BHPV——建筑光伏蜂窝模块

安徽长远绿色能源有限公司 ■ 余晓东 张光琴 程金雨

一 引言

建筑能耗占社会总能耗的30%～40%，建筑节能是实施可持续发展战略的重要措施之一。BHPV是将光伏发电、建筑装饰、节能保温、建筑围护系统的防火和防水等多种功能集成融合的新型标准建筑材料。该材料较好地解决了光伏组件的热斑效应难题，具有环保无污染、材料可回收循环利用的优点，模块轻质且平整光洁，耐侯性强和隔音效果好，并且可缓解城市热岛效应，高强度的结构特征有效解决了幕墙装饰材料的破碎和脱落等安全隐患。BHPV彻底改变了建筑围护系统的单一功能，将绿色能源和节能环保及循环经济深度整合，推动建筑围护系统深度产业化，实现建筑和光伏应用的突破性发展。BHPV作为全球范围原创性的技术，具有完整的知识产权体系保护。其大规模推广对推动社会与经济发展，构建人与自然的和谐发展具有极其重要的促进作用。

二 光伏建筑的成本分析

建筑的围护系统通常由主体材料、保温层、防水层、装饰层和固件构成。光伏蜂窝模块构成的建筑维护系统，完全取代了上述材料，一次性投入的综合成本和玻璃幕墙相当。而建筑的安全性和使用价值得到了极大的提高，其发电带来的经济效益，最终将远超过建筑围护系统的建造成本。

1 玻璃幕墙的成本

玻璃幕墙的造价在600～1400元/m2之间。玻璃厚度和玻璃夹层材质对价格影响较大。通常玻璃幕墙在内侧还要做防水和隔热层，该价格未在预算内。

2 大理石幕墙的成本

大理石幕墙的造价在700～1200元/m2之间。石材品质对价格影响较大，高档次的石材远超过玻璃幕墙造价。同样，石材幕墙在内侧也要做防水和隔热层，该价格未在预算内。

3 光伏蜂窝模块的屋顶和墙体成本

光伏蜂窝模块建筑围护系统造价约960元/m2，其中，光伏组件成本约580元，铝蜂窝和铝背板成本约80元，铝合金龙骨与隔离铝板成本约80元，结构胶及附件约30元，逆变器及附件130元以及施工成本60元。光伏热管蜂窝模块建筑围护系统的造价约1090元/m2。

4 政策补贴和上网发电对成本的影响

按140W/m2装机功率计算，住建部补贴1260元/m2(补贴高于造价成本)。上网电价按1元/kWh计算，转换效率90%，日均日照系数6h，年发电收益275.94元/m2。光伏蜂窝模块建筑围护系统的造价回收周期约为4年。

三 知识产权保护及产品标准制订与推广

光伏蜂窝模块和光伏热管蜂窝模块作为全球源发型的新技术，将技术、专利、标准和产业化整合在一起，实现完整的覆盖保护，为产业的健康发展奠定坚实的基础。知识产权保护及产品标准制订的推广，将遵循技术专利化、专利标准化、标准国际化，最终实现国内外产业化布局的思路实施战略。

目前，项目核心技术已经申报了多项中国国家发明专利和PCT国际专利，产品的标准制订也已紧锣密鼓地展开。争取在较短时间内，取得全球的专利体系保护，将企业的标准上升为中国国家标准进而上升为国际主要国家的标准，为中国在光伏应用领域获得最大竞争优势发挥重要作用。

已受理的专利有：200810175446.2；201120002472.2；201120002762.7； 201210051491.3；201210051481.X；201220073454.8；201220073442.5；201210051482.4；201220073443.X；201210051497.0；201220073462.2；201210139823.3；201210273012.2；PCT/CN2012/079541；PCT/CN2012/079542；201210308479.6；201220428789.7；201210308481.3；201220428725.7。

四 光伏产业的挑战与BHPV

光伏行业现今面临的困境，本质上是产业与市场脱节。光伏无论作为消费品还是投资品，其使用价值或投资回报率都没有可比性，没有竞争力必然表现糟糕。而光伏产业集成了当今先进技术及工业规模化制造，在可预期的将来，提高转换效率与降低组件成本日趋困难。

占用土地资源发展能量密度低与间歇性和不稳定的光伏，不具备可持续性。即使在贫瘠土地上发展光伏电站，也会带来高压输变电和系统维护等问题，光伏远距离高压并网对交流主电网将是个灾难。

光伏组件背板等材料是石化易燃品。因制造缺陷或光照局部遮挡，组件的热斑效应将是个严重问题。组件连接器和发热严重的接线盒，导致光伏组件火灾隐患严重。在建筑上使用如不采取措施，将会带来严重的火灾隐患和结构安全问题。同时，逆变器和汇流箱也是严重的火灾隐患点装置。国内外多起火灾事故表明，应引起重视。

