阳光、技术与美学 —光伏技术在建筑中的应用 教师：曹佰来 建筑在阳光下的表现越来越多样,阳光与建筑结合的设计正被越来越多的设计者所青睐。将光伏技术应用到建筑围护结构、建筑构件以及建筑材料中 , 并根据它们在建筑物中安装位置的不同 ,可以形成独特的视觉语言,呈现出丰富多彩的的艺术表情。

众所周知 、太阳能是最具开发潜力且用之不竭的清洁能源。太阳能发电是世纪科学技术的前沿阵地。对于太阳能在建筑应用上的尝试,国内外都有或多或少的研究与成果。太阳能电池板【光伏板】与建筑相结合就是太阳能应用方面卓有成效的一个方向。 光伏板是由阳光直接发电而不用燃料的一种能源转换装置。光伏与建筑结合的最新的提法为—光伏建筑一体化 ,并将其划分为两种结构形式：光伏屋顶结构和光伏墙结构。 下面依据光伏与建筑不同部位的结合,分别对光伏建筑围护结构 、光伏建筑构件以及光伏建筑材料作一介绍 ,并结合国外最新实例,期望勾勒出光伏建筑发展的新动态 。

一、光伏围护结构 光伏围护结构即是将光伏板与建筑的外围护结构：屋顶和墙体结合在一起的设计。建筑物围护结构既是体现建筑风格和建筑美学的主体,也是建筑功能的主要研究对象—在绝热、空调采暖和日光照明等多方面综合考虑各方面优劣得失进行优化设计 ,将能源策略运用到建筑的可持续设计里。光伏与建筑围护结构一体化设计主要表现为光伏墙体与光伏屋面的设计。

1、光伏墙体 光伏墙体是将光伏电池与建筑材料相结合构成一种可用来发电的外墙贴面,既具有装饰作用又可为建筑提供电力能源,其成本与花岗石一类的贴面材料相当。见右图 这种高新技术在建筑中已经开始应用 ,如在悉尼奥运会的奥林匹克大道上 ,盛立着座多功能塔 ,它们安装了块高效率的光伏电池板,光电池组件构成光伏墙 ,墙面发出的电力部分用来满足塔自身用电需要和路灯照明,其余电力被送入电网。每年可发电16万kw,还可向当地电网售电。

◎太阳电池装在双层玻璃的结构中,据估计 它给幕墙系统增加了20%的造价,但与整个多层建筑造价相比 ,还不到1%。 ◎光伏电池还可以与各种不同的玻璃结合制作成特殊的玻璃幕墙,称为光伏幕墙。例如,在意大利欧洲共同体联合研究中心的七层大楼的墙面上安装了光伏电池板,发电功率达25千峰瓦 ,比原计划21千峰瓦，高出20%。这可能是世界上最大的光伏发电墙。 ◎太阳电池装在双层玻璃的结构中,据估计 它给幕墙系统增加了20%的造价,但与整个多层建筑造价相比 ,还不到1%。 光伏幕墙 光伏外贴墙体

2、光伏屋顶 ◎光伏屋顶 即将光伏电池方阵安装在建筑顶部,让屋顶来发电。光电屋顶就是由光伏电池瓦、空气间隔层、屋顶保温层 、结构层构成的复合屋顶。 ◎美国和日本的许多示范型太阳能住宅的屋顶上都装有太阳能光电瓦板,所产生的电力不仅可以满足住宅自身的需要,而且将多余的电力送人电网

二、光伏建筑构件 光伏建筑构件 即是将光伏技术应用到建筑的构造设计中，如光伏窗和光伏遮阳板的设计。光伏发电元件与建筑构件结合设计,具备发电、建筑、装饰等多种功能。常用于窗户、门、阳台以及遮阳板等。 1、光伏窗 光伏窗是由半透明薄膜太阳电池制成的功能器件并应用到建筑的采光部位。它既不影响窗户的透光,又充分利用太阳中的能量发电。

2、光伏遮阳板 ◎光伏遮阳板是由单晶硅制成的光伏电池方阵安装在窗户上方作为遮阳构件 这样既可以有效地遮挡阳光,又可以将吸收的太阳能进一步转化利用到豁要的地方。 ◎光伏板还可以用于阳台、礴台、钟塔、百叶窗 装饰构架等的建筑构造设计中，光伏与建筑构件一体化已经受到设计界广泛关注,并随着光伏技术的发展,光伏构件一体化将在更多类型的建筑中呈现出多姿多彩的景象。

三、光伏建筑材料 ◎在建筑与光伏的结合方面还常见到的是将光伏器件与建筑材料结合的设计。该材料本身通过阳光照射后能够产生电力,同时又是建筑整体装饰的一部分。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材 即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户,这样既可用做建材也可用以发电,可谓物尽其美、一举两得。它们在获取更多的阳光、产生更多能量的同时影响建筑的美观,集各功能于一身,如装饰、保温、发电、采光等,是未来生态建筑生命型材料。

1、光伏玻璃 光伏电池可以与各种不同的玻璃结合制作成特殊的玻璃幕墙或天窗,如：隔热玻璃组件、防紫外线玻璃组件、隔音玻璃组件、夹层或夹丝安全玻璃组件、防盗或防弹玻璃组件、防火组件等等。 2、光伏瓦 光伏瓦是光伏电池与屋顶瓦板相结合形成一体化的产品 它由安全玻璃或不锈钢薄板做基层，并用有机聚合物将太阳能电池包起来。这种瓦既能防水,又能抵御撞击,且有多种规格尺寸,颜色多为黄色或土褐色。每片光伏瓦相当于一个电池组件的单体,各片瓦的电极联结可形成一个发电系统。在建筑向阳的屋面上安装太阳能光电瓦板,既可得到电能,同时也可得到热能,但为了防止屋顶过热,在光电板下留有空气间隔层,并设热回收装里,以产生热水和供暖。

