建筑光伏系统的技术壁垒

　　光伏系统是利用太阳能电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统，发展至今，应用已经非常广泛，从早期偏远无电地区的光伏独立系统，到现今西部地区如大海一般一望无垠的地面光伏电站，从农业到军事、从交通到建筑、从通信到渔业，无处不见光伏的身影。无论怎样划分形形色色的光伏系统，从载体上来区别最大的两个领域无非是在地面上安装光伏系统和在建筑上安装光伏系统，而在建筑上安装光伏系统又根据二者的结合程度不同分为：屋顶附加光伏系统(BAPV，—Building attached photovoltaic)以及光伏建筑一体化(BIPV，-- Building integrated photovoltaic，通常的理解为：对于光伏系统与建筑物实行一体化的规划、设计、制造、安装和使用的与建筑良好结合的系统为BIPV。反之，简单地附着在建筑上，主要功能是发电，与建筑物功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物功能的则为BAPV。但如果要对BIPV作更深层次的理解则应该是：可以与建筑围护结构浑然一体，不可分割且不影响围护结构的其他功能，如美观性、安全性、采光性、通风性、舒适性、水密气密性等的系统才能称为真正的BIPV系统。二者之不同导致设计思路、施工安装的专业整合、投资回报等方方面面的不同。下图按照光伏能源系统的应用进行了分类，常常有投资者问：在建筑屋面上安装光伏系统和地面上安装有啥区别啊?不就是把光伏系统从地面搬到了屋面吗?都是在建筑上安装，BIPV与BAPV又有什么不同呢?本文将详细分析这三者之不同，有助于让投资者、设计者、安装者了解更全面清楚地理解建筑光伏系统，同时清楚建筑光伏系统的技术壁垒。

　　一、 BIPV与BAPV的不同

　　除了从概念上理解的不同以外，还应从投资、设计、施工、运行等全方面去理解：

　　(1)一体化设计：光伏建筑一体化系统的成本跟建筑物的设计阶段以及光伏电池与建筑装饰材料生产过程的结合程度有很大的依赖关系。 。如果能让建筑师了解、熟悉、并认可光伏，他们就能在概念设计时加入太阳能的元素，这在欧州国家，尤其是以节能环保（词条“节能环保”由行业大百科提供）著称的德国是司空见惯的，每一栋新建建筑都会充分考虑并加入太阳能尤其是光伏的元素，这样的理念和对光伏的认可是贯穿业主、投资者、设计师、施工方等所有建筑从业者的。这样的高度一致性就自然产生了高度一体化的光伏建筑，光伏介入得越早，光伏就越能充分利用建筑这个载体，发挥作用，增量成本就会越低。所以，有人说BIPV是个非常昂贵的东西，这是错误的，BAPV系统可以说投资的每一瓦对于原建筑来说就是增量投资，而获得的收益就是其发出的电，是最简单的发电设备投资分析;而BIPV的一体化做得的越好其产生的效益就越大，可以不仅仅利用其发电性能，还可以是装饰性、围护性能以及对光伏发电（词条“光伏发电”由行业大百科提供）产生的热能的利用。

