太阳能光伏建筑一体化研究现状综述

第２９卷第５期２０１３年１０月

结构工程师

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ

Ｖ０１．２９，Ｎｏ．５０Ｃｔ．２０１３

太阳能光伏建筑一体化研究现状综述

章红梅＋

师振华

刘

松董金芝

（同济大学结构工程与防灾研究所，上海２０００９２）

摘要

在能源日益枯竭和环境污染日益严重的今天，发展绿色环保的可再生能源技术已是全世界的

当务之急，光伏建筑一体化就是目前最有前景的一种合理利用太阳能的可再生能源技术，符合绿色建筑的发展趋势，已受到各国工程界的普遍关注。首先介绍了光伏发电原理、光伏电池常见种类，随后介绍了光伏模块的一般冷却方式，重点介绍了光伏建筑一体化的实现方式，最后简单介绍了国内外光伏建筑一体化应用现状及前景展望，并对今后需要重点研究的问题提出了相关建议。

关键词太阳能，光伏墙，一体化

Ｓｔａｔｅ－ｏｆ・ｔｈｅ－ａｒｔｏｆＳｏｌａｒＢｕｉｌｄｉｎｇｓＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈ

ｔｈｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｍｅｉ

８

ＳＨＩＺｈｅｎｈｕａ

ＬＩＵＳｏｎｇ

ＤＯＮＧＪｉｎｚｈｉ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ

（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＤｉｓａｓｔｅｒ

Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，Ｔｏｎ６ｉ

２０００９２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ

ｅｎｅｒｇｙｃｒｉｓｉｓａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｇｒｅｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ

ａｎ

ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｂｅｃｏｍｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｔａｓｋｏｆａｌｌ

ｏｖｅｒ

ｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓｉｎｔｅ．

ｇｒａｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ａｒｅｏｎｅ

ｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｉｎｇｇｒｅｅｎｂｕｉｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄ

ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｏｎｔｙｐｅｓ

ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｗｏｒｌｄｗｉｄｅ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｐｏｗｅｒ

ｗｅｒｅ

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ｆｉｒｓｔｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｎｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＳｏｌａｒＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅＰｈｏｔｏ．

ｗａｓ

ｖｏｌｔａｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ

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ｏｎ

ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈＫｅｙｗｏｒｄｓ

ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｅｉｓｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．

ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ，ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｗａｌｌ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ

１

引言

有４００亿ｍ２以上属于高耗能建筑，总量庞大，潜伏巨大能源危机。２１。到２０００年末，我国建筑年消耗商品能源共计３．７６亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量的２７．６％，而建筑能耗的增加对全国的温室气体排放“贡献率”已经达到了２５％。单北方采暖地区每年就多耗标准煤１８００万ｔ，多排

ＣＯ，５２万ｔ。直接经济损失达７０亿元，如果任由这种状况继续发展，到２０２０年，我国建筑耗能将达到１０８９亿吨标准煤，空调夏季高峰负荷将相当于１０个三峡电站满负荷能力。我国目前处于

太阳能作为一种无污染的能源，同时也是人类可利用的最丰富的能源。在我国约占国土面积２／３的地区年平均辐射总量在３

日照时数超过２

２００

３４０～８４００

１ＫＪ／ｍ２，年

ｈ，相当于１１０～２８０ｋｇ／ｈ标

准煤的热值…。据统计，各类建筑的采暖、空调、

照明等设施消耗了全球１／３的能源，其中主要是

化石能源。世界各国房屋在能源使用中所排放的ＣＯ：约占全球ＣＯ：排放总量的１／３，其中住宅大体占２／３，公共建筑占１／３。目前，我国已建房屋

建设鼎旺期，每年建成的房屋面积高达１６亿～２０亿ｍ２，超过所有发达国家年建成建筑面积的总

收稿日期：２０１２—０３～２２

基金项目：科技部国际合作项目（２０１２ＤＦＨ７０１３０），中央高校基本科研业务费专项资金资助＋联系作者，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｈｏｎｇｍｅｉ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ＣＦＩ

