早在十多年前先进国家的政府提出屋顶太阳能发电计划的时候，光伏科技工作者就开始考虑能使环境优美、居住舒适的建筑一体化光伏（building integrated photovoltaic，BIPV）技术了。BIPV技术是大规模应用太阳能的需要，也是人类就近利用太阳能这一最终唯一安全可靠能源的最好方式。把太阳能同生态结合起来、把几千年来房屋只是人类居住、遮风挡雨、避寒暑、娱乐的简单建筑发展成能源自给、自我循环式的新型建筑，这也是人类进步和社会、科学技术发展的必然。十多年来，各国的光伏科技工作者对BIPV技术做了许多研究、开发和示范［8～10］，如图11．29、图11．30和图11．31所示。
图11．29 各国的BIPV技术应用示范（Ⅰ）
（a）上海轨道交通3号线BIPV声屏障 （b）上海交通大学生态房BIPV屋面（c）日本神户某别墅BIPV屋面 （d）北美某地5．4MWp薄膜电池大型BIPV屋面
图11．30 各国的BIPV技术应用示范（Ⅱ）
（a）意大利罗马交易会1．4MWp薄膜电池BIPV屋面（b）德国弗莱堡市居住区的BIPV屋面 （c）瑞典某地居住区的BIPV屋面
图11．31 各国的BIPV技术应用示范（Ⅲ）
（a）沈阳恒隆地产中街广场150kWp光伏遮阳百页（b）香港圣保罗小学光伏采光顶棚 （c）德国柏林火车站光伏采光屋顶
在BIPV系统中，太阳电池方阵作为光伏系统的主体是寄生在建筑上的，是建筑上不可分割的一部分，集发电、保温、遮风挡雨等多重功能于一体，可以与建筑同时设计、同时施工安装。由于其本身可以替代一部分建材，因此可以节约原有屋面材料，降低建筑成本。在推行BIPV技术时有两种太阳电池组件类型可供选用。一种是普通太阳电池组件，施工时通过装配件把太阳电池组件同周围建筑材料结合起来，组件之间和组件与建材之间的间隙需要另行处理。其优点是太阳电池组件可以在普通流水线上大批量生产，生产成本低，价格便宜，既可以用于BIPV又可以用于BAPV；其缺点是单体无法直接代替建筑材料使用，施工成本略高。另一种是建材型太阳电池组件，这是一种在生产厂把太阳电池芯片直接封装在特殊建材上的组件，设计有防雨结构，施工时按模块方式拼装，集发电功能与建材功能于一体，施工成本低，如光伏瓦、光伏幕墙等。但是由于必须适应不同的建筑尺寸，很难在同一条流水线上大规模生产，有时甚至需要投入大量的人工进行手工操作生产，导致生产成本高。
上海交通大学太阳能研究所于2001年建造了一所多能互补生态能源房，屋顶采用了普通组件型BIPV技术［见图11．29（b）］。其安装设计如图11．32所示，在角钢制作的屋架上铺设防雨保温板，在防雨保温板上按一定间距固定枕木，枕木上再固定工字型材，然后按特殊的施工方法设置太阳电池组件。为了给组件背面通风降温，在组件框架与防雨保温板之间留下了约50mm宽的间隙。该设计的特点是任意一块太阳电池组件都可以随时拆卸进行单件测试或更换，而不需要拆卸螺丝或固定件。该能源房运行数据表明，对于BIPV屋顶结构，只要通风设计良好，太阳电池背面温度的上升程度与BAPV结构相差不大，基本上没有额外的不利影响［9］。
图11．32 普通组件型BIPV方阵的结构
近几年随着光伏市场的迅速扩大，国家也出台了不少示范项目，但是能大规模推广的、适合于民居的BIPV技术应用范例尚不多见。
2009年上海电力学院南汇校区学生活动中心建了一套屋顶BIPV系统，如图11．33所示。该示范项目采用了兼具组件型与建材型两者特点的太阳电池组件，采用嵌入方式与预制的屋顶构架结合，形成一种比较典型的BIPV方阵［11］。
图11．34是嵌入式BIPV屋面的构件研发示意图。BIPV电池组件由建材型塑钢与太阳电池两种功能材料有机结合，可以在工厂批量生产，直接用于建筑屋面建造，替代传统的屋面瓦片，并同其他建材和构件结合，形成一个完整的屋顶代替传统的混凝土浇筑层加屋顶瓦的结构。BIPV屋面构件的关键是要解决好屋顶防雨和太阳电池的通风散热问题。
图11．33 上海电力学院南汇校区学生活动中心BIPV屋面
图11．34 嵌入式BIPV屋面的结构示意图
采用建材型塑钢作为BIPV电池框架材料是因为其具有以下优点：
（1）绝热性、气密性、水密性、隔音性极佳，生产能耗是铝材的1／8。(www.xing528.com)
（2）PVC型材不锈，不朽，其耐酸碱、海水、酸雨、盐雾及其他化学介质的能力是铝材无法达到的，从而适用地域广。
（3）具有较强的绝缘性和防火性。
（4）强度高，抗冲击、抗风压性能好。
（5）在价格上比铝合金框架结构便宜，有较大价格优势。
浙江某公司研发的专用于BIPV屋顶发电的嵌入式BIPV屋面构件有如下组成件及功能：
（1）作为光伏发电主体的太阳电池组件，由塑钢型材边框封装。
（2）用于承载框架和太阳电池组件的钢架结构。
（3）用于嵌入太阳电池组件的型材塑钢框架。
（4）用于防止两组型材框架之间漏水、渗水的防水压盖。
（5）起到脊瓦作用、安装在光伏屋顶脊梁两侧的两端防水盖。
（6）在脊式光伏屋顶中，起到防水脊瓦作用的中间防水盖。
（7）防止两组中间防水盖之间漏水、渗水的顶部防水盖。
（8）用于两端防水压盖两侧防水和排水的顶部挡板。
（9）将屋面雨水排出的水槽。
（10）用于承载水槽的水槽托板。
防水是建筑屋面最重要的职能。将屋面防水分解为防径流、防滴漏、防渗透。具体对策是，选择优质型材，在结构上加以改进，嵌入防渗条，再按照一定规格、尺寸裁剪，组合成框架系统，既便于镶嵌光伏组件，又利于接纳导引径流，防止滴漏和渗透。整个BIPV屋面方阵采用大小模块化的拼装形式，块与块之间采用特殊构件进行连接，达到防水、防滴漏和防渗透标准。
BIPV屋面方阵与建筑围护的连接采用了钢架结构。钢架部分是整个屋面的承载体，钢架由承重钢梁（槽钢、工字钢）和简支梁等组成，依据屋面的跨度来标定设计尺寸。钢架以下的部分则按常规设计施工。
经过改进后，这种嵌入式BIPV电池组件作为光伏系统的主体设备用在了前述家庭微电网中，竣工后的外观如图11．35所示。经过一段时间的运行，系统效率达到平均77%，这一数值与BAPV大体相同［4］，说明BIPV屋面方阵只要在通风散热方面设计得当，光伏系统性能就不会下降。
图11．35 上海某别墅BIPV屋面
BIPV技术的推广工作方兴未艾，进一步完善光伏方阵与周围建材的平滑连接，做到光伏方阵与建筑的完美结合，这些技术改进需要有建材生产厂家和建筑设计部门的参与才能达到理想的结果。
随着经济建设和社会的发展，光伏技术将与建设新农村和城市花园化密切结合，并最终体现在建筑上，因此应更多地研制适合各种建筑和不同屋面形状、便于安装、拆卸和维护的BIPV产品，以适应社会发展的需要。
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