　　(2)建筑设计：BAPV系统除了需要考虑建筑及其构配件对光伏的遮挡以外，很少涉及建筑设计，但BIPV系统直接替代建筑构件，建筑设计是重中之重。要建造一座完美的光伏建筑，尤其将太阳电池作为建筑装饰材料去实现建筑的某些功能要求，除了一体化的规划设计以外，细节就表现在一体化的建筑设计上了。“什么样的建筑选用什么样的外饰材料”，这是以建筑为本的设计;“选用什么样的外饰材料使之成为建筑的主题”，这才是一体化的优秀设计。2010年的上海世博会上处处可见这样的建筑：藤条做的西班牙馆“藤条篮子”、 透明混凝土（词条“混凝土”由行业大百科提供）做的意大利馆“人之城”、木格栅做的加拿大馆“枫叶印象”、纸塑复合材料做的芬兰馆“冰壶”、氧化铁做的卢森堡馆“森林和堡垒”、膜结构（词条“膜结构”由行业大百科提供）的中国气象馆“云中水滴”、PVC膜做的中国航空馆“云”等等，英国馆 “种子神殿”的设计师这样说“我要用一种光纤管的材料来实现我的建筑”。他们先选择了材料然后才有了以这种材料为主体的建筑创意。优秀的光伏建筑一定要走一体化设计的道路，建筑师先确定了某种形式的光伏构件（词条“构件”由行业大百科提供），然后根据太阳电池本身的特点，如朝向、背面温升、电池颜色和形状尺寸的特点等等，去思考应该设计一座怎样的建筑才能与之相配，这才出现了建筑形态和立面。这是一门相对于传统建筑来说更有科技含量，更需要多专业配合的建筑艺术。很明显，即便是简单的屋顶电站，也不等于太阳能光伏系统加建筑，无论从美学、结构、功能还是接入，都不单单是简单地的相加;。而是应该满足建筑的节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程的基本建设程序，同步规划、同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用，同步后期管理，同寿命周期、统一考虑拆除和回收，使其成为建筑有机组成部分的一种理念。其核心是需要一体化的设计、制造、安装，而辅助的技术则包括了能量审计、成本控制等。由于太阳能光伏发电与建筑的结合技术在世界范围内都是属于比较前沿的课题，和中国几百年的建筑经验相来比较，还缺乏很多经验数据和科研课题。因此，目前的光伏建筑系统设计还没有太多系统的规范和标准可以参考和执行。从事光伏建筑设计的设计师大多依赖国外的参考书籍和一些产品标准，再根据以往的一些工程经验进行摸索和设计。但有一点是肯定的，这是一门需要多专业配合的学科，至少包括了四大专业：建筑、结构、机械、电气，缺一不可。按从光伏建筑应用方式可以分为光伏屋顶系统、光伏立面系统、其它光伏系统三大类型，其他中光伏立面主要包括各种光伏幕墙产品和光伏遮阳产品，比如做成立面光伏玻璃(采光光伏幕墙)，层间隔板系统(非采光光伏幕墙)、光伏栏杆、光伏百叶、光伏遮阳板、光伏雨篷等。光伏屋顶系统除了最简单的屋顶电站以外主要包括光伏瓦、轻钢屋面板外附光伏系统、瓦屋面外附光伏系统、光伏采光顶、光伏屋面卷材等。其它系统还有光伏小品、光伏停车棚、光伏候车亭、光伏造型雕塑等。可以看出BIPV种类繁多，除了满足光伏系统发电功能所需满足的电气性能以外，各种类型所对应的建筑物理性能也必须满足。建筑光伏构件在建筑中的作用及分类，决定其需要满足的建筑性能，如下表：

　　注：1 表中●——必检项;◎——可检测项;○——需考虑项;

　　2 可检测项及必检项下方的标准代号表示：该项性能应满足括号中标准中第几条的要求;

　　3 其它建筑光伏构件根据其在建筑中的作用，应满足刚度、强度、防护性能及相应建筑部位的性能要求。

　　无论采用哪一种形式，光伏建筑的应用首要前提是在不影响整个建筑外观和结构的情况下针对建筑内的负载或能耗能够最大程度上地的将能源有效利用。因此，我们把建筑设计中对建筑的理解作为设计重点——要保证建筑物不因光伏系统的附加而影响其安全性、艺术性和功能性。这也是BIPV为什么把“B”放在前面的原因。：

　　(3)结构设计：对于BIPV的结构设计，一般会参照建筑幕墙、采光顶或遮阳标准，这些标准实施多年，有经验、科学性，行业认可度高，没有太多的异议，而对于BAPV的结构研究却是一个全新的、，被行业忽略的领域，尤其是风荷载的取值。所以，作为技术壁垒在第三章会对整个光伏建筑光伏的结构问题进行一个剖析和阐述。

　　(4)建筑功能：如前面所述，BAPV主要只是实现了发电功能，而BIPV除了需要达到发电要求以外还需要满足其所在建筑部位相应建筑功能的所有物理性能，我们会在3.6节按照建筑部位的分类详细分析其相应的建筑性能要求。

