光伏屋面 光电光热建筑一体化（ＢＩＰＶＴ）刍议 龙又志 龙文志 （中国建筑金属结构协会光电建筑应用委员会，北京１００８３５） 摘要：光电光热建筑一体化（ＢＩＰＶＴ）系统有通风、通水、冷却型三类，它将太阳能的光热通过建筑集成起来，经济实用， 发展前景广阔。当前，宜尽快建立ＢＩＰＶＴ的评价标准，为合理设计和推广这一系统提供依据。 关键词：光电光热建筑一体化；通水式；通气式；应用实例 文章编号：１００７—４９７ｘ（２０１５）一１１－００１８—０６ 中图分类号：ＴＵ２３１ 文献标志码：Ｂ Ｈｕｍｂｌｅ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ－ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ（ＢＩＰＶＴ） Ｌｏｎｇ Ｗｅｎｚｈｉ （ＢＩＰＶ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ—ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈ ａｓ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｎｇ，ｗａｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ．Ｓｏｌａｒ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｈｅａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｓ ｂｒｏａｄ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ＢＩＰＶＴ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｓ ｓｏｏｎ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ—ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒｉｎｇ ｔｙｐｅ；ｖｅｎｔｉｌａｔｉｎｇ ｔｙｐｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃａｓｅ 《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》指出： 要发展太阳能培育和发展战略性新兴产业，积极研发 开拓多元化的太阳能光伏光热发电市场。而把太阳 能的光利用和太阳能的热利用通过建筑集成起来，即 随工作温度的上升而下降。如直接将光伏电池铺设 在建筑表面，光伏电池在吸收太阳能的同时，工作温 度也迅速上升，导致发电效率明显下降。标准条件 下，照射到单晶硅太阳能电池表面的太阳能８３％以 上未能转换为有用能量，有相当一部分能量转化为 光电光热建筑一体化，具有潜在发展空间和巨大建筑 市场。 １光电光热建筑一体化（ＢＩＰＶＴ）是光电建筑一体 化（ＢＩＰＶ）概念的延伸和拓展 １．１ ＢＩＰＶＴ系统 热能。光伏电池温度每升高１℃，其光电转换效率下 降０．５％。 若能将使光伏电池温度升高的热量加以回收利 用，使其温度维持在一个较低的水平，即既不降低其 ＢＩＰＶ在实际运行中，光伏电池的光电转换效率 收稿日期：２０１４—０６—０６ 作者简介：龙文志，男，１９３７年生，教授级高级工程师，中国建 筑金属结构协会光电建筑应用委员会专家组成员。联系地址： １００８３５北京市三里河东路中国建筑科学研究院，Ｅ—ｍａｉｌ： １ｗｚｘｐｊ＠１２６．ｃｏｍ。 转换效率，又能得到额外的热收益，于是太阳能光伏 光热一体化系统（ＰＶＴ系统）就应运而生。而将ＰＶＴ 系统应用到建筑上，即在建筑的外围护结构外表面设 置ＰＶＴ组件，因而在ＢＩＰＶ基础上就发展成了ＢＩＰＶＴ 系统（含ＢＡＰＶＴ，即“安装型”太阳能光伏建筑一体化 系统）。 光伏屋面 ‘ 曩 静 ∥≯ 曩０ 骥 嚣澎 ¨¨ 黼 ：ｕ ｘ Ⅲ 鞭嚣 瓣 黪 瓣 魏 纛 格＝ （３） 经济上是可行的。 