光伏系統是利用太陽能電池組件和其他輔助設備將太陽能轉換成電能的系統，發展至今，應用已經非常廣泛，從早期偏遠無電地區的光伏獨立系統，到現今西部地區如大海一般一望無垠的地面光伏電站，從農業到軍事、從交通到建筑、從通信到漁業，無處不見光伏的身影。無論怎樣劃分形形色色的光伏系統，從載體上來區別最大的兩個領域無非是在地面上安裝光伏系統和在建筑上安裝光伏系統，而在建筑上安裝光伏系統又根據二者的結合程度不同分為：屋頂附加光伏系統(BAPV，—Building attached photovoltaic)以及光伏建筑一體化(BIPV，-- Building integrated photovoltaic，通常的理解為：對于光伏系統與建筑物實行一體化的規劃、設計、制造、安裝和使用的與建筑良好結合的系統為BIPV。反之，簡單地附著在建筑上，主要功能是發電，與建筑物功能不發生沖突，不破壞或削弱原有建筑物功能的則為BAPV。但如果要對BIPV作更深層次的理解則應該是：可以與建筑圍護結構渾然一體，不可分割且不影響圍護結構的其他功能，如美觀性、安全性、采光性、通風性、舒適性、水密氣密性等的系統才能稱為真正的BIPV系統。二者之不同導致設計思路、施工安裝的專業整合、投資回報等方方面面的不同。下圖按照光伏能源系統的應用進行了分類，常常有投資者問：在建筑屋面上安裝光伏系統和地面上安裝有啥區別啊?不就是把光伏系統從地面搬到了屋面嗎?都是在建筑上安裝，BIPV與BAPV又有什么不同呢?本文將詳細分析這三者之不同，有助于讓投資者、設計者、安裝者了解更全面清楚地理解建筑光伏系統，同時清楚建筑光伏系統的技術壁壘。

　　一、 BIPV與BAPV的不同

　　除了從概念上理解的不同以外，還應從投資、設計、施工、運行等全方面去理解：

　　(1)一體化設計：光伏建筑一體化系統的成本跟建筑物的設計階段以及光伏電池與建筑裝飾材料生產過程的結合程度有很大的依賴關系。 。如果能讓建筑師了解、熟悉、并認可光伏，他們就能在概念設計時加入太陽能的元素，這在歐州國家，尤其是以節能環保（詞條“節能環保”由行業大百科提供）著稱的德國是司空見慣的，每一棟新建建筑都會充分考慮并加入太陽能尤其是光伏的元素，這樣的理念和對光伏的認可是貫穿業主、投資者、設計師、施工方等所有建筑從業者的。這樣的高度一致性就自然產生了高度一體化的光伏建筑，光伏介入得越早，光伏就越能充分利用建筑這個載體，發揮作用，增量成本就會越低。所以，有人說BIPV是個非常昂貴的東西，這是錯誤的，BAPV系統可以說投資的每一瓦對于原建筑來說就是增量投資，而獲得的收益就是其發出的電，是最簡單的發電設備投資分析;而BIPV的一體化做得的越好其產生的效益就越大，可以不僅僅利用其發電性能，還可以是裝飾性、圍護性能以及對光伏發電（詞條“光伏發電”由行業大百科提供）產生的熱能的利用。

