光伏建筑一体化在建筑幕墙设计上的应用

摘要：随着社会科技的不断进步，光伏建筑一体化也在不断得到应用，同时光伏建筑一体化又简称为BIPV，主要指把太阳能转化为电能的过程中，并且还可以通过太阳能发电产品集成一种新型建筑技术，其中利用最多的就是建筑幕墙及其屋顶。

关键词：光伏建筑一体化；建筑幕墙设计；应用

引言：近年来，太阳能发电技术在建筑设计中的运用越来越广泛。由于它可以提供可再生的能量和促进可持续发展，所以最近许多学者对太阳能与建筑的一体化进行了研究。为了满足建筑装饰、太阳能发电和建筑结构的防护要求，许多人将其用作推动光伏建筑一体化工作的主要载体。本文对光伏建筑幕墙进行了较为全面的研究，以期能进一步推动光伏与建筑一体化技术在这方面的发展。

一、光伏建筑一体化概述

1.1光伏建筑一体化的概念

光伏建筑一体化是一种以整体思想为基础的新型建筑节能技术，其能在建筑中合理融入太阳能光伏产品，同时协同建筑设计、建造以及安装工作。在实际工作中，相关人员大多会在建筑遮阳设计和照明设计中使用光伏产品。此项技术具备明显绿色性和节能性特点，属于未来发展分布式光伏发电技术的重要方向，对于缩短我国“双碳”目标实现时间具有重要意义。光伏建筑一体化系统主要包含6个模块，分别为后备电源、交流逆变电源、线路保护系统、储能系统、光伏组件模块、充放电控制器。当实施光伏建筑一体化设计工作时，相关人员需要在全面考量全寿命周期成本的前提下，选择和配置适宜核心部件，而且需要考虑建筑安全标准、朝向、用电负荷、用途等方面要求，最终建造出舒适且节能的建筑。

1.2光伏建筑一体化的特点

一方面，光伏建筑一体化中使用的是太阳能，相关人员借助光伏设备可将这一绿色能源转变为电能，采取此种方式能降低建筑整体电力能源需求，通过高效利用可再生的光伏，实现节能减排的目标。太阳能这种能源具有清洁的特性，不会产生污染环境的问题，而且可以绿化附近环境，相关人员坚持运用太阳能能够在一定程度上改善我国整体环境。另一方面，光伏建筑一体化建筑节能效果非常突出，在此背景下越来越多的人开始认同光伏建筑一体化，其已经成为人们节约能源的重要举措，尤其是在大城市中，人们每天都需要消耗较多的电能，在此情况下应用光伏建筑一体化非常有必要。

二、光伏幕墙的设计

2.1建筑设计

光伏幕墙的设计应从建筑设计入手，首先要对建筑物所处的地理位置、气候条件以及太阳能的资源状况进行分析；其次是考虑建筑物的周边环境条件；第三是考虑与建筑物的外围装饰相协调。第四，考虑光伏组件的吸热对建筑周围热环境的改变。光伏幕墙的安装角度和方向应该与太阳直射角度相匹配，以最大限度地吸收太阳能。一般来说，光伏幕墙的安装角度为10度到60度之间，墙面朝向的选择取决于太阳的入射角、光照时间和建筑朝向等因素。

2.2建筑材料设计

光伏幕墙所使用的材料应具有耐久性、防火性和防水性，以保证幕墙的安全性和寿命。根据电池组件材料的不同，光伏幕墙可分为晶体硅材料幕墙和非晶硅材料幕墙。前者的光伏组件是多晶硅或单晶硅材料，优点是光电转换效率高、安装尺寸小、生产材料和技术都较为成熟。但缺点在于幕墙透光性不好，在高温和弱光条件下表现较差。材料的选择需结合项目投资及发电效率综合考虑，同时，还应符合建筑设计的气密性、水密性、耐撞击、隔声、保温等技术要求。

