摘要：光伏结构作为能源开发的创新方式，在布置和使用上有着很多的要求，根据建筑的特点以及环境等因素，需要对光伏建筑的设计进行全面的考虑，使其达到良好效果。文章详细分析了光伏建筑的整体造型和细部设计，并提出相关的建议作为参考。
关键词：光伏建筑；整体造型；细部设计
1 光伏建筑和光伏材料概述
光伏建筑能够把太阳能电池材料集中在建筑的房顶或者墙上等结构形成节能建筑的一种类型，这也是它的名字由来的原因，主要依靠集合太阳能电池材料来实现，开发的含义是使光伏建筑能够形成类似电站的结构，从而得到更多的电能，根据光伏材料的性能，在布置的时候需要考虑到其特点进行设计，使其能够发挥作用。光伏材料需要符合建筑自身的要求，能够为其提供所需的能量，同时要保证外观的美观性，这也是光伏材料的优势，因为其具有外表亮丽、艺术性强的特点。光伏材料的使用需要有自然光等条件的配合，同时在建筑上安装还要考虑其热工性能，科学的设计，使建筑能够获得节能的效果，并且加以防水功能。
光伏材料在太阳辐射作用下产生的光伏效应，这种特点其他的半导体材料不会出现，单晶体硅等物质能够产生这种效应，且具有非常明显的效果，但是有些半导体材料不能进行取代。为了开发具有这种现象的材料，光伏材料多使用单晶体硅和其他种类的硅进行生产，由于这些硅物质具有非常强的光电转化效率，所以用于光伏材料能够起到较好的效果。然而晶体硅物质的价格比较高，在太阳直射时会受到影响，温度较高还会使光电转化率下降，另一种非晶体硅则不会受到这些因素影响，受到太阳光的直射的影响较小，但是光电转化率比较低。光伏材料主要通过太阳的辐射来产生电能，建筑上使用的光伏材料的发电效率和自身的性质有很大的联系，所以在建筑的环境和气候等影响下，光伏模板的放置情况也会影响其效率，还包括倾斜的角度和周围的遮挡状况等。
2 光伏建筑的整体造型分析
建筑概念设计的开始使时期就对建筑外观有了明确的设计，对光伏材料的使用和布置形式也有了确定，这对光伏结构发电有着一定的影响，设计者在对建筑的功能和规模进行考虑的时候，还要根据太阳能的性质进行设计，保证光伏结构能够起到较好的作用，合理的安排布置方式。
2.1 竖直布置
由于多数建筑的外观形状是正正方方的，屋顶和墙壁都是垂直形态的，保证朝向能够接收到光能，就可以进行光伏结构的布置，考虑到受到的影响，需要根据地区的纬度等进行测查，结合建筑的墙面面积等，还有太阳光照的角度。由于纬度影响太阳光的辐射，在高纬度的地域中，太阳辐射在竖直面比较多，而相反，低纬度是在水平面比较多。
2.2 倾斜布置
南向的倾斜面可获得最佳的太阳直接辐射，有利于光伏构件的布置。基于建筑造型的考虑：对于住宅和别墅，南向坡屋顶是天然的倾斜面；对于公共建筑，可考虑协调建筑功能，在造型上设计出南向倾斜面。工程实例：位于英国桑德兰（北纬54°54’，东经1°23’，海拔30m）的多克斯福德国际办公楼（Doxford International，Sunderland，UK）。在南向入口大厅，幕墙与地面呈60°的倾斜角，幕墙中集成了多晶体硅的光伏材料。倾斜的墙体后是通高的共享大厅，同时大厅也成为热缓冲空间，冬季被动式利用太阳能采暖，夏季利用自然通风降温。设计中还考虑了调节光伏电池的间距和光伏材料的不透明度，以此来控制室内照度、减少眩光，在避免过多太阳辐射和充分利用自然采光之间获得平衡。经监测，光伏幕墙年平均提供55100kWh的电力，相当于该建筑运行年耗电量的1/4～1/3。
2.3 退台布置
退台是建筑常用的造型设计手法，南向退台实际上增加了接收太阳辐射的面积，为光伏构件布置提供了有利条件。同时，退台的处理也有利于减少周边建筑遮挡对光伏材料发电的不利影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆工程实例：位于中国北京（北纬39°59’，东经116°19’，海拔56m）的中意清华大学环境能源楼（Sino-Italian Environment and Energy Building，Beijing，China）是一座多层科研办公楼，它处于清华东校区密集的城市环境中，被周边高层建筑（10～11层）所包围。建筑设计充分考虑如何最大限度地利用南向这一条件，并依据建筑用地现状和北京气候条件，采用日照遮阳模拟、能耗预测分析和通风模拟组织的策略来确定建筑外形。在剖面设计中，楼层的层层退台是为了能够接收到最大限度的日照并给予内部花园更大的空间。在南侧退台设置了遮阳系统，遮阳板面层覆盖太阳能光伏板。办公楼太阳能光伏板的总功率为20kW，主要用作展示，不作为大楼的主要能源。
