光伏技术建筑一体化总结

1    方位与屋/墙面坡度设计

从影响光伏发电的因素一章我们可以知道，对于光伏系统所能提供的能源，最直接的作用来自于所获得的太阳辐射能。而其获得的量，可以通过实地长期测量，或者软件模拟得到近似的值。值得注意的是，我们所谈的辐射量获得，并不会是某一天的某一个峰值，而是平均的辐射量考虑。因为光伏系统是一个全年运作的系统，让它稳定而有效的输送电能比瞬间的高峰来得更为有效。况且由于逆变器的荷载问题，更需要稳定的电能供给。

方位角

一般来说，北半球选择的方位角以正南为最佳，因为在正南角度可以调整的倾斜角灵活度比较大，在太阳辐射量接近最大的时刻光伏模板也恰好与辐射方向垂直，因此正南布置为最佳的选择。

而同时也需要注意的是，越是纬度偏高的地区，对于方位角的要求就越高。比如在新加坡（北纬1.1度），几乎任何方位角都能够获得相似的辐射量，而区别仅仅在于倾斜角的不同，而在苏黎世（北纬47.4度），与正南方向夹角为60度以内的方位相对于别的方位的优势就十分明显了，并且对于倾斜角的敏感程度也大大高于新加坡地区。因此在设计之初，就应该结合地理位置来判断系统对于方位角的需求究竟有多大，并且在哪个角度范围之内是被允许的。

倾斜角

也就是屋面或者墙面的坡度。建筑表面的倾斜角度越大，在冬季太阳能获取量越高而在夏季太阳能获取量越低，并且获取较理想的太阳能的方位角延伸角度越窄。因而出于季节性获取太阳能量的考虑，并且考虑到该季节所使用的用电器，比如制冷制热设备的耗电情况，来估算倾斜角度是比较科学而有根据的。

另一方面是出于建筑美观和一体化程度的考虑。在现有的建筑中，作为独立使用的设备而存在的太阳能光伏系统更多地存在。这些脱离出建筑一体的设备，虽然能够达成设备运行的目的，却给建筑少带了一份精致的感觉。精心设计的光伏系统，会巧妙地结合在建筑本体中，作为建筑的结构或者构造出现。并且充分考虑了光伏模板的外形特征是否能够和建筑设计很好地融合在一起，而同时完美地解决系统所带来的一些问题。

在罗马儿童博物馆的案例中，我们看到了一种精彩的一体化的思路。在符合发电效率的前提下将透明光伏模板安装在顶棚上面，同时作为天窗来使用。同时遮阳设施的设计思路也是高度一体化的范例。这给我们一个启发，就是通常需要这样的部位是辐射量比较大的部位，刚好可以满足光伏模板发电所需辐射能的需要。

而总之，在考虑发电效率兼顾建筑一体化的设计中，光伏模板安装的倾斜角问题是需要认真考虑的。

2    PV模块的选择

关于PV模块的选择，主要是几个方面：与建筑形态整体感的匹配，构件成本，运行反馈的经济性。

前文我们提到，单晶硅，多晶硅和非结晶硅电池的外观区别。而在罗马儿童博物馆的案例中我们也发现设计者采用了发电效率居次的多晶硅电池模板。这是考虑到多晶硅的表面肌理丰富，有很强的可视性。这方面单晶硅的单色性质就显得十分呆板而缺乏层次感。而非结晶硅电池的使用则体现在不规则形体上的使用。而另外有特殊要求的还可能使用成本较高的透明光伏模板，即用条状电池代替原先的矩形单元，从而减少模板的挡光量，提高透明度。

影响模板成本的因素，主要是各种电池的原料提纯工艺和加工工艺的差别。我们知道在原料提纯这方面，由于单晶硅要求拥有单层连续的格状晶体结构，而且几无瑕疵和杂质，因此在提纯工艺上要比其他种类的硅电池板要复杂一些，因而成本就有所上升。

而加工方式也会影响到成本。比如单晶硅可以从八边形晶体中切割出来压成薄片，或者安装在一般底座上，也或者将金属线高温熔铸在硅晶片上，它们之间的成本就会有所差别。而非结晶硅在复杂形体上的安装可能还牵涉到施工人工成本的问题，因为通常安装这样的模板和电路连接会比安装大块矩形阵列麻烦不少。

而系统带来的经济反馈是我们需要额外关注的。欧洲一些建成的建筑每年都会分析监控系统所记录的数据，来估算系统所带来的节能和经济效益，并且测评系统运行的稳定性和可能的差错存在。对于使用者或者投资方，更关心的莫过于这样做能为他们剩下多少钱，而当局也会关心这样做会对电网的压力减少多少，会贡献减少排放多少的二氧化碳。而这些，在设计的时候能够做一个合理有效的评测，对于设计本身的推进有着毋庸置疑的积极作用，即在对系统的运行情况有一个大致的情况了解的同时，更有可能获得多方的首肯，使得项目能够顺利进行下去。