・文献综述・

和，而９７％以上是高能耗建筑。以如此建设增速，预计到２０２０年，全国高耗能建筑面积将达到７００亿ｍ２。因此，如果现在不开始注重建筑节能，将直接加剧能源危机。

除化石能源外，当前日益兴起的核能的威胁也日益明显。２０１１年日本关东大地震引发福岛核泄漏，对全球的生态和生活造成极大危害，核能如果使用不善，将会成为人类极大的威胁，由此，

寻找新型的清洁无污染的能源成为人类生存和发展的日益紧迫的任务。３Ｊ。

结构工程师第２９卷第５期

源组织在１９８６年提出来的，即ＢＩＰＶ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ

ｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｉｎ—

Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ）。它有两种形式：一种是作

为建筑物外部围护结构的一部分，与建筑物同时设计、同时施工、同时安装并与建筑形成完美结合的光伏发电系统，它既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料功能；另一种则是以附着形式安装在现有建筑物上的光伏发电系统，它主要完成

发电任务，与建筑物功能不发生冲突。为将两者

区别开来，中国可再生能源学会光伏专委会建议，

用ＢＭＰＶ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ

Ｍｏｕｎｔｅｄ

中国作为发展中国家，能源消耗逐年增长，其中建筑能耗占到总能耗的３０％左右，因此，研发太阳能在建筑中综合利用的技术，探究太阳能技术与建筑节能的有机结合将具有积极而深远的意

义，发展绿色节能建筑成为当前社会关注的重要议题。在大力节能的基础上推行建筑的太阳能利

Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ）代替原有

的ＢＩＰＶ的广义含义，将第１种形式称为ＢＩＰＶ

（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ

Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ），第２种形式称

Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ）。

为ＢＡＰＶ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ

Ａｔｔａｃｈｅｄ

太阳能光伏建筑是近年来发展起来的一种新兴的能源利用形式，国内外相关部门看到了光伏

用，降低建筑物对传统能源的消耗量是近年来人们的努力方向。

建筑的节能环保、太阳能取之不尽，用之不竭的巨大优势，广泛开展了相关研究计划和推广‘３’４ｏ。

日本在１９９４年实施了“７００００屋顶计划”项目，工程费用相当一部分（５０％）由政府承担。２００３年《可再生能源发电投资标准》规定了可再生能源提供的电量在总发电量中的百分比。这项

立法要求在２０１０年以前可再生能源发电量占全国总发电量的３．２％。

２太阳能光伏板在建筑中的应用现状

将太阳能利用与建筑结合起来的概念不仅是

节能，更进一步是可以发电，创造能源。利用太阳

能为建筑供电、供热，并且在炎热的夏季能隔热，在寒冷的冬季能够提供热水，将大大减小城市用电负荷，甚至能够输入城市电网，成为一种绿电，供千家万户使用。下文将着重介绍太ＩＳＨｎ邑光伏建筑一体化的研究和发展现状。

２．１光伏效应的发展

太阳能光伏技术是直接将太阳光转换为电能

美国于１９９７年实施太阳能“百万屋顶计划”

（Ｍｉｌｌｉｏｎ

ＳｏｌａｒＲｏｏｆｓ

Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ），准备在２０１０年以

前，在１００万座建筑物上安装太阳能光伏发电系统，使美国的太阳能应用技术得到了极大的提高。

德国１９９８年“１０万屋顶计划”，政府提供１０年无息贷款，计划每个屋顶装３－５ｋＷ太阳能电

池阵列等设施，总容量３００～５００ＭＷ。该计划在

的一种发电形式。早在１８３９年，法国科学家贝克雷尔（Ｂｅｃｑｕｒｅｌ）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。１９５４年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制

成了转化效率为６％的实用单晶硅太阳能电池，

２００３年初完成。２０００年，德国政府颁布首部《可再生能源法》，这部法律保证购买和使用光伏发电能源的居民和企业将得到优惠的上网电价。

意大利２００１年“１００００屋顶计划”采用地方政府拨款的形式来促进太阳能光伏发电在建筑中

的应用。

中国２００６年在实施上海“十万个太阳能屋

将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术正式诞生。最初光伏技术主要应用于航空领域。但随着光伏电池制造成本的下降和光电转化效率的提高，光伏技术广泛应用于各个民用领域。２．２国内外光伏建筑应用现状

