光伏建筑一体化中光伏组件安装方式的影响

赵思真，张丽莹，胡文俊，胡长冬

（上海太阳能科技有限公司，上海 201108）

近年来，国外推行的光伏建筑一体化（BIPV）极大地推动了光伏并网系统的发展。在城镇建筑物上安装的光伏系统，通常采用与公共电网并网的形式。由于并网光伏系统不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。夏天是用电高峰季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。

但建筑中的光伏发电具有更多的限制因素，需要进行深入的分析和设计。电池板的方位角和倾斜角，光伏阵列的通风和间距等都是影响光伏系统发电效率的重要因素。与光伏发电厂相比，BIPV设计中的光伏系统受到气候、环境、建筑功能、造型等因素的限制，需要综合考虑在建筑中光伏系统的安装位置和安装方式的可能性［1］。

BIPV技术要求建筑设计有一定的前瞻性。如果在建筑策划阶段、建筑方案设计阶段就能够考虑到光伏应用，其产生的效益要远远好于建筑设计后期再介入［2］。影响BIPV的发电量的因素有很多，组件的安装方式只是其中之一。本文对不同组件类型、安装方式、成本和发电量进行分析和比较，总结了优化组件安装的一些因素、措施与需要解决的问题。

1 光伏组件与安装方式

1.1 常规晶硅组件

常规晶硅组件指的是有框单晶／多晶光伏组件，即将钢化玻璃、EVA胶膜、晶硅电池片、背板材料层压后，由边框材料（一般为铝合金）包覆的光伏组件。由于受到降低光伏系统成本需求的推动，现已从多个方面着手降低光伏组件的制造成本，包括提高电池的光电转换效率、通过电池片排布优化提高组件单位面积的发电量、使用价格较高材料的替代材料等。此外，目前已出现双玻无框的晶硅组件，是在组件背面粘贴两条支撑梁，然后通过紧固件将组件固定于支架上。这种组件的结构形式跟双玻BIPV组件一样，只是安装方式不一样。

常规组件的安装方式有安装孔、压块和滑槽等。不同的安装方法将匹配不同的外部载荷要求。无论哪一种方式，光伏组件安装在屋顶时（与建筑结合时一般都是安装在屋顶，但是也有极少数的立面及遮阳的应用）都需要结合屋顶的承载能力、防水性能等进行考虑。在屋顶安装光伏系统会增加屋顶的恒载荷，这需要建筑的设计单位进行承载能力的校核。在屋顶附加的光伏系统可在一定程度上降低建筑的冷／热负荷，从而降低建筑能耗。

1.2 双玻晶硅BlPV组件

双玻晶硅BIPV组件由玻璃—胶膜—太阳电池—胶膜—玻璃5层组成。其中，胶膜可以是EVA，也可以是PVB。作为普通光伏组件，只要通过IEC 61215的检测，满足抗风压（130km／h，2 400Pa）和抗25mm直径冰雹（23m／s）的冲击要求。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，还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。根据安装位置的不同，可将双玻晶硅BIPV组件分为光伏幕墙、光伏顶棚和光伏遮阳3种方式（见图1）。

图1 双玻晶硅BIPV的3种安装方式

（1）光伏幕墙

除发电功能外，要满足幕墙所有功能要求，包括外部维护、透明度、力学、美学、安全等，组件成本高，光伏性能偏低；要与建筑物同时设计、同时施工和安装，光伏系统工程进度受建筑总体进度制约；光伏阵列偏离最佳安装角度，输出功率偏低；发电成本高。

（2）光伏顶棚

要求组件透明（透光率根据建筑的需求进行调整，光伏组件透光率越大，电池片的排布就越稀，其发电功率也会越小），组件效率较低；除发电和透光外，顶棚构件要满足一定的力学、美学、结构连接等建筑方面要求，组件成本高；发电成本高。在用作采光顶时，除具备常规采光顶的基本功能之外，还能起到降低热负荷、减弱眩光、增强美观性等作用。最重要的是，在白天电力负荷的高峰时段，光伏顶棚在常规采光顶的基础上，还可以发出一定的电力供建筑物使用，可在一定程度上起到电网削峰的作用。

（3）光伏遮阳

在建筑上需要遮阳的地方无论是立面还是采光顶，无论在室内还是室外，一定是受阳光照射最强烈的地方，也正好是最需要太阳辐射的光伏系统的最佳安装位置。加入光伏元素的遮阳系统称之为光伏遮阳系统，由于附加光伏系统后对建筑性能的影响较小，光伏遮阳系统成为建筑光伏一体化最佳的集成方式之一。

1.3 非晶硅薄膜组件

非晶硅太阳能电池有多种不同结构，并且其结构各有不同。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造。在一个平面上，可以用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。

尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，非晶硅光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S—W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池。叠层太阳能电池是在制备的pi-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池制得的（即两层及三层结构的叠层电池）。

