光伏建筑設計方式探究范文

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1場地概況

項目選址在陽宗海湖畔的一塊東南向坡地之上。基地東南向坡下30m處為陽宗海湖畔，湖岸平直且有大片濕地，西北向坡地之上有舊昆石高速公路通過，西南緊鄰柏聯溫泉SAP，東北接向白水臺溫泉水公園，往東2km處為陽宗海發電廠。基地有向陽坡地優勢，周圍環境不會對建筑物產生日光遮擋現象，太陽能利用條件優越。

1.1用電負載情況

建筑功能主要為觀光溫室和生態餐廳，需要有良好的采光和相對穩定的室內溫度，建筑能耗以空調能耗為主。觀光溫室需要將室內溫度維持在15℃~32℃，相對濕度≥50%，生態餐廳的室內溫度則需要維持在18℃~26℃，相對濕度維持在35%~65%。據當地氣候環境、建筑面積和功能要求等分析得出：空調運行時間段主要在夏季與冬季，春秋兩季可用被動式通風維持較好的室內熱環境，初步估算建筑用電負載約為1200kW。

1.2建筑設計

項目總占地面積約4000m2，生態溫室建筑占地面積約2100m2，總建筑面積2360m2，包括觀光溫室區1380m2，生態餐廳區980m2。

1.2.1主題概念

建筑設計以“彩云之翼”為設計主題，強調云南初印象——自然、生態、神秘、抽象、提煉云南地域印記的符號，結合場地情況生成建筑外觀形態（圖2）。

1.2.2造型設計

結合地形的“嵌入式”方案減少了開挖土方量，并且減小了從高速公路視點觀看的建筑體量感，使建筑能夠更好地融入周圍環境。四個退臺式體塊從一個大的傾斜式體塊中延伸出來，依地勢逐層向上升高，空間變化豐富，有著很強的韻律感和可識別性。建筑形體面向湖面展開，與柏聯溫泉SAP遙相呼應，提供了寬闊的景觀視域。首輪建筑方案中，每個體塊都有部分曲屋面作為形體的過渡方式，形式語言相對連貫并能很好地表達出“羽翼”的感覺，但過多的三維曲面會給設計、施工都帶來諸多不便。后續方案對建筑形態做出局部調整：取消曲屋面形式，將光伏組件與屋面分離，利用支撐結構架構出傾斜曲面形態；用豎向的木材桿件螺旋式排列方式來代替之前的曲屋面體塊過渡形式；玻璃和木材會在色彩、肌理方面形成對比，但明框形式的光伏玻璃組件會在這兩種材料中間起到過渡作用（圖3，4）。

1.2.3功能布局

傾斜的大空間作綜合展示區使用，不對地形做大的整改，可以沿坡種植較為高大的雨林植物；退臺式體塊最高層是農業科技展示區。建筑濱水一側是生態餐廳，退臺式的設計避免了觀景視線的遮擋，顧客在就餐同時，亦可遠眺前方水天一色的優美景色。生態餐廳共三層，各層都設有觀景露臺。嵌入山體部分為廚房、洗手間等工作空間。

1.2.4擬采用的節能技術

當地太陽能資源豐富，可采用光伏發電技術；結合風環境設計建筑物體型，傾斜式空間利于熱壓通風，可采用被動式通風技術（圖5）；基地地熱資源豐富，可考慮采用地源熱泵空調技術；運用綠色建材——玻璃、鋼結構和木材（圖6）。

1.3光伏組件設計

1.3.1光伏組件選型

綜合考慮以下因素：1）項目所在地太陽能資源豐富，但在夏季陰雨天氣集中，日照條件并不算太好；2）地處低緯度地帶，光伏組件的工作環境溫度較高；3）建筑形體弧度較大，安裝部位會朝向不同方位，應選用轉化率受方位角影響較小的光伏電池；4）生態餐廳區對觀景視線要求較高，需選用有透光性的光伏組件；5）溫室的功能決定建筑表皮以玻璃幕墻為主，需選擇相似肌理的光伏組件；6）距離發電廠很近，項目可更側重節能示范效果，不需過分強調發電量。最終選用透光率為30%的非晶硅光伏玻璃組件。組件最大輸出功率為88Wp，尺寸規格為1500mm×1400mm。

1.3.2組件朝向的確定

場地因素決定了東南向的建筑朝向，在一定程度上影響到光伏組件的發電效率。利用PVSYST軟件輔助分析和優化設計，最后將光伏組件的傾角確定為25°，主要朝向確定在南偏東30°左右，組件的最差方位角是東偏南15°，所獲能量將會比最佳朝向時減少7.9%；主要朝向處所獲能量則損失1.4%（圖7），考慮到場地因素和建筑造型，這樣的電量損失是可以接受的。光伏陣列通過支承構件跨過女兒墻，其構造設計見圖8。