太阳能光伏建筑一体化的概念最早是世界能

顶计划”。此项目拟分两期完成，第一期２００６年至２０１０年：完成光伏屋顶１万套，每套３

ｋＷ。

装机３万ｋＷ，年发电量３３００万ｋＷ・ｈ。第二期２０１１年至２０１５年：完成光伏屋顶９万套，每套

３

ｋＷ，装机２７万ｋＷ，年发电量２．９７亿ｋＷ・ｈ，总

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２９，Ｎｏ．５

投资１０５．３亿元，部分费用由政府负担。大功率电能相平衡。

３．３光伏建筑中所用常用电池种类

常用太阳能光伏电池可分为硅半导体电池和化合物半导体电池（图２）。

１）硅半导体电池

硅半导体电池中又包分为晶体硅电池（图２（ａ））和非晶硅电池（图２（ｂ））。晶体硅电池包括单晶硅电池（Ｓｉｎｇｌｅ

Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ

Ｓｉｌｉｃｏｎ

Ｓｏｌａｒ

３光伏发电原理和光伏建筑中常用电池

种类

３．１太阳能电池发电原理

太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个ＰＮ结构成。当太阳光照射到ＰＮ结时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，一部分被反射，其余部分被ＰＮ结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热能，另一部分以光子的形式与组成ＰＮ结的原子价电子碰撞，产生电子空穴对，在ＰＮ结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向Ｎ区，空穴驱向Ｐ区，从而使得Ｎ区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。这样在ＰＮ结附近就形成与内建电

场方向相反的光生电场，如图１所示∞Ｊ。

光子能量

Ｃｅｌｌ）和多晶硅电池（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ

ＳｉｌｉｃｏｎＳｏｌａｒ

Ｃｅｌｌ）两大类，晶体硅电池生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。新型的薄膜晶体硅电池能够大大降低晶体硅的用量，但目前还处于研发阶段，

尚未工业化。

非晶硅太阳电池（ａ．Ｓｉ太阳电池）一般采用

高频辉光放电技术使分解硅烷气体沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成，亦称无定形硅太阳电池，简称ａ—Ｓｉ非晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅电池的优点是生产步骤少，易于大面积化生产，成本较低，透光性好，弱光发电性能好，

并且不产生孤岛效应。优良的弱光发电性能，使

Ｉ

二

Ｉ

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其受气候影响较小，可发电时间更长，相比于晶体硅电池，安装角度问题不需要特殊考虑。

２）化合物电池

多元化合物薄膜太阳能电池（Ｔｈｉｎ

ＦｉｌｍＳｏｌａｒ

・

———百．＿—虿——万——］一

图１

Ｆｉｇ．１

。（电子）７、、（空穴）

Ｐ型半曾体

太阳能电池原理示意图

Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

Ｃｅｌｌ）是指用辉光放电法、化学气相淀积法、溅射法、真空蒸镀法等制得的较大面积的薄膜（硅、硫化镉、砷化镓等）为基体材料的太阳电池。ＣｄＴｅ

（碲化镉）太阳电池（图２（Ｃ））和ＣＩＧＳ（铜铟镓硒）薄膜太阳电池＂１（图２（ｄ））。

３．２光伏发电系统分类

光伏发电系统按不同的分类原则有不同的分类方式，一般按是否接人公共电网分为独立光伏系统和并网光伏系统Ｍ。。

独立光伏发电系统是相对于并网发电系统而言的，属于独立的发电系统一般由光伏组件、太阳能控制器、蓄电池等组成。主要应用于偏远无电

地区，其建设的主要目的是解决无电问题。

４与建筑结合的构造形式

太阳能与建筑一体化，目前主要有两种方式：一种是安装型，即在不改变建筑的前提下，将光伏模块安装到结构上，这其实是一种被动的做法，造成这种被动的原因是太阳能设计滞后于建筑及结构的设计与规划。第二种是建材或构件型，是在规划之初就考虑太阳能，将太阳能光伏组件融合到建筑体中，成为外装饰的亮点，由太阳能组件替代部分结构构件，达到节约资源、统一美观的效