间更长，因此投资回收期短于２Ｏ年的系统被认为在 式（２）、（３）中：Ａ 为集热器面积，ｍ ；Ｇ为入射的太阳 能能量，ｗ／ｍ ；Ｑ 为输出的热量，ｗ；ｐ 为输出的电 能，ｗ； ，。为流体的出口温度，Ｋ； ． 为流体的进口温 度，Ｋ；ｍ为流体的质量流率，ｋｇ／ｓ；Ｃｐ为流体热容， Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；，ｍ为电池组件在最大功率点的电流，Ａ；Ｖ 为电池组件在最大功率点的电压，Ｖ。。 系统综合效率反映了系统的能的利用效率。对 于ＢＩＰＶＴ系统，光电转换效率低于光热转换效率。由 式（１）可知，ＢＩＰＶＴ系统的综合效率大大高于不回收 热量的光伏ＢＩＰＶ系统的电效率，低于普通集热器系 统的热效率。但这一评价方法忽略了电和热的品位 差别。采用能够区分热和电品位的不同，将热和电转 换成具有相同品质的能源指标，再由此根据用户端需 求建立一种新的评价方法来科学评价ＢＩＰＶＴ系统， 是非常重要的。 １．４．２ ＢＩＰＶＴ系统改善了建筑外围护结构的传热，降 低了室内空调负荷 ＢＩＰＶＴ系统不仅提高了太阳能利用率，得到了电 输出，而且大大提高了建筑本身的节能效果。数值模 拟显示，在地区，光伏建筑一体化的通风冷却模 式在保证电力输出的同时，对由于建筑外围护结构得 热造成的空调负荷的减少可达到２０％以上；而与传 统热水器相近的热效率又可提供热水，降低了由于 活用热水造成的建筑能耗。 １．４．３投资回收年限 对ＢＩＰＶ系统来说，采用多晶硅（ｐｃ—Ｓｉ）材料电池 的系统比采用非晶硅（ａ—ｓｉ）材料的系统投资回收年 短；而对ＢＩＰＶＴ系统而言，结论则相反。原因是非晶 硅ＢＩＰＶＴ系统输出的热量，大于多晶硅ＢＩＰＶＴ系统 的。ＰＶＴ系统的投资回收年限低于ＢＩＰＶ系统，而 ＢＩＰＶＴ系统的投资回收年限介于二者之间，因此，采 用两种材料的ＢＩＰＶＴ系统的投资回收年限都低于ｌ０ 年。据此得到的结论是，回收ＢＩＰＶ系统的热量可缩 短ＢＩＰＶ系统的投资回收年限，这一点说明ＢＩＰＶＴ系 统能够比ＢＩＰＶ系统更快地收回投资。 一般ＰＶＴ系统的使用寿命可达２０年，也可能时 ２光电光热建筑一体化当前的发展 ２．１光电光热光冷建筑一体化 建筑用能中用于照明、供热和空调的就占了一半 以上。利用太阳能供电、供热、供冷、照明，最终实现所 谓绿色能源的房子，热电冷联供系统的光电光热光冷 建筑是当前建筑领域的热门研究课题，也将是现今应 用面很广、需求量很大的多学科交叉的综合『生课题， 是应用的一个引人注目的发展趋势。光伏热电冷联供 建筑一光电光热光冷建筑就是将各种太阳能利用技 术结合建筑一体化设计，建立具有分布式能源供应能 力的绿色节能建筑的。 １９９５年，美国Ａｒｇｏｎｎｅ国家实验室把金属或非 金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制 备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，即纳米流体 介质。应用这一技术的热电联用集成为：上层纳米流 体工质透过太阳光可见光波段，吸收其红外波段能量 进行热利用；下层纳米流体强化太阳能电池板背面的 传热，防止温度过高使电池效率下降。 光电光热光冷建筑组成方案，包括纳米流体太阳 能窗式集热器、太阳能热电联供、蜂窝热管太阳能集 热器、太阳能空调在内的一系列新技术，结合智能控 制系统以实现建筑的智能化和节能环保。 ２．２聚光分频太阳能光伏光热光电联用系统 ２．２．１太阳能光热光电综合利用技术 此种技术是将聚光、分光、热电联用等技术集成， 通过对太阳能全波段能量进行一体化地利用，可极大 地提高太阳能的利用效率，降低成本。太阳能热电联 用系统与建筑的结合以及与聚光系统的结合，更是成 为应用研究的热点。在太阳能聚光系统中引入太阳辐 射分频技术，可以提高能量利用率和系统效率。 ２．２．２聚光、分光、热电联用技术 目前，我国光伏电池价格昂贵且光电转化效率 低，使得光伏发电的成本过高。同时，不论是聚光光 伏技术还是聚光热发电技术，都是将全波段太阳能不 加区分的利用，而实际的发电组件对太阳能不同波段 的响应和发电效率是存在很大区别的。 ： 中国建筑防水・屋面工程 ２１．Ｉ 光伏屋面 瓣 糍！ ¨¨ 嚣瓣 ； 该方案采用以下３种技术：①太阳能聚光光伏及 光热互补技术；②太阳能真空聚热管聚热技术；③槽 式太阳能聚光聚热及导热油燃气锅炉技术。用１０％ 的屋顶面积安装可跟踪的晶体硅太阳能光伏系统。 在寿命期内得到回报；在地域推广上涵盖了南、北方 地区，在经济层面上也囊括了各个阶层，还可根据不 同消费者的经济状况进行设计组装。ＢＩＰＶＴ系统综合 节能效率可超过现有“建筑节能６５％”的要求。随着 为了提高太阳能光伏组件的转换效率，采用８倍的聚 光系统，将太阳光反射汇聚至光伏组件的太阳能电池 片上，如此一来，晶体硅太阳能组件的理论发电效率 太阳电池成本的降低，ＢＩＰＶＴ系统的成本自然也会随 之降低，加上其它的优势，在成本上它有可能同光伏 集热器相竞争。 可提高３～４倍。为防止聚光使太阳能光伏组件的工 作温度过高而使其无法达到理论上的光伏转换效能， 本技术方案在光伏电池组件的背光侧安装水循环系 统，通过水循环来降低光伏组件的工作温度，提高了 光伏组件光电转换效率，又可将水从常温（１５—２５℃） 升至３０～３５℃。然后用６０％的屋顶面积安装太阳能 真空管聚热系统，用它来将已升温至３Ｏ～３５ ｃＣ的水或 常温水加热至８０℃，通过高压阀将８０℃的水顶入导 热油电锅炉。最终用３０％的屋顶面积安装槽式聚光 聚热系统，将导热油加温至２５０—３００ ｏＣ，高温与 导热油电锅炉形成循环，利用环抱锅炉的高温油将 ８Ｏ℃的水升温至沸点，从而获得生产食品使用的蒸 气。当天气为阴雨天或夜晚无光照时，则可通过使用 常规电力为锅炉生产蒸气，这样，新一代的导热油电 锅炉可保证全天候的生产用气（图８）。 蜚 园鼯爵流： 工澡堂 广—÷翕呈 逆变器ｌ ｌ蓄电池 ２０℃ ｌ槽式太阳能 聚光系统 图８技术方案流程图 该方案太阳能光伏及光热一体机为集美大学自 主研发项目，已获专利，现正处于推广运用阶段。 ４结语 ＢＩＰＶＴ系统的优势在于：单位面积ＰＶ的可变成 本低于单位面积的ＢＩＰＶ系统和太阳能集热器系统 之和；替代ＢＩＰＶ系统可缩短投资回收期，使投资者 当前应尽快建立适合ＢＩＰＶＴ系统的评价方法， 为系统的合理设计提供依据。同时，需要加快ＢＩＰＶＴ 系统产业化进程和技术开发。 光电建筑和光热建筑是两个的系统，将这两 温导热 个系统相结合，所涉及的方面很多，必须光电建筑和 光热建筑企业与建筑设计部门紧密配合，才可能有着 广阔的应用前景。 太阳能光热光电的综合利用发展是将聚光、分 光、热电联用等技术集成，进行系统研究，通过对太阳 能全波段能量进行一体化利用，可以大大提高太阳能 的综合利用效率及经济性。国家公布的“十二 五”产业发展指导目录中将太阳能集热发电、太阳能 光热综合利用列为新能源发展的第一、三、四位；我国 新能源发展规划，也明确提出了太阳能光热利用在 “十二五”乃至“十三五”期间的发展目标。多元化的 光电光热建筑将形成战略性新兴产业，将在我国新能 源产业中发挥巨大的作用。 参考文献： ［１ｊ安文韬，刘彦丰．太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究 ［Ｊ］．应用能源技术，２００７（１１）：３３—３５，３９． ［２】王宝群，姚强，宋蔷，等．光伏／光热（ＰＶＴ）系统概况与评价 ［Ｊ］．太阳能学报，２００９，３０（２）：１９３—２００． ［３】何伟，季杰．光伏光热建筑一体化对建筑节能影响的理论 研究［Ｊ］．暖通空调，２００３（６）：８－１１． ［４］杨洪兴，季杰．ＢＩＰＶ对建筑墙体得热影响的研究［Ｊ］．太阳能 学报，１９９９，２０（３）：２７０—２７３． ［５】季杰，韩俊，周天泰，等．对光伏热水墙体光电光热性能的 数值模拟研究［Ｊ】．太阳能学报，２００６，２７（１１）：１ ０８９—１ ０９６． ｆ６］黄向阳，谢士涛，何清，等．南玻大厦光伏幕墙简介［ｃｙ／２ｏｏ７ 中国可再生能源产业论坛太阳能技术论文集．深圳：２００７ 中国可再生能源产业论坛办公室，２００７． ２０１５．１１中国建筑防水・屋面工程Ｉ．２３．Ｉ
