新型BIPV光伏幕墙应用方案分析
2018-05-10李树庭
李树庭
中南建筑设计院股份有限公司 湖北 武汉 430071
前言
太阳能光伏建筑一体化(BIPV)，是当前太阳能利用的热点，也是未来太阳能利用的发展方向。由于光伏电池组件安装在屋面或墙面上，不占用宝贵的城市用地面积，本身不影响屋面的结构和表面强度、又为屋面遮挡了风雨，而且BIPV系统设备设置在建筑物上，离用电负荷最近，能大大地减少电能传输的损耗和成本。
1 BIPV是PV发展的重要方向
1.1 BIPV技术发展
新能源中太阳能无疑具有其得天独厚的优势，而作为太阳能光伏与建筑一体化（BIPV）的太阳能光伏建筑组件在公共建筑中的应用更为适宜。建材型光伏产品经过多年产业进步，目前已经成熟并能够满足当前市场需求。在价格方面，建材型光伏产品（如光伏幕墙用薄膜组件、光伏瓦），与其他同类高档材料相比已经具备明显的可比较性和可行性，而在尺寸、色彩、强度、电力安全、建筑美学等方面亦能够符合建筑应用的特殊要求，产品的透光度、色彩、结构均可按照建筑要求进行定制化生产。由于不同朝向对发电量影响较大，所以屋顶、南向立面是BIPV效率最高的位置，而商用建筑在这些区域一般可具备安装条件。
1.2 BIPV建筑光伏的多样形式
BIPV可以采用多种形式实现，在建筑物中往往可采用多种应用方式。其中屋顶光伏系统已应用的较为广泛，光伏幕墙是光伏建筑一体化的重要形式，其常见应用见图1。
图1 BIPV常见应用形式
1.3 光伏幕墙组件的分类及结构特点
光伏幕墙是将太阳能光伏发电技术与建筑幕墙的结合，体现了完美的可持续发展理念。具体来说就是将光伏玻璃替代普通的幕墙玻璃，来达到发电的目的。
要达到太阳电池与建筑美学的完美结合，必须做到太阳电池与现有建筑材料的完美结合，使得太阳能光伏建筑组件能像普通建筑材料一样使用，成为一种新型的建筑材料。目前在公共建筑中应用的太阳能光伏建筑组件主要有光伏夹层玻璃和光伏中空玻璃。
（1）太阳能光伏夹层玻璃
太阳能光伏夹层玻璃是将太阳电池夹在两层玻璃中间，通过胶膜将它们与内外层玻璃紧密粘接在一起，有非晶硅夹层玻璃和晶体硅夹层玻璃两种，它们都具有普通夹层玻璃的特点，可以像普通的夹层玻璃一样安装、使用。在立面幕墙上由于非晶硅光伏夹层玻璃的低价格、良好的弱光性和多样美观性而具有竞争力被广泛应用。非晶硅光伏夹层玻璃又分为百叶式、点透式和栅格式三种，百叶式是将非晶硅太阳电池条与普通白玻条间隔放置形成像百叶窗一样的形状，结构简单、成本最低，栅格式是将非晶硅膜层通过一定方法分割成一个一个小格子，使光线照射时形成一种衍射状态，最具光学效应，而点透式则是通过激光打点的方法将部分非晶硅膜去掉，整体透光效果最好。
（2）太阳能光伏中空玻璃
太阳能光伏中空玻璃分为外置式和内置式两种，外置式是将太阳能光伏夹层玻璃作为中空玻璃的外层玻璃，而内置式是将太阳电池条间隔放置在中空玻璃的中间。由于外置式太阳能光伏中空玻璃的外层夹层玻璃厚重，相应地需要将内层玻璃进行配重，因此整体结构显笨重、重量重，而内置式太阳能光伏中空玻璃则巧妙利用中空玻璃中间空间，不额外占用空间，因此结构紧凑、实用性强[1]。
2 BIPV典型应用讨论
2.1 不同场所光伏电池元件、组件的比选讨论
光伏组件按形态可分为玻璃组件和柔性组件，光伏电池元件一般可采用晶体硅（单晶硅、多晶硅）和薄膜（多元化合物如非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等）其比选见表1、表2。
表1 光伏组件比选
续表
表2 光伏电池元件比选
2.2 一例光伏幕墙设计的计算校验
下面以某光伏幕墙应用项目为例，进行该幕墙光伏系统主要参数的计算校验。
图2光伏幕墙方位角示意（左）、倾角布置示意（中）及光伏幕墙安装效果示意（右）
由图2可知，该项目西南侧立面设置幕墙光伏系统，光伏幕墙其朝向与正南方向夹角为33°，光伏幕墙安装水平倾角为58°，此时电池板安装倾角、万位角系数为0.83，即本项目受建筑朝向限制，设置立面型光伏板的利用率未能达到最佳方位。
此时其单块电池板幕墙光伏系统参数计算校验如下：
光伏电池规格：单片 1.245*0.635m，63Wp 8% 安装地点：武汉市 校验值1基础数据单块电池板面积m2 0.79 2 单块电池板峰值功率Wp 63 3转换效率 0.08 4 年平均年辐射总量MJ/m2 a 4193 1单方理论发电量单位面积年发电量g 93.18 2安装电池板面积m2 0.7906 3 标准直流输出功率Wp 63理论发电量 3 理论发电量kWh 74修正系数 1 总的综合修正系数 64.2%实际发电 1 平均年上网电量kWH 47
以上结合实例计算校验，对本幕墙光伏设计中若干计算校验内容进行了讨论和介绍，旨在为相关设计计算校验提供参考。
参考文献
[1] 李现辉,郝斌.太阳能光伏建筑一体化工程设计与案例[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:197.