　　(2)建筑設計：BAPV系統除了需要考慮建筑及其構配件對光伏的遮擋以外，很少涉及建筑設計，但BIPV系統直接替代建筑構件，建筑設計是重中之重。要建造一座完美的光伏建筑，尤其將太陽電池作為建筑裝飾材料去實現建筑的某些功能要求，除了一體化的規劃設計以外，細節就表現在一體化的建筑設計上了。“什么樣的建筑選用什么樣的外飾材料”，這是以建筑為本的設計;“選用什么樣的外飾材料使之成為建筑的主題”，這才是一體化的優秀設計。2010年的上海世博會上處處可見這樣的建筑：藤條做的西班牙館“藤條籃子”、 透明混凝土（詞條“混凝土”由行業大百科提供）做的意大利館“人之城”、木格柵做的加拿大館“楓葉印象”、紙塑復合材料做的芬蘭館“冰壺”、氧化鐵做的盧森堡館“森林和堡壘”、膜結構（詞條“膜結構”由行業大百科提供）的中國氣象館“云中水滴”、PVC膜做的中國航空館“云”等等，英國館 “種子神殿”的設計師這樣說“我要用一種光纖管的材料來實現我的建筑”。他們先選擇了材料然后才有了以這種材料為主體的建筑創意。優秀的光伏建筑一定要走一體化設計的道路，建筑師先確定了某種形式的光伏構件（詞條“構件”由行業大百科提供），然后根據太陽電池本身的特點，如朝向、背面溫升、電池顏色和形狀尺寸的特點等等，去思考應該設計一座怎樣的建筑才能與之相配，這才出現了建筑形態和立面。這是一門相對于傳統建筑來說更有科技含量，更需要多專業配合的建筑藝術。很明顯，即便是簡單的屋頂電站，也不等于太陽能光伏系統加建筑，無論從美學、結構、功能還是接入，都不單單是簡單地的相加;。而是應該滿足建筑的節能、環保、安全、美觀和經濟實用的總體要求，將太陽能光伏發電作為建筑的一種體系進入建筑領域，納入建設工程的基本建設程序，同步規劃、同步設計、同步施工、同步驗收，與建設工程同時投入使用，同步后期管理，同壽命周期、統一考慮拆除和回收，使其成為建筑有機組成部分的一種理念。其核心是需要一體化的設計、制造、安裝，而輔助的技術則包括了能量審計、成本控制等。由于太陽能光伏發電與建筑的結合技術在世界范圍內都是屬于比較前沿的課題，和中國幾百年的建筑經驗相來比較，還缺乏很多經驗數據和科研課題。因此，目前的光伏建筑系統設計還沒有太多系統的規范和標準可以參考和執行。從事光伏建筑設計的設計師大多依賴國外的參考書籍和一些產品標準，再根據以往的一些工程經驗進行摸索和設計。但有一點是肯定的，這是一門需要多專業配合的學科，至少包括了四大專業：建筑、結構、機械、電氣，缺一不可。按從光伏建筑應用方式可以分為光伏屋頂系統、光伏立面系統、其它光伏系統三大類型，其他中光伏立面主要包括各種光伏幕墻產品和光伏遮陽產品，比如做成立面光伏玻璃(采光光伏幕墻)，層間隔板系統(非采光光伏幕墻)、光伏欄桿、光伏百葉、光伏遮陽板、光伏雨篷等。光伏屋頂系統除了最簡單的屋頂電站以外主要包括光伏瓦、輕鋼屋面板外附光伏系統、瓦屋面外附光伏系統、光伏采光頂、光伏屋面卷材等。其它系統還有光伏小品、光伏停車棚、光伏候車亭、光伏造型雕塑等。可以看出BIPV種類繁多，除了滿足光伏系統發電功能所需滿足的電氣性能以外，各種類型所對應的建筑物理性能也必須滿足。建筑光伏構件在建筑中的作用及分類，決定其需要滿足的建筑性能，如下表：

　　注：1 表中●——必檢項;◎——可檢測項;○——需考慮項;

　　2 可檢測項及必檢項下方的標準代號表示：該項性能應滿足括號中標準中第幾條的要求;

　　3 其它建筑光伏構件根據其在建筑中的作用，應滿足剛度、強度、防護性能及相應建筑部位的性能要求。

　　無論采用哪一種形式，光伏建筑的應用首要前提是在不影響整個建筑外觀和結構的情況下針對建筑內的負載或能耗能夠最大程度上地的將能源有效利用。因此，我們把建筑設計中對建筑的理解作為設計重點——要保證建筑物不因光伏系統的附加而影響其安全性、藝術性和功能性。這也是BIPV為什么把“B”放在前面的原因。：

　　(3)結構設計：對于BIPV的結構設計，一般會參照建筑幕墻、采光頂或遮陽標準，這些標準實施多年，有經驗、科學性，行業認可度高，沒有太多的異議，而對于BAPV的結構研究卻是一個全新的、，被行業忽略的領域，尤其是風荷載的取值。所以，作為技術壁壘在第三章會對整個光伏建筑光伏的結構問題進行一個剖析和闡述。

　　(4)建筑功能：如前面所述，BAPV主要只是實現了發電功能，而BIPV除了需要達到發電要求以外還需要滿足其所在建筑部位相應建筑功能的所有物理性能，我們會在3.6節按照建筑部位的分類詳細分析其相應的建筑性能要求。

