■邓 鑫
随着人们对节能环保理念的重视，在建筑上应用光伏（太阳能发电）逐渐成为一件“时髦”的事情。像BIPV（Building Integrated Photovoltaic）、建筑用光伏构件和光伏构件这样的名词也一再被建筑设计师和工程师们提及。甚至有人认为，只要把原来建筑上用的玻璃换成光伏构件，就实现了所谓的“光伏建筑一体化”。然而，真的有这么简单吗？
太阳能是如何发电的？
简单地说，就是因为产生了“光电效应”，光能转化成了电能。具体来说需要两个步骤：
形成PN结
以硅基电池为例，首先得找到两种半导体：
P型：在硅晶体中掺入硼、铝、镓和铟等元素，因为它们最外层都是3个电子，而硅原子有4个电子，所以，为了和周边的硅原子能“手拉手”形成共价键，它们通常需要从别的地方“抢”1个电子。这就使得P型半导体天生带负电。
N型：在硅晶体中掺入磷、砷、锑等元素。这些元素最外层都有5个电子。所以，和硅原子“手拉手”完成之后，有一个电子就会无事可做，变得相对自由。而这些自由的家伙，碰到上面所说的P型半导体就会被“抢走”。这就让N型半导体天生带正电。
把P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅）基片上，PN结就大功告成了。
让PN结晒太阳
上面说了，P型半导体的电子是“抢”来的，所以它不太老实。当这些电子晒到太阳的时候，能从太阳的光子中吸收能量，而吸收了能量的电子，单靠硅原子的“手”可就抓不住了——它们会成为自由电子。而丢掉了电子的“手”就变成了——空手（学术上叫作空穴）。这些自由电子会在“同性相斥，异性相吸”的自然法则作用下，被驱赶到天生带正电的N区，空穴被留在了P区。这时候，如果我们能把它们从外部用导线连接起来，神奇的事情发生了，P型半导体就开始从旁边“好欺负”的导线中“抢电子”，而导线又从N型半导体中“抢”电子，于是，电流形成了。
最早量产的光伏电池是硅基光伏电池，就是利用硅材料作为基材制造PN结。常见的电池类型是单晶硅和多晶硅。随着技术的发展，以砷化镓、碲化镉为代表的薄膜电池逐渐走入人们的视线。
什么是BIPV和建筑光伏构件？
BIPV是Building Integrated Photovoltaic的缩写，翻译过来是光伏建筑一体化的意思。《光伏建筑一体化系统防雷技术规范》GB/T 36963—2018给出的标准定义是：在建筑上安装光伏系统，并通过专门设计，实现光伏系统与建筑的良好结合。其实简单讲，就是使用光伏组件成为建筑的构件。
而这样的光伏组件，我们就叫它建筑用光伏构件。根据《建筑用光伏构件通用技术要求》JG/T 492—2016，它的完整定义是：具有建筑构件功能的光伏发电产品（简称光伏构件）。
光伏构件有什么好设计的？
这是很多建筑设计师和工程师都爱问的问题。现在大家都知道，不能直接把传统的标准组件用在建筑上，但是不是拿原来建筑构件的形态，想办法把光伏电池封装进去就可以了呢？比如原来是夹层玻璃，把光伏电池夹进去就是光伏构件了？对也不对。对的是，这里兼顾了建筑构件和光伏组件的要求，的确可以用在像光伏栏板等简单场景中。但如果用得不恰当，可能就会使得发电量下降、建筑能耗上升，甚至导致构件碎裂。
尺寸设计：大了好还是小了好？
光伏构件的尺寸选择其实很广，在这上一点儿也不“矫情”。这是因为晶体硅电池片是一小片一小片的，所以理论上可以拼出各种尺寸，薄膜电池也可以通过对基板的裁切形成不同大小。但有两点要注意：一是因为绝大多数光伏构件要使用钢化玻璃，所以要注意尺寸不要小过钢化玻璃的最小尺寸，也就是300mm×300mm；二是如果能用常规光伏组件的尺寸（如碲化镉薄膜电池选择1200mm×600mm），而不是通过裁切等方式组合成一个比较特殊的尺寸，光伏构件的价格可能会便宜一半。
颜色设计：不只是深色的晶体硅才会发电
您觉得光伏构件是什么样的呢？其实，光伏构件可以做得非常多样，比如一个平瓦屋面，常见石材的外表，也可以让它摸起来像石头，甚至是一幅画。但有一点一定要注意，那就是：光伏构件首先是一个构件，有建筑功能，但如果要发电效率高，还得尽量用标准组件的颜色。
仿石材光伏构件
透光设计：要付出点代价，但是能做到
光伏构件需要用阳光发电，因此它天生和透光是矛盾的。但如果您愿意付出降低转换效率的代价，它也是可以透光的。比如通过激光把整片电池中的一部分“干掉”，或者是把电池集中到构件的一部分，还可以是把晶体硅电池片排布得稀疏一点。
不过还是要说一句，用光伏构件透光效率是不高的，还可能造成室内光线颜色变色，所以正常情况下尽量不要把光伏构件用在需要透光的部位。
散热设计：不是只有光伏构件怕热
一说到散热，可能很多人会想到高温会让光伏构件的光电转换效率变低，但实际上还有一个潜在的影响，那就是穿了件深色的“光电外衣”后，建筑自己也会感觉很热。所以需要做散热设计。
目前散热设计的方法主要有两种：一种是在光伏构件和建筑之间设置一定厚度的空气层（一般在50mm以上），并且在上下设置通风口，利用热空气上升的原理带走热量；另一种是在光伏构件和建筑之间设置绝热层，让光伏构件单面散热。需要注意的是，第二种方式无法避免构件本身的温度上升。
位于广东省珠海市的水发兴业新能源产业园研发楼用了非常多的光伏构件元素。其中最有意思是立面的光伏遮阳构件，它不仅很好地处理了散热问题，而且能够利用热空气在不同季节为建筑的功能服务。
（作者单位：珠海中建兴业绿色建筑设计研究院有限公司）
本文原载于《中国建材报》11月21日6版
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