3 光伏建筑的细部设计分析
在建筑整体造型确定后，光伏构件在细部设计上有诸多环节需要推敲，主要涉及构造方式、结构支撑、建造维护以及室内舒适性等因素。
3.1 坡屋面设计
就光伏材料发电效率，坡屋面的布置方式优于平屋面和竖直墙面。从构造角度坡屋面布置光伏构件分为2种方式：一种是在现有的屋面系统上铺设光伏构件，称为铺设式；另一种是把光伏构件集成到屋面系统内，称为嵌入式。前一种方式，光伏构件只负责发电，原有的屋面系统负责保温防水，二者相互独立，这种方式特别适合改建和加建项目，可根据屋面的不同材料（瓦、金属）采用不同的构造连接方式，但构造处理上需注意连接件不要破坏原有防水层，光伏构件需连接牢固，并充分考虑风荷载（台风地区不宜采用此方式）。后一种方式，光伏材料和屋面系统合二为一，具有光伏发电、保温防水防噪、屋顶采光等多种功能，结构更可靠，但造价较高。工程实例：荷兰尼乌兰住宅（House in Nieuwland，Amersfoort，Netherland）的光伏坡屋面采用铺设式，而意大利罗马儿童博物馆（The Children’ s Museum of Rome，Italy）光伏构件嵌入在屋面中。
3.2 平屋面设计
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有支架式和嵌入式两种。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。同时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，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。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。工程实例：光伏构件用支架安装在北加州日本文化社区中心（Japanese Cultural and Community Center of Northern California，San Francisco，USA）的屋面上，而德国蒙塞尼斯培训中心（Mont Cenis Academy，Herne，Germany）的屋面采用光伏嵌入式布置。
3.3 曲屋面
与坡屋面类似，曲线光伏屋面也有铺设式和嵌入式两种构造方式。曲屋面的造型本身往往是建筑设计的亮点，考虑到建筑第五立面的美观和室内光影效果，需精心选择光伏材料的光泽、色彩和纹理，设计中突出光伏材料的视觉表现力。工程实例：德国壳牌太阳能电池工厂（Shell Solar Factory in Gelsenkirchen，Germany）的光伏曲屋面。
4 结语
能源的再生能够缓解世界的能源消耗和环境污染问题，是目前重要的措施，在国外的研究中开发了太阳能设备，使光伏建筑得到了发展，我国的光伏建筑研究还在进行之中，但是随着科技的发展也有了一定的成果，光伏建筑可以通过自然能源带来电能的供应，对资源环境有着促进的作用，对生态维持有着重要的意义，我国应该加强光伏建筑的技术水平，使光伏建筑得到更大的发展空间。
参考文献：
[1]窦海林，王波，张靖宇. 光伏建筑一体化技术研究进展[J]. 江西建材，2017（1）：54-55.
[2]夏麟，田炜，沈迪. 光伏建筑应用实践及后评估研究[J]. 建筑技术，2017，48（2）：165-169.
[3]周源，张世君，陈鹏，等. 太阳能光伏建筑一体化关键技术问题研究[J]. 建筑节能，2017（2）：46-49.
论文作者:董建华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/13
标签：光伏论文; 建筑论文; 屋面论文; 材料论文; 构件论文; 方式论文; 架式论文; 《基层建设》2018年第10期论文;