　　(5)光伏组件与构件：显然，BAPV一般会采用厂家提供的标准光伏组件，而BIPV则必须采用通过专门的设计、定制加工的光伏构件，与建筑物的梁、板、柱一样，光伏组件在建筑中被称之为“构件”，标准中的定义为：工厂定型生产、满足安装部位建筑功能要求并具有光电转换功能的组合构件。对于不同的电池类型，室内外装饰效果截然不同，需在初步方案设计时甚至项目规划初期，根据建筑功能、风格全面考虑，和谐统一，使光伏系统融入于建筑中，浑然一体，避免后期确定带来的设计败笔。同时，采用电池板类型不同，相同面积下的电池板安装功率也不同，即最终发电量也不同。如果按相同电池板安装功率，所需数量(面积)也各不相同。故需在建筑初步设计时首先确定电池板的类型、数量、尺寸、形状、颜色、透光率等。

　　在实际应用中，光伏构件与光伏组件存在着下表所述的区别，也而反映出光伏构件存在的实际问题：

　　从上表可以看出无论是普通的晶体硅光伏组件还是薄膜光伏组件，从国际到国内都有成熟的被广泛认同的标准在执行运用，有配套的实验室作做检测，有完善的认证评估体系，全世界有非常非常多的案例可参考借鉴。但是，“光伏构件”这个名词是近年来才被建筑师所提出来的，在国外叫做“BIPV module”。除了1.3.3.1和1.3.3.2提到的光伏夹层玻璃和光伏中空玻璃被发明出来的时间稍长以外，很多新型的设计出来却是光伏组件北京火车南站要满足电气和建筑要求严格。很多创新的光伏构件是根据不同建筑的需求而提出的，不但需要满足电气和建筑物理性能的各项性能要求，还承载着建筑独特的单一性，如尺寸、颜色、电池排布等，对不同的建筑部位还可能有一些更特殊的要求，如防火、隔音等。

　　对电池的要求主要是转换效率高、工作性能稳定。对组件的要求主要是符合建筑要求，包括强度、外观、尺寸等，对不同的建筑还要符合一些特殊要求，如防火、隔声音等。

　　由于没有健全的产品标准和检测标准，很多新型的光伏构件都属于试制、示范阶段，有待时间的考证。尽管如此，也有很多对建筑和光伏两个领域都深感兴趣的人士发明了各种各样的光伏构件，各种面板、各种背板、各种颜色的胶片、各种形状等等，见下图：

图1多彩多姿的光伏构件

　　对于BIPV光伏构件在发达国家在建筑上的应用应引起足够的重视，还需要进一步提高光伏建筑一体化应用技术，完善维护的及时性、应急处理、表面破裂、漏电保护等不确定因素的解决方法。在目前尚无相关技术标准规范的情况下，应正确地认识和理解光伏建筑一体化技术，合理地应用，以实现光伏系统与建筑的良好结合。

　　二、1.1.2 BAPV与地面光伏系统的不同：

　　(1)(结构安全性：地面光伏系统与建筑屋顶光伏系统的安全要求显然不同，简单说，如果屋面光伏系统被风吹翻甚至吹落屋顶，那么轻则有可能损坏建筑上的其它设备，重则发生人生安全事故，所以结构设计的重要性不一样，这一点可以参考后面的具体描述。所以屋面光伏系统应根据不同地区、不同高度的建筑所承受的外荷载值，尤其是风荷载、雪荷载等进行强度验算，以确保从光伏组件到支撑系统到主体结构的强度均满足设计要求。