果。具体说来，光伏模块与建筑的结合方式主要有以下几种。

并网光伏发电系统是太阳能电池板发出的直流电经过逆变器后，将直流电转变为交流电，最后并人电网中。并网光伏系统由光伏阵列、变换器和控制器组成，变换器将光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并人电网中。控制器控制光伏电池

最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和

功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最

・文献综述・

结构工程师第２９卷第５期

图４遮光型光伏墙实例（来源：ｗｗｗ．ｃｎｅｍｔ．ｃｏｎ）

Ｆｉｇ．４

Ｗｉｎｄｏｗ

ｔｙｐｅ

ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｗａｌｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

光伏墙结构由墙体、墙外围的光伏模块组成，两者之间常设通风管道、进风Ｅｌ、出风口等组成，如图５所示。研究表明，香港地区光伏墙整体热工性能表现最好的空气层厚度为０．０６１ＴＩ，这对于

（ｃ）碲化镉电池（ｄ）铜铟镓硒电池来源：ｎｅｗｓｓｏｌａｒｂｅＣＯｌｌ３）（来源：ｂａｉｋｅｓｏｌａｒｂｅｃｏｍ

光伏墙的设计具有一定的参考价值∽Ｊ。结构构件型光伏墙体，按照冷却形式分主要包括空气流

道式光伏墙和水流道式光伏墙‘１”。１“。空气流道

图２常用太阳能光伏电池

Ｆｉｇ．２

Ｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｓｏｌａｒｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ

式光伏墙－１１ｊ是一种以空气为媒介进行光伏板冷却形式的光伏板墙体，组成部分主要包括建筑墙体、光伏模块、模块与墙体间的通风流道以及流道两端的空气进口和出口，夏季可将热气流导出室外，冬季可将热气流为居室供暖。水流道式光伏墙¨毛是一种以水为媒介进行光伏板冷却形式的光伏板墙体，主要包括玻璃盖板、光伏模块、水流道、绝热层和混凝土墙体。

一

４．１光伏屋顶

光伏屋顶是指将太阳能装置做成光伏瓦、光

伏玻璃等形式覆盖于屋顶、采光顶、天窗等位置，

或是覆盖整个屋面，或是覆盖部分屋面（图３）。屋顶具有日照条件好、不受朝向影响、不易受到遮挡、视觉关系容易把握、可以充分接受太阳辐射等优势，使得办公建筑、住宅建筑、火车站等大型建筑的屋顶和天窗都是各类光伏板的最佳布置部位一

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Ｆｉｇ．５

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Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅｒｏｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

图５光伏墙结构示意图

Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ

４．３光伏玻璃幕墙

光伏玻璃幕墙有安装型光伏玻璃幕墙和建材

型光伏玻璃幕墙。

安装型光伏幕墙一般是在主体结构施工完毕

图３光伏屋顶应用实例（来源：ｄｉａｎｌｉ．ｂａｉｋｅ．ｃｏｎ）

４．２光伏遮阳板、阳台板及墙

安装支承框架，将封装好的光伏组件平板或曲面

光伏遮阳板一般安装在结构门窗上部，一方

面起到遮阳挡效果，一方面能够利用太阳能进行

板安装在建筑外墙上，然后与其他光伏组件如逆变器、蓄电池、控制器、负载等相连。较早进行光伏幕墙应用的有香港可再生能源研究室参与的香港科学园项目，该项目２００４年完工，到目前已有８年，至今运行良好，表明太阳能光伏幕墙发电性

