光伏建筑发展的影响及作用

1光伏建筑设计中的难点

光伏板不同于传统建材，不应该只是简单的附加到建筑表皮上。从建筑设计的角度，需要考虑光伏材料的色彩、质地等美学要素，保温隔热等物理因素；从能源角度来看，建筑是一座电站，光伏材料对建筑形体提出要求，要最大效率的利用太阳能；同时设计中要兼顾造价成本和发电收益。因而，优秀的光伏建筑设计应该是既满足光伏发电功能，又与建筑物友好，从而提升建筑物的使用功能和美感的绿色节能作品，如此的设计有以下几个难点。

1.1难点在于建筑整体性节能策略光伏建筑的前提是节能建筑，与其他节能技术并行不悖——适当减小形体系数，提高外墙材料的保温性能，增加门窗气密性防止空气渗透，考虑建筑朝向以被动式利用太阳能，必要的遮阳，考虑自然通风，充分利用自然采光等。不能因为使用光伏材料的使用而导致建筑表皮热阻下降或者引入过多的太阳辐射热，出现左手在节能右手又在耗能的矛盾。

1.2难点在于设计过程中多专业的协作在光伏建筑设计中，建筑设计一如既往是项目设计的龙头，因而建筑师必须具备广博的知识，掌握光伏材料的基本特性和设计要点。在整个项目阶段，各专业的相互支持和密切配合是项目成功的关键。

1.3难点在于集成的技术与艺术光伏材料为建筑设计提供新的元素，光伏技术对建筑造型提出一定的要求，建筑与光伏的结合需要工程的严谨和艺术的灵感，这是难点，也是建筑创作的着力点和突破口。一般而言，集成设计中要考虑的要素有：建筑的布局和朝向、建筑的造型和体量、周边建筑的布局和高度、建筑的结构和模数、其他建筑材料和光伏材料在色彩、质感上的对比和融合、光伏构件的细部构造设计、建筑能耗和光伏发电的模拟、光伏构件的建筑物理特性、建筑最终表现力以及使用者的观感评价等。

1.4难点在于设计前期的分析与决策

建筑的概念设计和方案设计阶段，设计的伸缩性和可调性较大。光伏建筑在设计前期初步确定的建筑形体、光伏板布置的位置和方式、光伏材料的种类和色彩等问题，也就基本决定了该项目的光伏发电效果和建筑表现力。在此阶段，我们可以借助计算机的建筑模拟得到建筑形体和光伏阵列布置方案的年发电量，检验光伏构件的阴影问题，从而优选和优化设计方案。

2光伏建筑设计面临的阻力

国外光伏建筑已经有一定的普及程度，我国目前还处于示范工程为主、逐步走向普及的阶段。虽然在奥运和世博等项目中率先有所应用，但总体实践经验相对较少，加上光伏建筑基于利用太阳能的考虑，受气候、场地以及地理纬度等因素影响较大，我国幅员辽阔，南北差异巨大，个别特殊项目难以提供普遍性经验。同时，我们也往往看到，光伏建筑的推动者是设备或者电器等专业技术人员、光伏制造企业。建筑师由于自身专业背景的局限，以及国内红火的设计市场，对光伏建筑发展的贡献较小。

这就形成巨大的反差，要实现真正的节能建筑，建筑师必须成为排头兵，因为建筑设计是行业龙头，建筑初期设计阶段的节能潜力最大，光伏构件集成效果最好。因此，帮助建筑师跨越专业的围墙，是促进光伏建筑发展的有效手段。但从笔者在一级注册建筑师再教育的经历看来，来自光伏企业的专家讲授的光伏建筑设计，因信息对建筑师缺乏可操作性，在场数百名建筑师叫好却不叫座。总结下来，建筑师视角下光伏建筑发展的阻力列表有如下几点。

3光伏建筑设计中的基础性问题

3.1光伏电池的材料特性和发电效率常见光伏电池的材料是单晶硅、多晶硅、非晶硅和化合物材料（CdTe和CIS）。一般而言，晶体硅材料光电转化效率高，但造价高、转化率随温度升高显著降低、对太阳直接辐射敏感；但非晶硅和化合物材料的上述特性刚刚相反（图略）。这些特性对工程中选用何种光伏材料将产生影响。例如：晶体硅光伏电池夏季高温状态下的输出功率甚至不如日照辐射低的冬季；晶体硅材料背面设置通风间隙来降温对发电效率有显著改善；非晶体硅由于对太阳直接辐射不敏感，所以阴影和朝向问题不如晶体硅那么显著；非晶体硅可制造成易弯曲的薄膜电池，也扩大了其应用领域。

3.2光伏材料的色彩光伏电池的颜色以蓝色、深蓝色或黑色为主，当光伏构件一些覆上反光涂料，可以呈现紫色、金黄色、棕色、绿色、银灰色等颜色，为建筑设计提供了多种选择（图略）。

3.3关键的阴影问题太阳能光热技术或者其它太阳能利用也存在避免阴影的问题，但在光伏建筑中，阴影问题更关键。光伏模块中最小单位的太阳能电池被串连在电路中（图略），阴影遮挡下的光伏电池非但不能产生电能，本身反而成为电路中的电阻，由此影响整个系统的光电转化率，并缩短太阳能电池的使用寿命。

4光伏建筑发展的潜力

4.1市场潜力世界光伏产业自90年代中后期进入快速发展时期，最近10年太阳能电池的年平均增长率为41.3%，最近5年的年平均增长率为49.5%，而2008年市场增长110%。我国地域辽阔，阳光充沛，虽然目前光伏市场较小，但发展潜力较大。据估算，如果2020年我国光伏发电总量为450TWh，总装量30GWp，仅需占地300km2，假设太阳能光伏电池全部安装在城乡屋顶，占用城乡屋顶面积的7.5%，具有非常巨大的市场潜力。2009年3月，国家推出光电新政（财政部、住房和城乡建设部印发《关于加快推荐太阳能光电建筑应用的实施意见》，同时下发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》），实施中国的“太阳能屋顶计划”。补贴标准为20元/W，相当于光伏电池安装成本的一半左右，这无疑给光伏建筑的普及注入强心剂。

4.2环境压力诺曼福斯特爵士说：“太阳能建筑并不是为了追求时尚，而是为了生存。”推广光伏技术有利于节约能源，减少温室气体排放，缓解环境压力。面对我国人均资源占有量相当匮乏的严峻现实，发展光伏建筑势在必行。

4.3社会效益建筑也是文化和信息的承载者和传递着，光伏建筑往往因为出众的造型和华丽的外表格外吸引人们的眼球。相对其他绿色节能技术而言，光伏技术是可见的，因而投资者和使用者更容易接受，同时它也对大众宣传绿色理念产生潜移默化的教育作用。