光伏發(fā)電技術(shù)是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的清潔、穩(wěn)定、高效的綠色能源形式 。將光伏與建筑結(jié)合是我國(guó)解決建筑用能、實(shí)現(xiàn)建筑零能耗運(yùn)行的重要手段。    

建筑分布式光伏系統(tǒng)可分為建筑附加光伏 (BAPV)和光伏建筑一體化 (BIPV)。前者為傳統(tǒng)的建筑光伏應(yīng)用方式，將光伏產(chǎn)品附加在建筑屋頂，主要為后期增設(shè)，系統(tǒng)造型與建筑外觀不協(xié)調(diào)，安裝方式對(duì)建筑安全性帶來(lái)較大隱患。光伏建筑一體化 (BIPV) 要求光伏系統(tǒng)與建筑同步設(shè)計(jì)、施工，光伏與建筑完美融合，在充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)、功能特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)能，為建筑使用或接入市政電網(wǎng)，從而提高太陽(yáng)能在建筑中的利用率 。

圖 1 建筑效果圖

 考慮建筑與周邊建筑群空間關(guān)系，應(yīng)用 Revit 軟件對(duì)建筑及周邊建筑群

進(jìn)行建模，并開展建筑表皮太陽(yáng)總輻射年輻照量仿真計(jì)算，結(jié)果如圖 3 所示。

由圖 3 所示，建筑塔樓屋面及裙樓屋面年輻照量?jī)?yōu)于建筑立面，其中塔樓屋頂不受周邊建筑遮擋影響，最宜應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)。裙樓屋面因周邊建筑及自身塔樓遮擋影響，呈現(xiàn)南側(cè)屋面年輻照量?jī)?yōu)于西側(cè)屋面的特點(diǎn)，綜合太陽(yáng)總輻射年輻照量?jī)H次于塔樓屋面。

建筑塔樓屋面及裙樓屋面為接收太陽(yáng)輻照最優(yōu)點(diǎn)位，宜選用技術(shù)成熟、光電轉(zhuǎn)換效率高的標(biāo)準(zhǔn)單晶硅光伏組件實(shí)現(xiàn)有限鋪設(shè)空間下的最大光伏產(chǎn)能（見圖 4）。此外，案例建筑裙樓及塔樓設(shè)有屋頂花園，對(duì)于有采光、展示等功能需求的空間，可選用透光類單晶硅光伏組件打造光伏采光頂，兼顧采光、發(fā)電功能。

圖 4 單晶硅光伏采光頂實(shí)景圖

圖 5 建筑立面遮陽(yáng)及點(diǎn)位

  多層遮陽(yáng)板之間存在相互遮擋情況，需結(jié)合輻照量分析、應(yīng)用形式等方面開展綜合分析，以確定遮陽(yáng)板間距、光伏組件類型，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等使用要求。     采用 Revit 軟件對(duì)建筑塔樓標(biāo)準(zhǔn)層遮陽(yáng)設(shè)施進(jìn)行精細(xì)化建模仿真，測(cè)算遮陽(yáng)構(gòu)件縱向間距在 700mm、800mm、 900mm、 1000mm 以及 1100mm 情況下接收的太陽(yáng)總輻射年輻照量，結(jié)果如圖 6、圖7 所示。

圖 6 遮陽(yáng)板太陽(yáng)總輻射年輻照量云圖

圖 7 遮陽(yáng)板不同縱向間距下綜合太陽(yáng)總輻射年輻照量

根據(jù)上述結(jié)果，建筑遮陽(yáng)接收太陽(yáng)總輻射年輻照量隨遮陽(yáng)板縱向間距增加而增大，但效果逐漸弱化。綜合考慮建筑采光、空間視覺、輻照量水平等因素，遮陽(yáng)縱向間距設(shè)置為 1100mm。
     考慮遮陽(yáng)板之間的相互遮擋情況，宜選用受遮擋影響小、弱光發(fā)電性能更優(yōu)的碲化鎘薄膜光伏產(chǎn)品。特別地，案例建筑采用集成遮陽(yáng)的單元式幕墻系統(tǒng)，要求光伏組件在集成應(yīng)用過程中與幕墻分隔模數(shù)一致。根據(jù)不同光伏組件生產(chǎn)工藝區(qū)別，在光伏組件模數(shù)定制化應(yīng)用過程中，碲化鎘薄膜光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率受組件模數(shù)影響更小。因此，對(duì)于建筑立面多層遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)集成光伏應(yīng)用以碲化鎘薄膜光伏產(chǎn)品為宜。