能稳定可靠¨…。北京辉煌净雅大酒店ＬＥＤ多媒

发电。光伏阳台板是将光伏模块作为阳台的挡板，一方面起到阳台的维护作用，一方面起到发电的作用∽ｊ。光伏遮阳板和光伏阳台板工程示意

图如图４所示。

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２９，Ｎｏ．５

体动态幕墙（图６（ａ））¨７｜、保定电谷锦江国际酒店光伏发电玻璃幕墙和广州珠江新城光伏幕墙（图６（ｂ））均是安装型光伏幕墙的应用典范。

建材型光伏玻璃幕墙是将光伏组件与建筑材料集成化，使光伏组件以建筑材料形式得以应用。图６（ｃ）所示的无锡尚能研发大楼的光伏玻璃幕墙为钢结构与光伏玻璃幕墙有机结合的典型工程

实例。

隔热的作用，省却了单独设置保温层的费用。

５太阳能光伏建筑应用的讨论

国外许多发达国家对建筑的太阳能利用研究开展较早，并且从概念到个案、从局部到整体，从实验到实测以及计算机模拟方面都做了相关层次上的研究，且己经取得一定成果，这些国家的太阳能技术在建筑领域中已得到越来越广泛的应用。太阳能技术的利用逐渐从低技术、辅助性向高技术、主导性的方向发展。由简单的供暖能源，向太阳能热水、太阳能发电以及太阳能制冷等方面多元化发展。在实际应用领域太阳房已从被动太阳房向主动太阳房发展，从仅用于偏远地区向城市地区发展，从仅用于单层小型建筑向多层大型建

（ａ）北京辉煌净雅大酒店１．ＥＤ

多媒体动态幕墙ｒ来自再｜｛ｕＨｉｋｉＹｏｒｇｃｎ）

（ｂ）广州珠江新城光伏幕墙（来源ｂｂｓ～６ｃｏｒｎｃｎ）

筑发展，从仅用于居住建筑向公共建筑发展。然而，在实际应用中，太阳能建筑一体化技术仍有很多不尽如人意的地方，如果不加规范，势必造成新的浪费和污染。

５．１光伏模块冷却方式

实际应用中，如果直接将ＰＶ模块铺设在建

ｆｈ）无锡尚能研发大楼

／莱？努ｉ＂４【Ｉ

筑表面，将会使ＰＶ模块在吸收太阳能的同时其温度迅速上升，导致电池效率下降。为尽可能使电池效率保持在较高水平，可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度，这种既能发电又能提供热能的系统即为光伏光热一体化（ＰＶ／Ｔ）系统，当前所应用的主要的冷却方式包括

以下几种：

ｄｉｃｈａｎＣ０１ＴＩ√

图６典型光伏幕墙应用

Ｆｉｇ．６

Ｔｙｐｉｃａｌｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｃｕｒｔａｉｎｗａｌｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

４．４光伏建筑的特点

光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，

无须额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑

１）蒸汽冷却型ＢＩＰＶ／Ｔ系统

光伏模块的蒸汽冷却法基于热管理论，将光伏模块设计为空心的圆形或方形的受控气热管，作为一种蒸发器，冷却液体吸收光伏板产生的大部分热量后汽化，又在热管的冷凝器部分液化后流回蒸发器（即为光伏模块），如此反复循环降低光伏板的温度。热管几何形状和数量的设计主要取决于需要转移的热量和周围的环境状况¨８｜。蒸发换热管主要部分示意图如图７所示。

２）水冷却型ＢＩＰＶ／Ｔ系统

水冷模式是在光伏模块背面设置吸热表面和流体通道，构成光伏光热模块，通过流道中水带

走热量，这样既有效地降低了光伏电池的温度，

来说尤其重要。夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能

作用。

太阳能光伏建筑之所以受到各国的重点关注，是因为ＢＩＰＶ具有许多优点，总结下来，包括：太阳能取之不尽，用之不竭，且清洁无污染，不产生ＣＯ，；可以原地发电并在原地使用，减少输电费用和能量损耗，还可以在发电量富裕时向城市电网供电；光伏建筑一体化节省了单独架设太阳能光伏阵列的费用和空间，并可减少建筑外墙装饰