1.3.3分區設計

由于不同朝向的組件所受光照強度不同，造成各組件間的電壓、電流不同，影響系統的發電效率，所以考慮對光伏系統按光照度進行分區設計，并考慮將少數邊角上的電池片不連接入電路。

1.3.4發電量的計算

經粗略計算，建筑將集成約630m2的非晶硅光伏玻璃組件，通過軟件PVSYST的分析，計算出系統的峰值功率為26.5kWp，年發電量約為32.5MW•h（圖9）。

1.3.5經濟效益分析

設定光伏系統壽命為20年，平均電網電價0.6元/（kW•h），對陽宗海生態溫室太陽能發電系統進行技術經濟分析（表1）。在入口處設置LED數據顯示屏，即時顯示環境溫度、電池溫度和太陽輻射強度和上述技術經濟分析數據等信息，加強示范宣傳作用。

2光伏建筑設計建議

2.1多專業的協作

BIPV設計需要各專業尤其是建筑與電氣專業間的協同工作，相關專業工程師應在前期便介入設計，各專業的相互支持和密切配合是一體化設計成功的重要保障。

2.2技術與藝術的平衡

光伏技術對建筑造型提出一定的要求，光伏材料為建筑設計提供新的元素，建筑與光伏的結合需要工程的嚴謹和藝術的靈感，這是難點，也是建筑創作的著力點和突破口。在BIPV設計初期，最好確定是以追求發電量為主，還是偏向于建筑外觀，這樣建筑師能更加集中精力，且更好地發揮其創造性思維，將新材料的消極因素轉化為積極因素。

2.3設計的地域性與普遍性

我國的光伏建筑正處于以示范工程為主，逐步走向普及的階段，國內已建成項目并不多；且光伏建筑設計受氣候、地理緯度、場地環境等因素影響較大，而我國幅員遼闊，南北差異巨大，所以數量不多的光伏項目很難提供普遍性經驗。建筑設計人員仍然需要繼續研究并參與實際工程，設計出適合不同地域、不同風格的光伏建筑，為以后的項目設計提供可參考借鑒的設計經驗。

2.4方案設計步驟建議

2.4.1前期調研

（1）地理環境：緯度、經度、海拔、地質情況等。這些數據將作為建筑日照間距、節能技術選用、光伏組件選型和角度設置等方面的設計依據。（2）氣象條件：太陽能輻射量、最大連續陰雨天數、氣溫、風速等，這些數據與光伏系統的發電量、太陽能光伏組件工作溫度、最大容量等設計參數密切相關，直接影響到光伏組件的選型和造價。（3）場地環境特征：包括坡度、交通、景觀、空間分析等，這是建筑設計的依據和前期工作；另外要調研周圍有無遮擋物，并要考慮這些遮擋在將來是否會出現，若是并網光伏發電系統，還要考慮與電網的距離。（4）電力負載情況：只有清楚地了解負載的類型、功率大小、運行時間、運行狀況等，才能對負載耗電量作出相對準確的估計，這些數據對側重發電量或電氣系統一體化的光伏建筑設計尤為重要。

2.4.2光伏建筑設計

（1）根據前期調研進行建筑初步設計，同時考慮建筑布局及體型設計應為光伏組件接收更多的太陽直射光創造條件。（2）利用相關軟件輔助計算太陽能方陣最佳傾角，進行防陰影遮擋設計，計算建筑結構的受力狀況，綜合考慮建筑美學確定光伏系統與建筑的結合方式和結合部位。（3）綜合考慮相關設計條件決定光伏組件選型，并考慮蓄電池、逆變器、控制器、支架的設計，以及最大功率跟蹤(MPPT)、測量和數據采集設備的設計等。（4）利用相關軟件輔助計算光伏組件安裝面積和系統的年發電量，做出經濟效益的分析。（5）進行光伏建筑整合部位的細部構造設計，重點注意熱工性能與結構安全性的設計。（6）設計監測系統，以便建筑建成后對系統運行情況作出監測、評價和優化調整。

3結語

本文只是針對方案階段的光伏建筑設計方法進行探討。BIPV是一項系統工程，涉及多個領域，必須整合各方面力量，推動太陽能光電生產、設計、施工三者間的有效結合；BIPV是多學科、多層面參與和合作的綜合性事業，需要國家政策法規部門、建筑主管部門、光伏企業、房地產開發商、建筑設計單位共同努力，把光伏建筑應用作為建筑節能工作的重要內容，完善技術標準，加強質量管理與維護，才能逐步提高光伏建筑應用水平。

作者：李明亮趙祖望劉衛明單位：中國航天建設集團有限公司