光伏建筑的整体造型和细部设计.docxVIP

徐燊 李保峰光伏建筑(Building Integrated Photovoltaic)是把太阳能电池材料集成于建筑的屋面和墙面等围护结构的节能建筑，关键点 徐燊 李保峰 光伏建筑(Building Integrated Photovoltaic)是把太阳能电池 材料集成于建筑的屋面和墙面等围护结构的节能建筑，关键点 是中间的单词Integrated，指集成、融合。它有3层涵义：其一， 使用了光伏材料的建筑变成了一座电站，为获到更多的电能， 基于光伏材料的特性，设计中需要考虑光伏构件在建筑上的布 置方式；其二，光伏材料的使用要以满足建筑使用功能为前提， 以符合其工程特性的造型展现新颖的建筑美学，以其特有的光 泽、颜色和纹理成为建筑创作的亮点；其三，光伏技术的使用 要和自然采光、通风相互协调，集成了光伏材料的建筑围护结 构要具有良好的热工性能，使建筑整体节能效果最优，满足防 水要求。 光伏材料在太阳辐射下会产生“光伏效应”(Photovoltaic Effect)，只有某些半导体材料才可能具有此特性，如：单晶体 硅、多晶体硅、非晶体硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe 等。 目前有些材料尚处于研发阶段，而市场上批量生产用于建筑中 的光伏材料主要是单晶体硅、多晶体硅、非晶体硅。单晶体硅 和双晶体硅光伏材料的光电转化率较高，但造价高、受太阳直 接辐射影响大、表面温度升高导致光电转化率下降显著；而非 晶体硅光伏材料的特点恰好相反，光电转化率较低，造价也较 低，光电转化率受太阳辐射入射角和表面温度的影响均较小。 光伏材料发电是依赖于太阳辐射，因而集成于建筑上的光 伏材料实际发电效率除与光伏材料自身的特性相关外，还与建 筑所在地的地理纬度和气候条件、光伏模块的布置方式和位置 (方位角和倾斜角)、以及周边场地(遮挡情况)等因素相关。 摘要 / 从光伏材料的特性出发，提出光伏构件集成到 建筑形体的多种设计方式，涉及整体造型和细部设计 两个层面。这些方法可为建筑师在光伏建筑的创作中 提供易操作的参照。 关键词 / 光伏建筑 整体造型 细部设计 ABSTRACT/ Starting from the specific property of pho- to vol tai c mate ria ls, th is p ape r p rop ose s many me tho ds t o i n t e g r a t e p h o t o v o l t a i c s t ru c t u r a l me m b e r s i n t o building. These methods could be applica ble references for architects in photovoltaic building’s holist ic shape creation and detail design. KEY WORDS/ building integrated photovoltaic (BIPV), hol isti c sh ape, det ail desi gn 1 光伏建筑的整体造型 通常在建筑概念设计或者初步设计阶段基本确定了建筑整 体造型，也大体上决定了光伏构件的布置方式，从而影响其发 电的效果。因而此设计阶段，建筑师在考虑建筑功能和建筑规 模的同时，也要考虑挖掘太阳能利用的潜力，从而确定有利于 光伏构件布置的建筑造型。 1.1 竖直面(或者水平面) 大多数建筑的形体还是方方正正，因而竖直的墙面和水平 的平屋顶，只要朝向合适，都可以布置光伏构件。但最终何种 布置方式更佳，要考虑当地的地理纬度和究竟有多大面积的墙 面或者屋面。考虑到太阳高度角的因素，高纬度地区(50 °以 国家自然科学基金资助项目 国家留学基金资助项目(2008109599) 作者单位：华中科技大学建筑与城市规划学院(武汉，430074) 收稿日期：2009-11-09 上) ，竖直面接收太阳直接辐射较多，而低纬度地区(50 °以下)，水平面接收的太阳直接辐射较多。对于高层建筑(图 1-1)，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。高纬度地区的高层建筑， 上) ，竖直面接收太阳直接辐射较多，而低纬度地区(50 °以 下)，水平面接收的太阳直接辐射较多。 对于高层建筑(图 1-1)，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。高纬度地区的高层建筑，光 伏墙面更适合采用单晶硅或者多晶硅光伏材料，这是出于晶体 硅的光电转化率较高的特性来考虑。而低纬度地区的高层建筑， 墙面更适合选用非晶体硅光伏材料。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