2.3结构安全性与构造设计

光伏幕墙的结构设计应该符合建筑设计规范和标准，考虑风、雨、雪等外部环境因素的影响，根据不同的气候和地理条件，选择不同的设计参数，如安装角度、支撑结构等，以确保光伏幕墙的长期运行稳定和安全。应采用高强度、防火、防水的材料，如铝合金支撑结构、玻璃幕墙等，以确保幕墙的稳定性和健康性。同时，电气元器件（如接线盒、保护器等）应该采用防火、耐高温的材料。光伏幕墙可采用框架式、单元式等结构形式，在实践中应考虑其金属结构和支撑结构应该考虑到其与太阳能电池板的配合和支撑作用，以确保稳定性和集成性，采取可靠的连接方式，如插头接头、电缆夹等，以减少电路故障的可能性。

2.4发电系统设计

光伏系统设计主要包含以下三部分：光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。

（1）光伏方阵设计：光伏方阵设计是指针对某一地理位置、特定气候环境、太阳照射时间等条件，通过科学的计算和分析，决定光伏电池板的数量、方位、安装角度、相邻组件之间的距离等参数，进而设计出光伏阵列的大小和形状。光伏方阵的设计对整个光伏系统的发电量和效率有重要影响，是光伏系统设计的关键之一。

（2）光伏组件设计：光伏组件设计是指针对选用的光伏电池及其包装材料设计出符合特定需求的光伏组件。目前最常见的光伏电池芯片材料是单晶硅、多晶硅、非晶硅等。在选用电池芯片时，还需要根据使用环境和需求，选择适合的额定功率和电压等参数。为了保护电池芯片和提高光伏组件的输出能力，组件的背板、边框和连接器等零部件的设计都是至关重要的。通常情况下，组件的包装材料应该采用耐高温、耐低温、抗紫外线、防水、抗腐蚀等材质，以确保组件长时间稳定运行。

（3）光伏发电系统设计：光伏发电系统设计是指针对光伏方阵和光伏组件的特性进行发电系统配置和监控以实现最佳发电效果。光伏发电系统设计包括逆变器选型、系统容量配置、监控系统等方面的设计，需要保证光伏电站在最大负荷条件下能够正常运行，并且系统设计具有足够的可扩展性，以容纳未来的更多电力需求。

三、光伏幕墙在光伏建筑一体化中的应用

3.1美化建筑外观

光伏幕墙可以根据建筑外观的不同，将光伏幕墙融入建筑表面形成装饰带，通过特殊工艺，光伏电池板在外观上可以呈现出多种颜色，如黑色、蓝色、灰色等，也可以根据建筑外观需要而进行设计，如采用弧形、三角形、网格式等不同形状，从而实现与建筑外墙的完美结合，与建筑的整体风格相协调，既能够达到美化建筑的效果，又能够提升品牌形象。

3.2提高建筑能源利用率

光伏幕墙可以将光能转化为电能，实现建筑的自给自足。传统的建筑无法将阳光转化为能源，而光伏幕墙可以通过在幕墙上使用光伏电池板实现建筑的发电功能，因此，能够减少建筑对外界能源的依赖，提高建筑本身的能源利用率。在冬季，光伏幕墙可以承担部分建筑保温功能，降低供暖系统的能源消耗；在夏季，光伏幕墙可以将太阳辐射反射回原处，减少建筑内部的热量积聚，从而减少了建筑内部的冷却负荷，达到防暑降温的作用。

3.3配置附属设施

光伏幕墙可以作为建筑发电的主要设施，使得建筑在能源方面实现了自给自足，有了更为稳定的能源供应后，附属设施的配置就可以更加灵活、方便，如电梯、通风设备、照明、空调等，可以更加顺畅、高效地运行，满足用户需求。例如，利用人工智能技术对建筑设施的能耗进行监测和控制，可以实现对室内环境的温度、湿度、光照、空气品质等多方面的控制，使建筑的运行更为节能、稳定和智能化。

结束语：目前我国光伏建筑一体化虽处于发展阶段，在“碳达峰、碳中和”的背景下，实现绿色能源的可持续发展是改善生态环境的重要一环。因此，我国通过相关的政策完善和支持，能够更好带动光伏幕墙在光伏建筑一体化中的应用发展，实现能源资源的节约，从而使光伏建筑一体化技术得到进一步的发展。

参考文献：

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