费用；光伏系统作为建筑的外围护，能够起到建筑

提高了光电效率，又有效利用了余热获得热水。

・文献综述・结构工程师第２９卷第５期

５．２光伏电池的选择

晶体硅光伏电池寿命可达２５年以上，光电转化率较高，实际应用中可达１６％～１７％，但初始投资成本高。因此在光照和周边条件较好的状况下，由于其能创造出更大的电能而常被选用。不

过在太阳辐射照度较强时，光伏电池背面的温度

比较高，为保证其较高的效率，应采取适当方法

图７蒸发换热管主要部分示意图。”。

Ｆｉｇ．７

Ｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ

ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｔｕｂｅ

冷却。

非晶硅的光电转化率为６％～８％，在辐射照度很低和电池温度较高的情况下发电能力强于晶体硅，这点使得非晶体硅电池在辐射条件欠佳的条件下更具有优势。但是从转化效率来看，单位面积的产能仅为晶体硅的一半左右，并且非晶体电池的寿命在１０年左右，不到晶体硅的一半，因此初始投资虽然便宜，但长期来看，整体经济性不如晶体硅，仅在替代寿命相当的建筑构件如玻璃幕墙时才能显示出优势。

薄膜光伏电池目前还在试验阶段，尽管许多研究表明，在受控的试验环境下，由于薄膜光伏电池具有更低的温度系数及更高的低光效率，其光电转换效率比晶体硅高５％～２０％，但在实际情况下，这一优势明显降低，原因可能是实际情况中室外光线的强度、温度及光谱之间存在耦合作用，

３）空气冷却型ＢＩＰＶ／Ｔ系统

有通风流道的光伏系统包括建筑墙体、光伏模块、模块与墙体间的通风流道以及流道两端的空气进口和出口。空气冷却型ＢＩＰＶ示意图如图８所示。在大多空气型ＰＶ／Ｔ系统中，比光伏组件温度低的空气（通常为环境空气）在位于光伏组件背面与绝热墙壁之间的空气通道内流动¨９Ｉ。

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图８空气冷却型ＢＩＰＶ示意图‘２叫

Ｆｉｇ．８

Ｄｉａｇｒａｍｏｆａｉｒ—ｃｏｏｌｉｎｇｔｙｐｅＢＩＰＶ

—Ｉ

室内

也可能是因为多项研究又否认了薄膜电池具有更高的低光效率。薄膜电池虽颜色和视觉效果丰富，但其寿命不超过１０年，且技术不稳定，因此

折旧很快，目前的技术还难以作为主导建筑用光伏电池。

蒸汽冷却型光伏系统在冷却过程中由于需要特定的冷却液，以及冷凝装置，从而可能造价

不菲。

５．３光伏电池与结构的结合

安装型光伏系统是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，称为附着光伏建筑ＢＡＰＶ系统，这种方式与建筑物的使用功能不发生冲突，不影响原有建筑物的功能，适用于既有建筑的改造。但是，安装型光伏幕墙俗称“一体化，两层皮”，其缺点有：①光伏板通过支承框架安装在建筑外墙表面，光伏系统需要独立于结构增加玻璃和支承结构，同时给结构增加相应的附加荷载，不经济也不利于抗震；②光伏组件由钢框架支承，设计时需要考虑其所承受的重

力荷载、风荷载和地震作用，这些荷载需要传到主

水冷型冷却系统一般需要额外耗电以带动水泵进行水循环，在太阳能发电的同时也消耗了一定电能，且在北方寒冷的冬季，水会面临冰冻的

尴尬。

通常情况下，空气冷却型热吸收系统是通过位于光伏组件背面的直接热接触进行自然或强制对流换热，热效率取决于空气通道的深度、空气流道形式和流通速度。因为空气的密度较低，导致空气型ＰＶ／Ｔ系统的热吸收率不及水型ＰＶ／Ｔ系统高，但运行费用比水冷式少。