　　(5)光伏組件與構件：顯然，BAPV一般會采用廠家提供的標準光伏組件，而BIPV則必須采用通過專門的設計、定制加工的光伏構件，與建筑物的梁、板、柱一樣，光伏組件在建筑中被稱之為“構件”，標準中的定義為：工廠定型生產、滿足安裝部位建筑功能要求并具有光電轉換功能的組合構件。對于不同的電池類型，室內外裝飾效果截然不同，需在初步方案設計時甚至項目規劃初期，根據建筑功能、風格全面考慮，和諧統一，使光伏系統融入于建筑中，渾然一體，避免后期確定帶來的設計敗筆。同時，采用電池板類型不同，相同面積下的電池板安裝功率也不同，即最終發電量也不同。如果按相同電池板安裝功率，所需數量(面積)也各不相同。故需在建筑初步設計時首先確定電池板的類型、數量、尺寸、形狀、顏色、透光率等。

　　在實際應用中，光伏構件與光伏組件存在著下表所述的區別，也而反映出光伏構件存在的實際問題：

　　從上表可以看出無論是普通的晶體硅光伏組件還是薄膜光伏組件，從國際到國內都有成熟的被廣泛認同的標準在執行運用，有配套的實驗室作做檢測，有完善的認證評估體系，全世界有非常非常多的案例可參考借鑒。但是，“光伏構件”這個名詞是近年來才被建筑師所提出來的，在國外叫做“BIPV module”。除了1.3.3.1和1.3.3.2提到的光伏夾層玻璃和光伏中空玻璃被發明出來的時間稍長以外，很多新型的設計出來卻是光伏組件北京火車南站要滿足電氣和建筑要求嚴格。很多創新的光伏構件是根據不同建筑的需求而提出的，不但需要滿足電氣和建筑物理性能的各項性能要求，還承載著建筑獨特的單一性，如尺寸、顏色、電池排布等，對不同的建筑部位還可能有一些更特殊的要求，如防火、隔音等。

　　對電池的要求主要是轉換效率高、工作性能穩定。對組件的要求主要是符合建筑要求，包括強度、外觀、尺寸等，對不同的建筑還要符合一些特殊要求，如防火、隔聲音等。

　　由于沒有健全的產品標準和檢測標準，很多新型的光伏構件都屬于試制、示范階段，有待時間的考證。盡管如此，也有很多對建筑和光伏兩個領域都深感興趣的人士發明了各種各樣的光伏構件，各種面板、各種背板、各種顏色的膠片、各種形狀等等，見下圖：

圖1多彩多姿的光伏構件

　　對于BIPV光伏構件在發達國家在建筑上的應用應引起足夠的重視，還需要進一步提高光伏建筑一體化應用技術，完善維護的及時性、應急處理、表面破裂、漏電保護等不確定因素的解決方法。在目前尚無相關技術標準規范的情況下，應正確地認識和理解光伏建筑一體化技術，合理地應用，以實現光伏系統與建筑的良好結合。

　　二、1.1.2 BAPV與地面光伏系統的不同：

　　(1)(結構安全性：地面光伏系統與建筑屋頂光伏系統的安全要求顯然不同，簡單說，如果屋面光伏系統被風吹翻甚至吹落屋頂，那么輕則有可能損壞建筑上的其它設備，重則發生人生安全事故，所以結構設計的重要性不一樣，這一點可以參考后面的具體描述。所以屋面光伏系統應根據不同地區、不同高度的建筑所承受的外荷載值，尤其是風荷載、雪荷載等進行強度驗算，以確保從光伏組件到支撐系統到主體結構的強度均滿足設計要求。