　　(2)电气设计：光伏屋顶电站通常为分布式光伏能源应用，一般为低压侧并网，即发即用，余电上网。而光伏地面电站却多数为集中电站，需要升压远程输送。因此电气设计有很大的不同，如逆变器的选择：BAPV选择的逆变器多以小型组串式逆变器和中型逆变器为主，有些还采用微型逆变器，而光伏地面电站多数选择大型集中逆变器或中型组串式逆变器;并网点不同：屋顶电站可能会多点就近并网，而地面电站则通常为单点集中并网;设备房：建筑光伏系统的设备间通常由建筑主体提供，所以必须同时满足建筑本身的要求，而地面电站通常需要单独建造，满足电气设备房的要求即可;光伏线缆敷设：建筑光伏系统的设备房通常在地下室，因此，必须考虑光伏线缆垂直和水平两个方向的敷设路由，而地面电站一般不用考虑垂直方向的敷设;接入设计：地面电站通常需要二次系统继保设计、与上一级电站通讯并接受调度，而屋顶电站一般不需要。

　　(3)(阴影分析：地面光伏系统多安置在空旷地面上，光伏方阵的阴影分析只需考虑光伏组件的前后排遮挡和集电线路、避雷针、逆变小室、中控机房等的局部遮挡。而建筑屋顶系统的阴影分析却复杂很多，树、广告牌、女儿墙、屋顶设备、烟囱、相邻建筑的日照遮挡等等。不能只用计算光伏阵列的间距、倾角等标准公式计算，还可能需要使用专门的阴影分析软件，常用的有生态建筑分析软件(Autodesk Ecotect Analysis)或草图大师(SketchUp)等软件。

　　(4)(施工安装：建筑屋顶光伏系统的施工安全显然要求比地面光伏系统多而严格，除需满足电气施工要求以外还必须满足建筑施工安装的各项要求。尤其是在高层建筑屋顶上进行施工，必须满足建筑安全施工的各项要求。例如：高层焊接、防火、防坠落等必须按要求做足各项施工安全措施;项目班子必须按照“建筑施工8大员”配备;要服从总包管理和监理监督等等。但是地面光伏系统多数为电气设备安装，只需满足电气行业的安全施工要求即可，当然，也需要考虑安装支座（词条“支座”由行业大百科提供）或桩的沉降变形（词条“变形”由行业大百科提供）、空旷地区的风荷载对施工过程的影响。

　　(5)(系统防雷：建筑屋顶光伏系统的防雷通常是将电站防雷与建筑主体防雷系统相连接，属于围护结构防雷的一般做法;而对于地面光伏系统，由于它没有所谓的主体，则须构造单独的防雷系统，其做法类似于建筑上的主体防雷。

　　(6)(附着面：无论是金属屋面、瓦屋面还是混凝土屋面上的屋顶光伏系统，电站施工前的施工面往往是相对平整的，不需要额外的平整处理，而地面光伏系统在施工前地面都不可能做到完全平整，因此在施工前需进行土地平整，这相对于屋顶电站增加了成本和工作量，此估价是需要单独考虑的。

　　(7)(施工配套：建筑屋顶光伏系统的施工多在主体结构建筑基本完工时进行，用水用电通常可以通过既有土建施工用水、电或建筑本身的水电来保证，但地面电站则不能享受到这些“优惠”，尤其在偏远地区施工时需要对工地的临时用水、用电进行专门的设计和考虑。

　　(8)(基础沉降：与屋顶光伏系统直接修筑在主体结构上不同，地面光伏系统须直接建在稍加修整的天然地面上，因此，地面的不均匀沉降是一个不可回避的问题。如果设计时考虑不周，极有可能造成条形基础开裂和光伏组件支架变形、光伏子阵间遮挡或者光伏子阵朝向不一致等。

　　(9)(商业模式：大型地面电站的商业模式单一，光伏所发全部电量出售给电网，享受光伏标杆电价;而建筑光伏一般安装在负荷中心和用电侧，属于分布式发电系统，商业化模式多样：全部卖给电网，享受标杆电价;自发自用，余电上网;全部自用;净电量计量等。

　　三、技术壁垒

　　无需置疑，结构安全是建筑存在的前提。但安全性过高又会带来经济性的降低，在保证系统安全的同时又能将结构造价降至最低，才能推动建筑光伏行业的健康发展。由于建筑是人类活动最为频繁和密集的地方，光伏屋顶电站所需要的安全性能远比光伏地面电站要严格和重要得多，这就需要专门的结构师对系统作整体的计算和设计，在光伏系统总承包领域，拥有注册结构师的公司应该屈指可数。而光伏屋顶电站的结构设计标准的缺失导致了光伏系统的结构设计混乱，参考现有标准的设计结果是：如果所有指标全部按照“低配”取值，无疑是非常不安全的;如果全部按照“高配”取值，又是非常不经济的。这就需要大量的工程实践经验再配合理论进行设计考虑，重点主要体现在以下几个方面：