体结构上，需由主体结构来承担这些额外荷载；③

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２９，Ｎｏ．５

由于光伏板单独设置支承结构，所以结构要进行受力设计和测试；④建筑外表面使用大面积的安装型光伏幕墙影响居住的采光和视野。

“建材型”和“构件型”太阳能光伏建筑说用

光伏模块直接代替建筑物的构件或建筑材料，与

建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏建筑一体化ＢＩＰＶ

（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ

Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）系统。这种形式

可以与建筑物形成完美的统一体，适用于新建建筑。然而，建材型光伏幕墙俗称“一体化，一层皮”，其缺点有：①其发电功能和建筑功能往往有

矛盾，难以兼顾。１７Ｉ，光伏板要求通风降温，不要用

中空玻璃，而建筑节能却要求用中空玻璃；②采用中空玻璃时爆裂现象频发，在高层结构中将对生命财产造成巨大危害；③无论光伏还是密闭任一功能失效，都要更换玻璃，维修概率高；④并非电路原因损坏的更换也要牵涉电路，更换程序麻烦；⑤作为高层建筑的维护构件，该形式的安全性仍

显不足。

国内的研究均侧重于技术的介绍以及案例的

分析，其中最具有代表性的就是太阳能热水器系统，而对太阳能建筑一体化的研究仍刚刚起步。太阳能技术与建筑一体化的研究也主要针对太阳能热水系统，发展也较单一，对未来太阳能发展的重要趋势——太阳能光电技术则较少涉及，太阳能系统的生产企业、工程与系统集成企业、研究开发单位为太阳能技术的发展做出了卓越的贡献，却因为我国太阳能建筑缺乏跨领域、跨行业、跨专业的应用研究，极大程度地限制了太阳能与建筑一体化的进一步发展。且现阶段一体化研究的范围较单一，以公共建筑这样的能耗大户为研究对象的也较少，阻碍着绿色建筑在全国范围内的全

面推进‘２１Ｉ。

太阳能光伏板发电是建筑物利用太阳能的有

效方式，但现有研究和应用未考虑光伏建筑抗震性能的问题。目前，太阳能光伏板发电技术与建筑结合的两种方式——建筑与光伏系统相结合型以及建筑与光伏组件相结合型均没有考虑过抗震的问题，国内外为数不多的结构构件型光伏墙体的研究也仅停留于能量转化效率的研究上。当地震来临的时候，这两种形式的光伏组件容易失效，

且易破坏和掉落而造成次生灾难，特别是在高层、超高层建筑中，与建筑墙体结合的光伏组件往往会成为地震隐患心２。。多种光伏墙的支撑组件对

剪力墙抗震承载力没有贡献，且增加了剪力墙的负荷，不利于抗震。

现有研究缺乏从全寿命角度对光伏建筑的整体结构设计方法。目前正在应用的多数光伏建筑未曾多学科多角度地全面考察光伏组件及其连接件的承载能力、耐久性、施工性能等，而且其预埋件多，需要定期检修和更换，在实际应用中还存在

诸多问题。

６结语

在当前全球范围内的能源危机日趋严重的情况下，作为新能源之一的太阳能不容忽视，利用太阳能发电即光伏发电技术是目前发展最为迅速、前景最为看好的可再生能源产业之一，我国地域辽阔，太阳能资源丰富，发展光伏能源产业更是意义重大。目前光伏建筑一体化的应用主要体现在光伏屋顶、光伏遮阳板、阳台板和光伏幕墙方面，但在光伏板与结构的结合方式、结构设计方法、抗震能力等方面仍缺乏研究，为切实促进光伏建筑

在实际工程中的推广应用还应加强这些方面的研究。

２０１３年我国最大的太阳能光伏电池板加工企业无锡尚德的破产重组也可以表明中国的光伏产业不能盲目上马，掌握高端核心技术，规范化管理才是我国光伏产业的发展之路。

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太阳能光伏建筑一体化研究现状综述

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

章红梅， 师振华， 刘松， 董金芝， ZHANG Hongmei， SHI Zhenhua， LIU Song， DONG Jinzhi同济大学结构工程与防灾研究所,上海,200092结构工程师

Structural Engineers2013,29(5)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jggcs201305029.aspx