　　(2)電氣設計：光伏屋頂電站通常為分布式光伏能源應用，一般為低壓側并網，即發即用，余電上網。而光伏地面電站卻多數為集中電站，需要升壓遠程輸送。因此電氣設計有很大的不同，如逆變器的選擇：BAPV選擇的逆變器多以小型組串式逆變器和中型逆變器為主，有些還采用微型逆變器，而光伏地面電站多數選擇大型集中逆變器或中型組串式逆變器;并網點不同：屋頂電站可能會多點就近并網，而地面電站則通常為單點集中并網;設備房：建筑光伏系統的設備間通常由建筑主體提供，所以必須同時滿足建筑本身的要求，而地面電站通常需要單獨建造，滿足電氣設備房的要求即可;光伏線纜敷設：建筑光伏系統的設備房通常在地下室，因此，必須考慮光伏線纜垂直和水平兩個方向的敷設路由，而地面電站一般不用考慮垂直方向的敷設;接入設計：地面電站通常需要二次系統繼保設計、與上一級電站通訊并接受調度，而屋頂電站一般不需要。

　　(3)(陰影分析：地面光伏系統多安置在空曠地面上，光伏方陣的陰影分析只需考慮光伏組件的前后排遮擋和集電線路、避雷針、逆變小室、中控機房等的局部遮擋。而建筑屋頂系統的陰影分析卻復雜很多，樹、廣告牌、女兒墻、屋頂設備、煙囪、相鄰建筑的日照遮擋等等。不能只用計算光伏陣列的間距、傾角等標準公式計算，還可能需要使用專門的陰影分析軟件，常用的有生態建筑分析軟件(Autodesk Ecotect Analysis)或草圖大師(SketchUp)等軟件。

　　(4)(施工安裝：建筑屋頂光伏系統的施工安全顯然要求比地面光伏系統多而嚴格，除需滿足電氣施工要求以外還必須滿足建筑施工安裝的各項要求。尤其是在高層建筑屋頂上進行施工，必須滿足建筑安全施工的各項要求。例如：高層焊接、防火、防墜落等必須按要求做足各項施工安全措施;項目班子必須按照“建筑施工8大員”配備;要服從總包管理和監理監督等等。但是地面光伏系統多數為電氣設備安裝，只需滿足電氣行業的安全施工要求即可，當然，也需要考慮安裝支座（詞條“支座”由行業大百科提供）或樁的沉降變形（詞條“變形”由行業大百科提供）、空曠地區的風荷載對施工過程的影響。

　　(5)(系統防雷：建筑屋頂光伏系統的防雷通常是將電站防雷與建筑主體防雷系統相連接，屬于圍護結構防雷的一般做法;而對于地面光伏系統，由于它沒有所謂的主體，則須構造單獨的防雷系統，其做法類似于建筑上的主體防雷。

　　(6)(附著面：無論是金屬屋面、瓦屋面還是混凝土屋面上的屋頂光伏系統，電站施工前的施工面往往是相對平整的，不需要額外的平整處理，而地面光伏系統在施工前地面都不可能做到完全平整，因此在施工前需進行土地平整，這相對于屋頂電站增加了成本和工作量，此估價是需要單獨考慮的。

　　(7)(施工配套：建筑屋頂光伏系統的施工多在主體結構建筑基本完工時進行，用水用電通常可以通過既有土建施工用水、電或建筑本身的水電來保證，但地面電站則不能享受到這些“優惠”，尤其在偏遠地區施工時需要對工地的臨時用水、用電進行專門的設計和考慮。

　　(8)(基礎沉降：與屋頂光伏系統直接修筑在主體結構上不同，地面光伏系統須直接建在稍加修整的天然地面上，因此，地面的不均勻沉降是一個不可回避的問題。如果設計時考慮不周，極有可能造成條形基礎開裂和光伏組件支架變形、光伏子陣間遮擋或者光伏子陣朝向不一致等。

　　(9)(商業模式：大型地面電站的商業模式單一，光伏所發全部電量出售給電網，享受光伏標桿電價;而建筑光伏一般安裝在負荷中心和用電側，屬于分布式發電系統，商業化模式多樣：全部賣給電網，享受標桿電價;自發自用，余電上網;全部自用;凈電量計量等。

　　三、技術壁壘

　　無需置疑，結構安全是建筑存在的前提。但安全性過高又會帶來經濟性的降低，在保證系統安全的同時又能將結構造價降至最低，才能推動建筑光伏行業的健康發展。由于建筑是人類活動最為頻繁和密集的地方，光伏屋頂電站所需要的安全性能遠比光伏地面電站要嚴格和重要得多，這就需要專門的結構師對系統作整體的計算和設計，在光伏系統總承包領域，擁有注冊結構師的公司應該屈指可數。而光伏屋頂電站的結構設計標準的缺失導致了光伏系統的結構設計混亂，參考現有標準的設計結果是：如果所有指標全部按照“低配”取值，無疑是非常不安全的;如果全部按照“高配”取值，又是非常不經濟的。這就需要大量的工程實踐經驗再配合理論進行設計考慮，重點主要體現在以下幾個方面：

