７４．７亿ｋＷ·ｈ，二氧化碳减排量可达１．０９亿ｔ，为建设领域碳达峰目标实现作出重大贡献。

4结语

建筑光伏技术应用是城乡建设领域实现碳达峰的重要技术途径，本文通过光伏组件＋墙体耦合围护结构的发电传热机理研究、太阳入射角等因素对光伏发电性能的影响分析及太阳能与建筑用能的协同分析，提出了综合节能性能最优的外墙光伏组件安装方式，开发了建筑太阳能供能系统优化设计软件，并在示范建筑中应用。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院有限公司．建筑节能与可再生能源利用通用规范：ＧＢ５５０１５—２０２１［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０２１：２４６

[2]中国光伏行业协会．２０２１—２０２２年中国光伏产业年度报告［Ｒ］．北京：中国光伏行业协会，２０２２．

[3]边萌萌．建筑外墙安装光伏组件综合节能性能研究［Ｄ］．北京：中国建筑科学研究院有限公司，２０２０：３３８２．

[4]徐伟，边萌萌，张昕宇，等．光电建筑应用发展的现状［Ｊ］．太阳能，２０２１，４３（４）：６１５．