太阳能光伏发电技术与建筑的一体化设计

太阳能光伏发电技术与建筑的一体化设计摘要：本文通过介绍太阳能光伏组件与建筑的结合方式，运用ecotect软件进行太阳辐射量分析来确定沈阳市太阳能光伏组件的

最佳安装倾角及最佳阵列间距，完善太阳能光伏关键词：太阳能；光伏发电技术；一体化设计

abstract: this paper introduces the components and building solar photovoltaic combining ways, using ecotect software to solar radiation analysis to determine the best components of solar photovoltaic installation angle and best array spacing, perfect solar photovoltaic

keywords: solar; photovoltaic power generation technology; integration design

中图分类号：s611文献标识码：a文章编号：

光伏组件的布置方式直接影响到其发电的效果，所以在节能建

筑概念设计或者初步设计阶段，要充分考虑太阳能的最大限度利用，从而确定有利于光伏组件布置的建筑造型。同时，光伏构件本身也有着丰富多变的美学特征，不同颜色，不同大小尺寸光伏板通过一定规律组合运用在建筑的围护结构上，不仅满足了建筑的能源供给，同时具有韵律感，成为立面的活泼元素，丰富立面形态。

1．光伏组件与建筑的结合方式

1.1光伏组件结合屋顶设计

就光伏材料的发电效率而言，坡屋面是比较理想的屋面形式，

他能够自然形成倾斜角，比平屋面的布置方式更有利。在设计中可考虑协调建筑的功能，在屋顶造型上设计出南向倾斜的坡屋面。在我国城市住宅和公共建筑更多采用的是平屋面，平屋面光伏构件的布置方式同样分两种：支架式和嵌入式。支架式布置光伏构件以倾斜面接收太阳辐射，布置的自由度和灵活性较大，光伏阵列可以调整倾斜角、方位角以及前后组光伏构件的间距，以此避免阴影，最大效率的发电。支架式构造简单，适用于各类平屋面建筑，比较容易普及。但支架式布置的情况下光伏和建筑二者的关系比较松散，融合的程度低，同时支架式布置光伏构件对提升建筑美观的作用较小。嵌入式的布置方式是在屋面系统集成光伏材料。光伏构件的使用可以与被动式利用太阳能、自然采光相互协调，有利于降低建筑能耗。但水平的光伏构件由于难以利用雨水自洁，灰尘和树叶往往会影响其发电效率，因而需要定期清扫。平屋顶的建筑也可以同时使用两种布置方式，不需要天窗的部分屋面采用支架式，需要设置天窗的部分采用嵌入式光伏屋面。公共建筑的屋顶也可做成锯齿形高侧窗，南面为斜坡用来铺设光电板，北向玻璃窗用来采光。

中庭上铺设光伏构件的构造处理方式，同嵌入式的墙面或屋面类似。在办公楼、商场展览建筑中往往设有中庭，夏季大量的太阳辐射往往使中庭成为建筑节能的薄弱环节。在中庭上布置光伏构件，一方面可获得电能；另一方面，调节光伏电池的间距和不透明度，可有效控制室内照度，避免室内热负荷过大。

1.2光伏组件结合立面设计

在竖直的墙面上布置光伏构件是较直接的方式。考虑到建筑立面效果，光伏的颜色需要与其他建筑材料协调。光伏构件的构造方式可根据不同墙面系统(实墙，窗户与窗间墙，玻璃幕墙)来确定，总体上可分为外挂和内嵌两种方式。考虑到采光和视线的因素．在竖向高度上要区分光伏材料的不透明度，如视线上下范围内采用透明玻璃窗或半透明光伏材料，其他窗间墙可采用不透明光伏材料。

对于高层建筑，竖直墙面的面积较多而屋顶面面积有限，南向墙面可布置光伏材料。如果在城市中建筑物比较密集，或者建筑周围有树木环绕，太阳光收到阻挡，可以在建筑物较高部位的墙面上设置光伏板。纽约时代广场4号楼在35-48层墙上就安装了光伏板。部分地区东西向也可设置，因为低纬度地区建筑的南向墙面在夏季获得太阳直接辐射明显少于水平屋面和东西墙面。

建筑平面布局有时不能面向太阳光辐射最优的朝向，局部采用水平向锯齿状布置方式，是巧妙化整为零的处理手法，以此优化光伏构件布置的方向，趣味变化的造型也改变了建筑的视线和景观。

1.3光伏组件结合遮阳设计

光伏组件可布置在遮阳板上，成为建筑的附属构件，如图1为荷兰能源研究中心31号建筑的光伏遮阳构架。建筑外遮阳常常具有一定的倾斜角，为光伏板的设置提供了合适的条件。夏季阳光照射到光伏组件，采用光伏发电遮挡阳光直射到室内，减少建筑物制冷负荷，在冬季通过调节光伏组件不影响阳光照射到室内。且光伏遮阳板与建筑表皮独立，不影响外墙的保温．防水和防噪。对于新

建或改建的情况都比较适用，建造成本也较低。

图1 荷兰能源研究中心31号建筑的光伏遮阳构架图2 光伏活动遮阳工作原理

2．最佳倾角分析

安装倾角是太阳能电池阵列平面与水平地面的夹角。确定安装倾角需综合考虑多种因素，如可实现装机容量、发电效率、安装成本、上网电价等，有降雪的地区还要特别考虑积雪滑落的倾斜角（斜率大于50%～60%）。目前已安装的光伏发电系统，安装倾角大多参照安装所在地的纬度并综合考虑多方面因素进行确定，方阵从垂直放置到10°～20°倾角放置的都有。

图3 不同倾角阵列的太阳能辐射量

本文利用autodesk ecotect analisys的太阳能辐射量分析，输入沈阳市的地理坐标及气候参数，并绘制正南朝向、不同倾角的光伏阵列进行太阳辐射量分析,倾角范围选在10°～90°，每隔5°度放置一个模型。图3是沈阳地区8:00～10:00不同倾角的的全年累计辐射量分析，由于辐射量差别不是很多，所以颜色差别不大，通过表1数据分析，可以很清楚的看出，模型旋转角度在50°时，即安装倾角在40°时，全年9:00～15:00的太阳能辐射量最大，同时看出此处的每平方米累计辐射量约为1169657.875wh/㎡。

表1 不同角度的光伏组件全年累计太阳辐射量

3．最佳阵列间距分析

图4 光伏组件阴影范围模拟