光伏建筑一体化设计浅谈

来源:用户上传      作者: 黄向阳　何　清　谢士涛

　　摘要：本文给出了光伏建筑一体化(BIPV)的定议，分析了BIPV与BAPV的区别。着重讨论了光伏建筑一体化设计中需要注意的几个问题，以供参考。
　　关键词：光伏建筑一体化设计；BIPV的定议；BIPV设计中的问题
　　
　　1　前言
　　
　　随着石化能源的逐渐枯竭，自然环境的恶化，人们越来越重视太阳能、风能等可再生能源的利用。光伏建筑一体化建筑是光伏应用形式中最接近人类生活的一种，其效果的好坏将直接影响到人们对光伏产品的映像。
　　
　　2　光伏建筑一体化的定义
　　
　　光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。BIPV即Building Integrated PV，PV即Photovolta-ic。光伏建筑―体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV：Building Attached PV)的形式。两种系统的实例请见图1、2、3。
　　
　　图1为南玻大厦外循环式双层光伏幕墙，采用多项专利技术解决了光伏组件的散热问题、以及双玻组件受力的问题，同时保持原有建筑外立面效果。
　　
　　图2为深圳南玻幕墙及光伏工程有限公司建造的南玻光伏建筑一体化建筑。此BIPV建筑的屋顶是由4块80Wp的多晶硅双玻光伏组件及支撑结构组成的光伏采光顶，立面光伏幕墙由4块80Wp多晶硅双玻光伏组件及支撑结构组成。此建筑的太阳电池板是建筑围护结构的一部分，其既可以遮风挡雨，又可以发电，同时又起到了遮阳的作用。
　　
　　图3为深圳市国际园林花卉博览园并网光伏发电系统。在此BAPV建筑中采用的是普通太阳电池组件，太阳电池组件通过支架安装在原先建好的屋顶上。拆除此BAPV建筑上的光伏组件，并不会影响原有建筑的基本功能。在建造BAPV系统前，首先要考虑建筑的结构受力问题、以及对建筑风格的影响等问题，并不是所有建筑都适合建造BAPV系统。大型BAPV工程都应报建，经过有关部门审批后，才能施工。
　　
　　3　BIPV建筑设计中需注意的几个问题
　　
　　3.1　光伏组件的力学性能
　　作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h(2，400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。南玻大厦外循环式双层幕墙采用的组件就是两块6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件，这是通过严格的力学计算得到的结果。
　　
　　3.2　建筑的美学要求
　　BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。
　　一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。
　　普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。
　　
　　3.3　建筑结构与光伏组件电学性能的配合
　　在设计BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。
　　
　　3.4　建筑隔热隔音的要求
　　普通光伏组件并没有像中空玻璃一样的隔热空气层，只是简单地安装在建筑物上或者支撑构件上，和建筑物并没有形成统一的整体。这时的光伏组件作为BIPV组件来使用往往会将大量的热量带入室内，造成耗能和节能相矛盾的情况，同时也不能满足建筑的隔音要求。这时可以将普通光伏组件做成中空Low-E玻璃的形式，这样既能隔热又能隔音。或者采用南玻大厦一样的双层外循环系统的幕墙形式。
　　
　　3.5　建筑采光的要求 普通光伏组件为了提高效率，会将电池片间距缩小到2～5mm。但在BIPV组件中，要考虑到室内的采光要求，这时要调整电池片间距到25mm左右，使组件的透光率在30％左右。
　　
　　3.6　光伏组件安装方便的要求
　　BIPV光伏组件作为建筑物的一部分，它安装要求比普通组件的安装要求高很多，难度大很多。一般BIPV组件安装高度较高、安装空间较小。考虑到安装方便，可以将光伏组件做方便拆卸的单元式幕墙形式，这样既方便了安装，同时也提高安装精度。
　　
　　
　　3.7　光伏系统寿命问题
　　普通光伏组件封装用的胶一般为EVA，由于EVA的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命。EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量，所以设计师在选择BIPV组件时应该尽量避免使用EVA封装的组件。Schott和Schuco现在已经有PVB封装的光伏组件，国内还没有厂家掌握这种技术。PVB已经成熟应用于建筑用夹胶玻璃的制作，用PVB代替EVA制作的光伏组件会有更长的使用寿命。盼望国内光伏组件生产商尽快掌握PVB封装技术。
　　普通光伏系统的大部分连接线都是敞开在大气中，空气对流充分，温度低。BIPV建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中，其温度远远高于普通光伏系统电线所处的环境温度，这对BIPV建筑系统中电线的要求也高很多。普通系统中，一般使用普通的聚氯乙稀铜线就能满足要求。但在BIPV系统中，我们建议使用光伏专用电线：双层交联聚乙烯浸锡铜线。另外考虑到温度对电阻的影响，BIPV建筑系统中选用的电线直径应该要比普通光伏系统大一些。
　　建议选择著名国际品牌的连接器；有同事做过对比实验。性能优异的连接器的防水性能和耐老化性能要比一般的连接器好很多。如果连接器的防水性能不好，这可能会导致大楼带电。如果连接器的耐老化性能不佳，这将会导致系统漏电、电线氧化。
　　
　　4　结束语
　　
　　BIPV建筑设计应把建筑的安全性放到第一位，在保证安全的前提下再来考虑优化系统多发电。本文只提到了BIPV应用中的一部分问题，还有很多问题有待大家共同探索和研究。

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