　　(1)結構安全等級不明，可靠度指標不確定;

　　眾所周知，結構設計前必須確定結構的安全等級，進而根據其安全等級確定它們的目標可靠度指標(在設計中是確定安全等級對應的重要性系數)。

　　《建筑結構可靠度設計統一標準》GB 50068-2001根據基于概率的設計方法，規定采用結構可靠度指標β值，作為結構失效的基本判據，其定義為：

　　對于不同類型的結構，《建筑結構可靠度設計統一標準》GB 50068-2001表3.6.1(如下表)有不同的規定：

　　結構構件承載能力（詞條“承載能力”由行業大百科提供）極限狀態的可靠度指標

　　注：當承受偶然作用時，結構構件的可靠度指標應符合專門規范的規定。

　　因此，通過分析確定光伏電站的結構類型，進而確定其對應的可靠度指標在實際設計中是到頭重要的，它關系的結構的失效概率，然而實際情況是，大多數設計都并不清楚，應該采用何種安全等級，目標可靠度應定為多少。

　　(2)風荷載計算：

　　首先來看荷載計算，《建筑結構荷載規范》GB50009的第7章風荷載給出了兩種結構形式的計算公式，一種為：主要承重結構，另一種為：圍護結構。同一個案例兩個公式計算得出的結果相差甚遠，以假設B類地區某鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）構筑物長5m，寬5m，高10m為例來計算，結果如下表：

　　可以看出：

　　1. 基本風壓如果取25年重現期，荷載降低11%--13%，對主要承重結構的風振系數稍有影響。

　　2. 主要承重結構的風振系數與圍護結構的陣風系數相比，降低約30%。

　　3. 體型系數影響降低30%。

　　綜上：按“低配”設計比按“高配”設計風荷載降低55%--58%，意味著支撐系統的設計會降低一半。

　　光伏屋面系統的結構形式顯然不屬于圍護結構，當然也不是主體結構，那么究竟應該如何計算?如果屋面附加的光伏系統出現破損時對人員的傷害概率相對于主體結構和圍護結構來說都不算太大，那么在做承載力校核時結構構件重要性系數，是否可取為0.9?或者綜合兩個問題同時研究得出綜合結論呢?當然在保證安全的前提下我們希望取低者。因為無論是新建建筑還是改建建筑，光伏系統在建筑中大量的應用還是在屋面上附加，經濟性的評價是實現大面推廣的前提。今年電池板的價格已經降到了谷底，光伏屋面電站的系統成本成為爭取項目的重要指標，可以說系統集成每瓦以毛為單位在衡量。這個時候，安全前提下的經濟性就顯得尤為重要。正在修編的《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》JGJ203在編制組的努力下試圖解決荷載取值問題，業內共同在期待著本標準的發布。

　　(3)光伏構件的熱應力的考慮

　　由于太陽能電池在發電的同時還會存在背面溫升的問題，也就是說光伏構件相對于普通玻璃來說自身的晝夜溫差、冬夏溫差更大，產生的溫度應力和形變更加不可忽略。設計中玻璃面板的縫寬應滿足面板溫度變形和主體結構位移的要求，并在嵌縫材料的受力和變形的承受范圍之內。入槽的光伏構件邊緣至邊框槽底的間隙如果設計不夠就會造成光伏構件的熱應力得不到釋放而擠壓破裂，而顯然《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102中的4.3.12條給出的公式是沒有考慮溫差形變的，只能作為參考。在國家標準給出這個間隙的新的計算公式以前，支撐系統的設計就需要工程經驗了。