　　(1)结构安全等级不明，可靠度指标不确定;

　　众所周知，结构设计前必须确定结构的安全等级，进而根据其安全等级确定它们的目标可靠度指标(在设计中是确定安全等级对应的重要性系数)。

　　《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001根据基于概率的设计方法，规定采用结构可靠度指标β值，作为结构失效的基本判据，其定义为：

　　对于不同类型的结构，《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001表3.6.1(如下表)有不同的规定：

　　结构构件承载能力（词条“承载能力”由行业大百科提供）极限状态的可靠度指标

　　注：当承受偶然作用时，结构构件的可靠度指标应符合专门规范的规定。

　　因此，通过分析确定光伏电站的结构类型，进而确定其对应的可靠度指标在实际设计中是到头重要的，它关系的结构的失效概率，然而实际情况是，大多数设计都并不清楚，应该采用何种安全等级，目标可靠度应定为多少。

　　(2)风荷载计算：

　　首先来看荷载计算，《建筑结构荷载规范》GB50009的第7章风荷载给出了两种结构形式的计算公式，一种为：主要承重结构，另一种为：围护结构。同一个案例两个公式计算得出的结果相差甚远，以假设B类地区某钢结构（词条“钢结构”由行业大百科提供）构筑物长5m，宽5m，高10m为例来计算，结果如下表：

　　可以看出：

　　1. 基本风压如果取25年重现期，荷载降低11%--13%，对主要承重结构的风振系数稍有影响。

　　2. 主要承重结构的风振系数与围护结构的阵风系数相比，降低约30%。

　　3. 体型系数影响降低30%。

　　综上：按“低配”设计比按“高配”设计风荷载降低55%--58%，意味着支撑系统的设计会降低一半。

　　光伏屋面系统的结构形式显然不属于围护结构，当然也不是主体结构，那么究竟应该如何计算?如果屋面附加的光伏系统出现破损时对人员的伤害概率相对于主体结构和围护结构来说都不算太大，那么在做承载力校核时结构构件重要性系数，是否可取为0.9?或者综合两个问题同时研究得出综合结论呢?当然在保证安全的前提下我们希望取低者。因为无论是新建建筑还是改建建筑，光伏系统在建筑中大量的应用还是在屋面上附加，经济性的评价是实现大面推广的前提。今年电池板的价格已经降到了谷底，光伏屋面电站的系统成本成为争取项目的重要指标，可以说系统集成每瓦以毛为单位在衡量。这个时候，安全前提下的经济性就显得尤为重要。正在修编的《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ203在编制组的努力下试图解决荷载取值问题，业内共同在期待着本标准的发布。

　　(3)光伏构件的热应力的考虑

　　由于太阳能电池在发电的同时还会存在背面温升的问题，也就是说光伏构件相对于普通玻璃来说自身的昼夜温差、冬夏温差更大，产生的温度应力和形变更加不可忽略。设计中玻璃面板的缝宽应满足面板温度变形和主体结构位移的要求，并在嵌缝材料的受力和变形的承受范围之内。入槽的光伏构件边缘至边框槽底的间隙如果设计不够就会造成光伏构件的热应力得不到释放而挤压破裂，而显然《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102中的4.3.12条给出的公式是没有考虑温差形变的，只能作为参考。在国家标准给出这个间隙的新的计算公式以前，支撑系统的设计就需要工程经验了。