四、光伏建筑的美学表现 光伏建筑物考虑的不仅仅是能源利用的问题,还应该充分考虑阳光照推下所呈现出的美学品质,根据光伏板安装位置的不同会呈现出不同的艺术表现力，设计者可以发挥个人想象力,将美学、技术以及功能融为一体做出具有全方位可持续意义上的优秀设计。 光伏建筑的美学不是纯脆意义上的视觉艺术，而是综合了生态、功能为一体的设计美学，它所呈现的是整体设计的最后表现形式,以及设计背后所蕴含的高技术特色

1、坡屋顶 采用普通光伏电池组件,安装在原来的建筑材料之上,也可以将屋面材料与光伏电池结合为一体，光伏电池瓦，直接安装。这种方式多见于美国的私人住宅图。具有轻松随意 与自然和谐的艺术表现力。

2、平屋顶 同坡屋顶的两种安装方式。 2003年建成的丰田汽车美国销售处,覆盖建筑物4900平方米屋面上，使用了光伏电源组系统,这个系统可以供该建筑群所用电力的20%。此类建筑通常本身具有高科技含量,但具有奄不张扬的隐喻美

3、南立面 ⑴采用光伏电池组件作为第二层表皮安装在南立面 。 ⑵使用与墙体材料一体化的光伏器件 ,直接承当建筑的外维护或承重构件,一般其立面难以识别建筑的光伏技术含量。但这种建筑通常具有规则的光伏器件尺寸和规格立面表现出韵律美。

4、天窗 采用特殊的光伏电池组件，一般为半透明的光伏材料，安装在天窗上。如右图的中厅设计采用了光伏电池天窗,因此呈现出意趣横生的光影效果,使室内空间品质独具特色。

5、立面构件 在遮阳板、百叶窗、装饰构架等设计中考虑引入光伏电池组件,立面效果独具特色。其中最有趣味的是将智能技术结合到立面构件的设计中。 例如：根据一天中太阳照射角度的变化由计算机、传感设备作出智能反应,相应地调整建筑遮阳板的角度,使室内光线呈现最佳效果

五、光伏建筑的新实例 在上世纪的美国,太阳能建筑因其丑陋的外观和效果不显著的光伏板经常受到指责、设计界普遍反对将光伏板直接贴于建筑表面、常常使用一种光伏建筑一体化的产品来隐藏立面或屋面的太阳能材料。 但近两年,通过以下几个实例我们可以看到国外正兴起一种新的美学理念—毫不掩饰的将光伏板直接应用到建筑表皮—一种全新的真实的视觉语言。

1、科罗拉多庭院 这个被柏林建筑协会评价为第一座应用光伏技术的真正美观的建筑坐落在美国科罗拉多州。它的层高的蓝色光伏板墙是设计的瞩目之处。 科罗拉多庭院是美国第一批100% 能源自给的建筑。这座先进的设施是由44套单身公寓组成的、面向低收人者的经济适用住房， 与其他高级开发项目不同,科罗拉多庭院采用了多种超常规的节能手法,提高了建筑的效能 在建造和使用的各个过程中减少了能源的消耗。 这座经济适用住宅将采用两种绿色资源发电,但不管哪种都不会对环境产生污染,由建筑立面和房顶的199块光电板产生的电流将供应楼内的大部分电力需求， 在房顶的一座天然气微型涡轮机也将提供补充电流，同时向楼内供应热水。如果全部按规划实施的话,这座建筑将完全使用自己的电力供应,白天,它可以将多余的电能转移到南加利福尼亚电网 晚上如果需要再调回来。科罗拉多庭院的太阳电力墙和遮阳板是本项 目的瞩目之处。通过围合的光伏板光线漫射进室内,形成一种独具魅力的室内光环境。旧金山的名建筑师把这种因光伏板引起的光影效果应用到室内设计中 在其后设计的旧金山儿童发展中心中获得极大的成功

2、太阳高层 这座位于美国纽约市曼哈顿巴特利公园城的太阳高层,是一座大胆的将光伏板建造到入口立面的高层办公建筑。 该建筑的设计师佩里说,晶体光伏电池本身就具有独特的视觉特征，它与其他建筑材料—砖墙的构造是协调一致的、是同性的。光伏板从建筑外面看像多彩的黑色玻璃贴在建筑表皮上,而从建筑室内仰视天窗,偶然的光通过光伏棱镜滤射进来,产生彩虹般的光影效果井生成更为永久的设计元素。

3、庞佩—法布拉图书馆 该建筑位于西班牙的马塔罗，建筑突出的特征在于立面和屋顶上均安装了太阳能光电板,这些电池板不仅是附加物,还是建筑的构造元素。该建筑在没有影响其作为公共图书馆的一般功能的前提下安装了一套可以产生电能和热能的系统。 立面在幕墙体系的基础上在内部配置了通风腔和太阳能电池板,此系统可一部分供给图书馆所需的电能和热能。该建筑的创新之处在于建筑元素以一种通用的方式实现了封闭或半透明的围合,同时将生产能量与美学追求结合在一起。立面的光伏表皮起着吸收热量的作用 ,既保护了建筑的室内,在内部又有通风腔使空气被直射的阳光加热。 多功能的光伏板夹在两层玻璃之间 ,由连接了电力系统的光伏电池构成。室内空间特点由立面和屋顶的光伏板决定的。室内光线的调节通过立面和屋顶的光伏板实现 。各种不同的光伏板的使用是按照立面对于透明 、半透明不同效果要求而确定的。

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