　　(4)既有屋面支撐系統的結構設計

　　我國現有大約400億m2的建筑面積，屋頂面積40億m2，利用既有建筑閑置屋面加裝光伏系統，成為光伏建筑的一個龐大分支。這種安裝形式有效利用屋頂資源，簡單易行，值得提倡。但是這種二次安裝沒有統一的標準和規定，對現有建筑物的屋頂的防水（詞條“防水”由行業大百科提供）和承重破壞比較嚴重，其次系統本身的結構設計也是一個重點，一定不能與地面電站劃等號。為了不影響原有屋面的防水保溫功能，支架基座不一定與建筑物主體結構有連接，但規范應強制規定這種結構必須控制系統整體的抗滑移、抗傾覆能力，這個計算辦法規范并沒有給出，也不是簡單的一個公式可以算出，這就需要專業的結構設計師進行專項設計計算了。同時在9度以上地震地區需要考慮豎向地震力的情況下不宜設置與主體結構無連接的屋面光伏系統。

　　特別補充：對于地面電站，安裝環境通常為風壓較大的的荒漠地區，因此，抗傾覆驗算更加是必不可少的。然而，由于混凝土基礎與地基都不可能做到完全剛性，因此，其驗算中對之取矩的點不能取在基礎的邊緣，而應稍微偏內側一些，但內移的距離，現在尚無相關的實驗參數，能否參照目前的普遍建筑的規范也需要進一步論證。

　　(5)金屬屋面支撐系統的結構設計

　　由于直立鎖邊點支承屋面系統被廣泛用于機場、鐵路站房、會展中心、體育場等占地面積大的底平型公用建筑，而往往這種建筑的屋頂正好是光伏系統的最佳利用場地，因此，目前直立鎖邊金屬屋面外附加光伏系統的情況也是普遍存在的。光伏系統與金屬屋面的連接往往依靠一種與T支座相配套的鋁合金夾支撐金屬屋面以上的系統，無需穿透屋面，完全可以保證屋面系統原有的整體防水保溫性能。但值得關注的是：很多項目從設計開始，一直到后期的招投標、采購、安裝、維護等過程均未能實現完美的一體化，屋面以下的直立鎖邊金屬屋面系統為屋面板廠家設計、施工、安裝，屋面以上的光伏系統由電池板廠家設計、安裝、維護。通常電池板廠家可以與建筑師配合好電池板的朝向、陣列、建筑造型等問題，而忽略了光伏電池板如何將自重、活荷載、雪荷載、風荷載等結構荷載合理科學安全的通過直立鎖邊金屬屋面系統傳至屋頂鋼結構的問題。為了節省光伏系統的支撐龍骨，將鋁（詞條“鋁”由行業大百科提供）合金夾隨意放置于金屬面板直立邊的任意位置的情況普遍存在。而根據實驗：標準為400mm板寬，0.9mm板厚的直立鎖邊金屬板安裝在間距為1200mm的檁條上,可以承受不超過0.9kN的直立邊跨中集中力。而1m2電池板自重0.3kN，屋面活荷載為0.5kN，就算不考慮風荷載僅考慮恒荷載和活荷載的組合，組合設計值為1.06kN，一平米設兩個支點，則一個支點的集中力為0.53kN ，已經達到極限荷載的60%，從結構安全度上來講是非常危險的。更加危險的是，由于電池板多數為了考慮盡可能多的接受太陽輻射而設計為最佳傾角，已產生與原金屬屋面完全不同的較大的正負風荷載，因此，絕不能忽略安裝電池板帶來的風荷載的改變對整個屋面系統結構的影響。正確的將屋面電池板的荷載傳遞至屋面鋼結構的路徑應該是：電池板荷載--電池板支撐龍骨--鋁合金夾--T支座--屋面檁條--屋頂鋼結構，與直立鎖邊金屬板無關。規范應明確規定：附加在金屬屋面板上的組件所承受的荷載應通過結構連接件有效轉遞至屋面鋼結構檁條上，不宜將金屬屋面板作為傳力構件。

　　綜上所述，在建筑上安裝光伏系統絕不是簡單的將地面電站搬到屋頂上，或者將幕墻的面板用光伏構件進行替代那么簡單。這是建筑和光伏兩個完全不同的技術領域的交叉和疊合，既需要和專業的合作有需要相互的妥協。在這條路上，總會有光伏和建筑產生的美妙的火花，也難免出現失敗的案例給大家失敗的教訓。也正是因為這個交叉領域有太多的未知，才激起人類的不斷探索。只要從業人員認識到這些差別，了解這些技術壁壘，項目就會越建越好，成功率就會越來越大。