由于非晶硅薄膜组件对弱光的响应性能较好，因此即使存在部分遮挡，组件也能照常发出电力，不存在晶硅电池组件的“热斑”效应。除粘贴的安装方式外，该组件还可用连接件固定的方式进行安装。相对于粘贴法，此法安装可为背面提供一定的通风空间，有利于组件的散热，从而提升组件的发电量。但是，作用于组件的载荷集中在连接点处，因此此方法安装的组件的抗载荷能力有所下降。

2 成本比较

通过对光伏组件多种安装方案进行初略的成本估算，并结合发电量进行分析，来比较不同安装方式之间的区别。假设各方案的建设地点均为上海（N 31.2°，E 121.5°），其他系统配置信息如表1所示。

表1 不同安装方式的方案配置

根据表1所示配置，对不同组件的安装材料费、人工费以及设备费进行了初步估算，如表2所示。表2中的费用仅包含安装光伏组件的材料费、人工费及设备租赁使用费，安装人工费为25元／（小时·人）。表2中的估算费用与市场价可能存在一定偏差，仅作参考。

由表2可知，柔性薄膜非晶硅组件的安装成本最低；BIPV组件的安装成本较高，远远高于附加型安装方式（包括常规组件的安装及非晶硅薄膜组件的安装），但是BIPV组件可直接取代常规的建筑构件。

表2 对不同组件的安装成本进行估算

3 发电量分析

通过PVsyst软件的模拟分析，获得4个方案的发电量数据如图2至图5所示。该结果是在除配置不同的组串外，其他的系统参数均一致的环境下获得的。由于软件不能对组件散热能力进行准确模拟，故不能比较其工作环境温度对发电量的影响。各方案的年发电量数据见表3。

图2 方案一每千瓦发电量和发电效率

表3的数据表明，通过方案二与方案三的比较可知，BIPV组件立面安装和3°倾角安装将给发电量带来很大的差异，达到40%；通过方案三与方案四的比较可知，在相同安装倾角的情况下，由于非晶硅薄膜组件的弱光性能更优，其发电量较BIPV组件提高约20%；通过方案一与方案四的比较可知，非晶硅薄膜组件屋顶安装的发电量优于最佳倾角安装的常规晶硅组件，高出约6.5%。

表3 各方案发电量数据汇总

4 结论

通过对不同安装方式的成本及发电量进行比较发现，不同安装方式对应的指标变化趋势不尽相同。虽然方案二（南立面幕墙安装）的安装成本高，但是其每瓦年发电量却是4个方案中最低的，其主要原因是受组件安装倾斜角度的影响；方案四安装简便、快捷、成本低，但是由于采用了非晶硅薄膜电池，其发电量较同等安装条件下的BIPV组件更高，甚至比最佳安装倾角下常规晶硅组件的发电量更高。

图3 方案二每千瓦发电量和发电效率

图4 方案三每千瓦发电量和发电效率

图5 方案四每千瓦发电量和发电效率

因此，对于不同类型的光伏组件，并不存在一种最佳的安装方式适用于所有的安装环境，只是在不同的安装环境下，结合组件的具体特点而存在一种最优化的安装方案。唯有充分认识不同类型组件的特点，才能结合实际的工程环境来选择最优化的安装方案。

虽然BIPV系统有众多的优势和巨大的发展潜力，但也存在一些问题需要解决。如何平衡其优缺点，是在项目决策阶段需要综合考虑的问题。

（1）强度和韧性的要求

建筑物作为遮挡物，需要日晒雨淋，光伏材料作为建筑材料也需满足一定强度的要求。此外，建筑物一般使用寿命长达几十年，甚至上百年，而目前光伏材料寿命最长20多年，故需要提高光伏建筑材料的使用时限。

（2）外观问题

当太阳能电池作为幕墙或者天窗时，考虑到美观以及电池板的反光造成光污染现象，需要对太阳能电池的颜色和反光性提出要求。另外，当太阳能电池作为天窗或者窗户时，会将阳光挡住从而影响室内的亮度，因此对太阳电池的封装材料的透光性也有一定的要求。

（3）建后维护问题

由于光伏材料处于建筑物的外表面，长期暴露在空气中，久了必会堆积灰尘，阻挡阳光的射入，从而影响光电转换效率。故对光伏建筑材料的建后维护频率有一定的要求。

（4）成本问题

BIPV组件的安装成本较常规组件的安装成本高出很多，这也是其还未成为主流安装方式的主要原因之一。但是，随着对BIPV安装方式研究的深入，相信在将来此形式的光伏组件的应用会得到推广，成本也会逐渐降低。

［1］ 任建波，王一平，田玮，等.城市环境下的光伏建筑一体化［J］.太阳能，2007（3）：36-38.REN Jian-bo.BIPV in cities［J］.Solar Energy，2007（3）：36-38.

［2］ 匡荛，柳孝图.建筑的形态、环境与光伏系统输出功率差异［J］.华中建筑，2004（5）：84-85.KUANG Rao，LIU Xiao-tu.Configuration and environment of building and the difference of output power of photovoltaic system［J］.Hua Zhong Architecture，2004，22（5）：84-85.