BHPV基于光伏组件的材料特性进行全新设计，颠覆了光伏的产品定义，解决了光伏的成本和安全隐患问题，是系统优化的最佳结果。

五 光伏蜂窝模块

BHPV是一种新型的光伏建筑材料，这种材料即具有光伏组件的技术优势，也具备铝蜂窝板的性能特征。这种技术组合较好解决了光伏组件和铝蜂窝板的成本高、安装复杂等技术缺陷。

BHPV的表面是光伏组件，中间芯层是铝质六边形蜂窝，背面是合金铝薄板或钢化玻璃，中间芯层和表面及背面之间有一层专用的热熔胶膜（聚乙烯醇缩丁醛PVB或聚乙－乙酸乙酯EVA），经抽真空和高温高压复合粘接成型，并装配在专用的铝合金边框内，如图1所示。

图1

1 蜂窝材料

铝蜂窝板是航空、航天材料在民用建筑领域的应用。铝蜂窝板是全铝结构，是绿色、环保、节能的新型建材，被誉为21世纪最佳的幕墙建材。其相互牵制的密集蜂窝犹如许多小工字梁，可分散承担来自面板方向的压力，使面板受力均匀，保证了面板在较大面积时仍能保持很高的平整度。由于蜂窝复合板内的蜂窝芯分隔成众多个封闭小室，阻止了空气流动，使热量和声波受到极大阻碍，对100～3200Hz的声源降噪可达20～30dB，导热系数为0.104～0.130W/M·K，因此，起到隔热、保温、隔音的效果(如图2所示)。

图2

2 专用接线盒

接线盒是光伏组件的重要部件，是电气防水及硅电池片与外部电气的连接部件。接线盒内的数个旁路保护二极管(并联TVS放电管)，是光伏组件热斑效应的保护器件，每个二极管承受几瓦至十几瓦的耗散功率，其散热问题非常突出。光伏组件的接线盒通常采用全封闭的塑料结构，内部二极管的散热条件非常差，在极端情况下温度达到100℃以上，有自燃的可能性(光伏电站的多起火灾事故中，接线盒问题最为严重)。

光伏蜂窝组件的电气接线盒内置于蜂窝芯层中，一面粘接在光伏组件的背面，另一面与背面的铝薄板接触并固定，防水性能更加优良。接线盒内的旁路保护二极管的散热面，直接与背面的铝薄板固定接触，或与铝合金边框固定接触，如图3所示。这种安装方式利用光伏蜂窝组件的背面铝薄板或铝合金边框，很好的解决了接线盒的内置旁路二极管散热难题。接线盒内置是光伏蜂窝组件实现标准化模块的必备条件之一。

3 专用连接器

图3

光伏蜂窝模块两侧的正负极专用连接器，是光伏蜂窝模块直接拼装的电气部件，实现了光伏蜂窝模块间无线缆连接。连接器的导电极采用双层多触点弹簧压接结构，正负极连接器相互咬合并可实现电气密封，连接安全可靠。连接器与接线盒之间的线缆内置于蜂窝芯层中，如图4所示。

图4

4 专用铝合金边框

专用铝合金边框的作用是固定光伏蜂窝组件主体材料，提供标准的电气连接端口、组件及组件之间的防水密封，安装在专用龙骨上并与建筑物表面直接固定。基于铝合金边框的标准模块，具有足够的机械强度和高可靠性的结构支撑，并符合相关建筑规范要求。

5 透光光伏蜂窝模块

屋顶和墙体的局部透光是建筑的基本功能之一。透光光伏蜂窝模块的背板是钢化玻璃，光伏组件的背面是透明的PVDF聚偏氟乙烯膜，这种模块在建筑的应用，能获得蜂窝状的透光效果。

6 光伏热管蜂窝模块BTHPV

光伏热管蜂窝模块的表面是光伏组件，光伏组件的背面依次是热融胶膜、太阳能集热管、热融胶膜、吸热膜、热融胶膜、铝蜂窝芯、热融胶膜和背面铝板。经抽真空和高温高压复合粘接成型，并装配在专用的铝合金边框内。光伏热管蜂窝模块具有和光伏蜂窝模块相同的结构特征，其收集的热能可用于中央空调器的制冷和制热，或用于斯特林发动机发电，也可直接热能使用或热能储存。

光伏热管蜂窝模块是一种新型的热电联供建筑材料，这种材料即具有光伏发电和太阳能热利用的技术优势，也具备铝蜂窝板的所有性能特征。这种技术组合较好解决了光伏组件和太阳能集热管以及铝蜂窝板的成本高、安装复杂等技术缺陷，使光伏发电效率从15%左右提高到太阳能的基本完全利用。太阳能集热管被封装在光伏组件和铝蜂窝板的中间，充分利用了光伏组件的加热作用和背面铝蜂窝板的保温功能，实现了三者的最优组合。太阳能集热管吸收光伏组件的热量和透过光伏组件的光能，通过热管闭路循环控制温度，有效降低了光伏组件的温度并提高光伏组件的工作效率，也增强了光伏组件的可靠性。