圖 8 建筑塔樓屋頂光伏組件布置圖

圖 9 建筑裙樓屋頂光伏組件布置圖

表 1 單晶硅光伏組件參數(shù)表

圖10 建筑橫向裝飾翼光伏組件應(yīng)用效果圖

同時(shí)，考慮超高層建筑應(yīng)用及地區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn)，選用鋼化玻璃表面的 BIPV 光伏產(chǎn)品 (TP6+1.52PVB+CdTe3.2mm +1.52PVB+TP6)，提高組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免因臺(tái)風(fēng)、冰雹等自然災(zāi)害引發(fā)組件碎裂的問題。此外，在光伏組件下方設(shè)置穿孔鋁板，作為光伏組件防脫落措施，保障行人安全。穿孔鋁板也可為光伏組件提供良好通風(fēng)條件，避免組件背板溫度過高而引發(fā)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
基于以上措施，保證建筑遮陽(yáng)光伏系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，見圖 11。

圖 11 建筑幕墻橫向裝飾翼光伏組件布置節(jié)點(diǎn)圖

組件參數(shù)信息如表 2 所示。

3.4 建筑光伏系統(tǒng)減碳效果評(píng)估
     根據(jù)廣州市全年太陽(yáng)輻照與環(huán)境溫度，綜合考慮建筑立面不同朝向的遮擋、幕墻橫向裝飾翼間相互遮擋、逆變器的功率損耗、線纜功率損耗等因素，計(jì)算建筑光伏系統(tǒng)首年發(fā)電量為 65.34 萬(wàn) kWh，單位建筑面積發(fā)電量 7.52kWh/m²，其中建筑幕墻橫向裝飾翼光伏系統(tǒng)發(fā)電量占比 69.31%、塔樓屋頂非透光光伏系統(tǒng)發(fā)電量占比 17.22%、裙樓屋頂非透光光伏系統(tǒng)發(fā)電量占比7.02%、塔樓屋頂透光光伏系統(tǒng)發(fā)電量占比 6.46%，如圖 12 所示。

圖 12 建筑光伏系統(tǒng)發(fā)電量占比

考慮光伏組件的生命周期為 25 年，以首年衰減率2%，第 2~25 年逐年衰減率 0.45% 為測(cè)算依據(jù)，計(jì)算建筑光伏系統(tǒng)全生命周期發(fā)電量為 1525.17 萬(wàn) kWh，年平均發(fā)電量為 61.01 萬(wàn) kWh，見圖 13。     結(jié)合建筑本體節(jié)能、主動(dòng)能效提升、可再生能源應(yīng)用等專項(xiàng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了建筑能耗綜合值 29.36 kWh/m2·a，建筑本體節(jié)能率 51.0%，綜合節(jié)能率61.0%，可再生能源利用率 25.4%，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)近零能耗建筑的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論
     大型公共建筑體量大、能耗高，具備較高的節(jié)能潛力。大力推廣超低、近零甚至零能耗建筑將是踐行我國(guó)建筑領(lǐng)域雙碳戰(zhàn)略的重要途徑。其中建筑光伏一體化 (BIPV) 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)能、助力光伏在建筑中高質(zhì)量應(yīng)用、支撐建筑滿足近零能耗目標(biāo)的必要手段之一。本文結(jié)合夏熱冬暖地區(qū)某超高層公共建筑，深入挖掘光伏建筑一體化 (BIPV) 技術(shù)的應(yīng)用潛力，梳理總結(jié)同氣候區(qū)、同類型建筑中 BIPV 技術(shù)應(yīng)用路徑總結(jié)如下：

（ 1）宜充分利用塔樓及裙樓屋面等水平面太陽(yáng)輻照資源，優(yōu)先選用效率更高的晶硅類光伏組件結(jié)合屋頂花園等場(chǎng)景打造光伏采光棚等場(chǎng)景，提高建筑光伏系統(tǒng)發(fā)電量。

（ 2）超高層建筑立面空間是提升建筑光伏系統(tǒng)產(chǎn)能的重要潛力資源，同時(shí)建筑遮陽(yáng)作為夏熱冬暖地區(qū)建筑被動(dòng)式節(jié)能的必要措施，固定外遮陽(yáng)已然成為 BIPV 技術(shù)應(yīng)用的最佳場(chǎng)景。

（ 3）超高層建筑遮陽(yáng) BIPV 系統(tǒng)，宜優(yōu)先應(yīng)用鋼化玻璃表面的光伏產(chǎn)品，最大限度降低組件受自然條件下產(chǎn)生的動(dòng)荷載的影響，同時(shí)在組件下方設(shè)置穿孔鋁板，保障建筑光伏系統(tǒng)運(yùn)行安全。