3    PV系统的设计

光伏系统与建筑一体的设计思路在Doxford太阳能办公楼方案中体现在被光伏模块完全覆盖的热缓冲空间。这里的作用从被动式太阳能设计的角度来说，就是一个辐射“闸”，被称为缓冲区。在夏天这个区域的空气被太阳辐射加热的时候，可通过通风将其排走，而不影响真正的使用空间；而冬天需要这样被加热的空气，因此不进行通风而是继续和室内进行热交换，以起到冬暖夏凉的效果。而方案中的光伏模板作为该空间的遮阳构件同时又是窗户而存在。这样在缓冲空间排风降温的同时，也将光伏模板背后的温度降低下来，满足其工作温度。

可见在建筑整体设计的时候，需要考虑光伏系统的工作状态。在考虑最基本的方位倾斜角的同时，还需要关注同样重要的工作环境温度，阴影投射以及清洁问题。因此在设计之初就应该考虑结合光伏系统的设计，在建筑形体上尽量减少遮挡光伏模板关键位置的阴影，注意模板的背面通风散热，以及系统的自洁能力考量。

而现在通常的做法则是完全避免阴影的出现，比如在没有烟囱的坡屋顶一侧，外立面作为遮阳设施出现。通风问题则可结合通风屋面，双层玻璃幕墙以及案例中所提到的热缓冲空间的方式得到处理。特别注意的就是适合的温度比强烈的辐射更能发挥光伏系统的效率，因此保证这个温度对于系统的运行来说十分的关键。

另一部分问题来自于电学设备，包括电路的走线位置，控制器和逆变器的布置等等。通常我们需要注意的是设备电线的防水以免短路的发生，以及控制器的可达性。至少能够轻松找到它并且方便操作和检修。同样逆变器也需要方便检修。而与此同时我们不希望这些要求破坏了建筑正常功能的布置和对建筑空间效果过多的影响。因此在设计的时候要仔细考虑安排这些设备的位置。当有大楼控制系统时，还会有专门的机房和终端处理，设计师在设计方案的时候应该充分考虑这些要求的存在。

4    运行情况与经济性评估

需要跟踪检测应该说是光伏系统建筑一体化中比较独特的一个性质。因为我们需要评估整个系统的运行情况，并判断设备使用的效率和合理性，是否存在偏离设计估计值的误差和错误，以及系统产出的经济效应。

再次需要强调的是，运用光伏系统一体化建筑就意味着建筑的初始成本必定高于不使用系统的建筑，因此合理的可行的经济性评估会成为鼓励投资者下定决心使用该系统的动力。传统的能源系统可能最初比较便宜，但由于较高的经常性燃料费，长期的费用更高。而当光伏技术被采用作为建筑的部件，它的经济费用和利益可以被使用者和电力公司分担。对于建筑的所有者，安装和运行系统发电的额外费用不必购买电费或把剩余电卖给电力公司抵消。

而作为社会效益的体现，光伏系统的最大优势就是来源的纯净。二氧化碳的0排放会使得建筑的电力来源十分环保，并且越来越符合当局者的逐渐认识的趋势。不过单凭这一点还不能草率地冠以“绿色建筑”的称号，还需要评估产出和消耗的比例，以及其他污染源的控制等等。但是不管怎样，光伏系统的存在所做出的贡献是不能忽视的。

运行情况的跟踪是需要强调执行的。一方面我们需要切实的数据作为将来设计的参考以及系统经济性的评估标准，另一方面，由于系统潜藏的不稳定性，可能需要在监测中才能了解到系统的某一环节出现状况。例如逆变器的功率不足所引起的问题，这需要通过冬夏数据的对比才能做出判断。因此很有必要长期记录供维修检测和系统维护参考。

随着环保意识的加强，以及光生伏打技术的成熟，我们将会看到越来越多的光伏系统运用在建筑上的例子。而能够做对，做好，做精彩，我们还需要更多的探索和实践。技术的一体化问题更是需要多方的通力合作才能取得圆满的结果。因此在工作方法上也会有所转变，各个部门的紧密配合沟通是设计成功的关键，建筑师更应该在总体上控制局面，与结构，设备方面协调进展。并且，现场的控制和建成后其的工作量也颇为巨大。

或许，由于近年来太阳能光伏技术一体化的应用，建筑师的工作模式也会慢慢改变。这应该是一个好现象，而同时也是更高的要求：从大到小都必须具有强有力的控制，才能够圆满完成整个方案的设计，施工和交付使用。

申明：本文系本人PRP项目论文中节选，如需转载，请联系本人及指导老师

PS:修改字体字号还要用代码编辑，伽复杂