六 光伏蜂窝模块的安装

光伏蜂窝模块安装需要高度平整，水平和垂直方向对齐，模块间距相等并确保正负极连接器连接可靠。屋顶安装需要确保足够的强度，承重不小于1000kg/m2。此外还要确保模块连接处的防水密封。

1 专用龙骨

由于光伏蜂窝模块两侧有连接器，模块之间必须水平对齐安装，而建筑的外墙材料不允许用自钻螺丝固定，光伏蜂窝模块必须和专用的龙骨使用。光伏蜂窝模块的安装，要确保高平整度和模块整齐对接，同时又要兼顾施工误差，需要龙骨具有很强的装配兼容性。

光伏蜂窝模块的龙骨总成，包括专用的螺栓和压块，龙骨主体的三个面分别沿其长度方向设有两个相互对称的插槽型腔，两者之间构成螺栓插槽。专用螺栓的螺帽插在龙骨的螺栓插槽内，螺杆置于两个模块铝合金边框的半椭圆形安装孔中，以螺母和专用压块固定压紧，如图5所示。

图5

2 防水密封及隔离铝板和结构应力释放

两块光伏蜂窝模块的铝合金边框形成一个凹槽，凹槽里面填充防水结构胶至铝合金边框的L形加强筋上端(包括连接器也被填充)。L形加强筋承受了结构胶体积变化的应力，可解决温度变化导致结构胶胀缩使粘接处容易剥离的问题，防止结构胶剥裂致结合处渗水。

隔离铝板两端有与铝合金边框上F形槽匹配的插槽，铝合金边框F形槽上有固定和导水凸出结构。隔离铝板屏蔽太阳紫外线，防止紫外线对内部防水结构胶的降解老化作用。隔离铝板上面涂硅酮防水胶，其表面结构能有效避免防水胶脱落，进一步强化防水效果。隔离铝板插在铝合金边框的凹槽中，提高了模块的装饰效果，强化模块结合处的结构强度，使模块结合处具有3层防水结构，如图6所示。

图6

建筑围护系统应用温度范围较宽，温度变化导致材料体积的变化，带来结构安全和防水密封的挑战。隔离铝板中间的弧形结构，当拉伸或屈服时通过弧度变化而释放模块应力。隔离铝板与铝合金边框F形槽的三角形凸出结构，在应力作用下F形槽结构变形，模块获得应力释放空间。隔离铝板决定了铝合金边框凹槽的尺寸，并限制铝合金边框构成凹槽时最小材料间距约1mm，保证了凹槽的安装精度和应力释放空间。

3 保温强化层

龙骨内侧增加插槽，可安装板状材料与模块背面构成功能材料填充区，填充不同材料可达到不同的使用效果，如保温材料、隔音材料等。

4 安装过程

在建筑主结构中预埋固定L形夹铁的螺栓，夹铁可以水平方向调整位置偏差，而龙骨的结构没有垂直误差现象。

BHPV的铝合金边框固定在龙骨上，模块之间没有线缆连接，直接将正负极连接器对插串联安装。一串模块两侧的正负极用线缆与电气柜连接，线缆外套保护管并固定在模块侧边的铝合金边框里。

七 建筑应用的安全性措施与效果图

太阳电池的热斑效应，严重影响光伏阵列的发电效率及组件的使用寿命。金属蜂窝结构改变了热斑温度分布，计算机防真结果降低热斑温度将近20℃。BHPV还具有闭环控制内部温度功能，可彻底解决热斑效应的问题。

安全是建筑光伏一体化的关键，BHPV的接线盒及线缆内置蜂窝芯层中。模块之间没有线缆直接通过连接器串联，模块阵列到电气箱的线缆外套防护管并固定在铝合金边框凹槽里。所有连接器、接线盒、线缆及防护套管都密封在铝蜂窝芯和结构胶内，与空气隔绝无有机材料外露，屋顶或墙体没有任何凸出物和线缆，有效防止材料老化和燃烧及漏电隐患。

图7 效果图

逆变器和汇流箱是大电流高压设备，特别是逆变器内部高功率密度的电力电子器件和变压器，自燃隐患严重。本项目配套的“一种具有爆炸灭火与电源开断双重功能的自动控制装置”专利产品，可在逆变器和汇流箱内部安装，或将逆变器和汇流箱安装在电气柜内。设备自燃时爆炸灭火装置检测到燃烧烟雾或危险温度，内部填充炸药点燃（或明火燃爆），炸开干粉灭火剂覆盖着火点表面并隔绝氧气实施灭火，同时爆炸断路器切电源，阻断电源造成持续的安全隐患并发出火警信号。

[1] 中国建筑工业出版社. 建筑设计规范[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 中国计划出版社 2009.

[2] 张芹. 玻璃幕墙工程技术规范理解与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004

[3] 徐峰, 周爱东, 刘兰. 建筑物围护结构保温隔热应用技术[M].北京: 中国建筑工业出社, 2011.