　　(4)既有屋面支撑系统的结构设计

　　我国现有大约400亿m2的建筑面积，屋顶面积40亿m2，利用既有建筑闲置屋面加装光伏系统，成为光伏建筑的一个庞大分支。这种安装形式有效利用屋顶资源，简单易行，值得提倡。但是这种二次安装没有统一的标准和规定，对现有建筑物的屋顶的防水（词条“防水”由行业大百科提供）和承重破坏比较严重，其次系统本身的结构设计也是一个重点，一定不能与地面电站划等号。为了不影响原有屋面的防水保温功能，支架基座不一定与建筑物主体结构有连接，但规范应强制规定这种结构必须控制系统整体的抗滑移、抗倾覆能力，这个计算办法规范并没有给出，也不是简单的一个公式可以算出，这就需要专业的结构设计师进行专项设计计算了。同时在9度以上地震地区需要考虑竖向地震力的情况下不宜设置与主体结构无连接的屋面光伏系统。

　　特别补充：对于地面电站，安装环境通常为风压较大的的荒漠地区，因此，抗倾覆验算更加是必不可少的。然而，由于混凝土基础与地基都不可能做到完全刚性，因此，其验算中对之取矩的点不能取在基础的边缘，而应稍微偏内侧一些，但内移的距离，现在尚无相关的实验参数，能否参照目前的普遍建筑的规范也需要进一步论证。

　　(5)金属屋面支撑系统的结构设计

　　由于直立锁边点支承屋面系统被广泛用于机场、铁路站房、会展中心、体育场等占地面积大的底平型公用建筑，而往往这种建筑的屋顶正好是光伏系统的最佳利用场地，因此，目前直立锁边金属屋面外附加光伏系统的情况也是普遍存在的。光伏系统与金属屋面的连接往往依靠一种与T支座相配套的铝合金夹支撑金属屋面以上的系统，无需穿透屋面，完全可以保证屋面系统原有的整体防水保温性能。但值得关注的是：很多项目从设计开始，一直到后期的招投标、采购、安装、维护等过程均未能实现完美的一体化，屋面以下的直立锁边金属屋面系统为屋面板厂家设计、施工、安装，屋面以上的光伏系统由电池板厂家设计、安装、维护。通常电池板厂家可以与建筑师配合好电池板的朝向、阵列、建筑造型等问题，而忽略了光伏电池板如何将自重、活荷载、雪荷载、风荷载等结构荷载合理科学安全的通过直立锁边金属屋面系统传至屋顶钢结构的问题。为了节省光伏系统的支撑龙骨，将铝（词条“铝”由行业大百科提供）合金夹随意放置于金属面板直立边的任意位置的情况普遍存在。而根据实验：标准为400mm板宽，0.9mm板厚的直立锁边金属板安装在间距为1200mm的檩条上,可以承受不超过0.9kN的直立边跨中集中力。而1m2电池板自重0.3kN，屋面活荷载为0.5kN，就算不考虑风荷载仅考虑恒荷载和活荷载的组合，组合设计值为1.06kN，一平米设两个支点，则一个支点的集中力为0.53kN ，已经达到极限荷载的60%，从结构安全度上来讲是非常危险的。更加危险的是，由于电池板多数为了考虑尽可能多的接受太阳辐射而设计为最佳倾角，已产生与原金属屋面完全不同的较大的正负风荷载，因此，绝不能忽略安装电池板带来的风荷载的改变对整个屋面系统结构的影响。正确的将屋面电池板的荷载传递至屋面钢结构的路径应该是：电池板荷载--电池板支撑龙骨--铝合金夹--T支座--屋面檩条--屋顶钢结构，与直立锁边金属板无关。规范应明确规定：附加在金属屋面板上的组件所承受的荷载应通过结构连接件有效转递至屋面钢结构檩条上，不宜将金属屋面板作为传力构件。

　　综上所述，在建筑上安装光伏系统绝不是简单的将地面电站搬到屋顶上，或者将幕墙的面板用光伏构件进行替代那么简单。这是建筑和光伏两个完全不同的技术领域的交叉和叠合，既需要和专业的合作有需要相互的妥协。在这条路上，总会有光伏和建筑产生的美妙的火花，也难免出现失败的案例给大家失败的教训。也正是因为这个交叉领域有太多的未知，才激起人类的不断探索。只要从业人员认识到这些差别，了解这些技术壁垒，项目就会越建越好，成功率就会越来越大。