太阳能光伏建筑一体化中光伏幕墙的设计要点分析

2023-01-09姜文化

工程建设与设计 2022年5期

姜文化

(中防雅宸规划建筑设计有限公司，山东青岛 266075)

1 光伏幕墙特征

1.1 光伏幕墙的应用优势

光伏幕墙的应用优势主要体现在以下几个方面：（1）可以节约土地资源；（2）节能减排；（3）抵抗外界环境侵蚀，太阳能发电属于绿色资源，与环境有较好相容性，不会对环境造成不良影响；（4）调整用电峰谷，城市中热岛效应显著，尤其是夏季制冷设备的使用，导致用电频率极高，增加了电网压力，同时该设备可以在日照较强时期为光伏系统提供更多电能，积极缓解城市电力供应压力[1]。

1.2 光伏幕墙系统组成

光伏幕墙组成结构相对复杂，主要构成元件包括太阳能电池、蓄电池组、充放电控制器及直交流逆变器、测量设备等（见图1）。目前，太阳能电池应用可分为2 类：晶体硅类及非晶体硅类。晶体硅类电池（单晶及多晶）应用更为广泛。蓄电池组应用于幕墙系统发电电能储存，适用于光照不足的阴雨天气或傍晚以及其他电量供不应求的特殊情况，能够随时供电直到负载。目前，主要采用铅酸蓄电池，但行业内正在研究锂离子蓄电池，该类型蓄电池也是未来发展方向。充放电控制器是对电池组进行测量并控制其充放电的设备，可以延长电池组工作寿命，降低维修频率。逆变器是将电池组或幕墙系统本身产生的直流电进行逆变，转化为负载所需的交流电，并将其传输向电网，其内部运行机制包括独立运行，向独立负载供电；并网运行，向电网供电。测量设备是对幕墙发电系统进行参数测量，包括太阳能辐射强度及幕墙温度、充放电电量等，通过数据采集及监控，对幕墙内部进行调整。

1.3 光伏幕墙结合方式及适用范围

光伏幕墙结合方式主流方式分为非透明外挂型结合与半透明双玻璃组件型结合。其中，非透明外挂型结合是将光伏组件框架链接建筑物墙体或窗户竖龙骨，应用螺栓或铆钉将其框架及挂件进行固定，应用沟槽将挂件挂在竖龙骨横档处。该结合类型对于新旧建筑物均适用，且安装较为方便，成本较低，效率较高，但不够美观，更适用于无须考虑室内采光需求的墙面，因此，日常生活中主要应用于住宅、商业或大型公共建筑工程，对于原有建筑进行改造也是适用的。半透明双玻璃组件型结合是将半透明组件嵌入建筑物，可以完美融合幕墙及建筑物。半透明组件主要包括薄膜电池、晶体硅电池，其中薄膜电池幕墙较为美观，无须挂立，而晶体硅电池幕墙可以通过余留空隙进行设计，均可采用嵌入形式进行安装，其耦合程度高，对于室内采光更支持。但该结合类型组件质量较大，多为定制款式，成本较高，且安装效率较低；更适用于存在半透明外立面、天窗及遮阳设施的大型商业及公共建筑工程。

1.4 光伏幕墙结构形式

从结构形式方面，可将其分为单层及双层光伏幕墙。其中，单层光伏幕墙是一种直接结合太阳能电池板及建筑物围护结构（墙体或窗户），多为2 片钢化玻璃与电池直接形成夹层组件，其室内采光需求可根据电池之间间距进行调节。该结构形式主要分为夹层玻璃组件及中空玻璃组件，其中，夹层玻璃组件构造采用2 片钢化玻璃粘在太阳能电池片内外表面的形式，相较于普通玻璃幕墙，更具安全性、节能性及隔音性优势。中空玻璃组件构造采用太阳能电池片放置于2 片及以上钢化玻璃中空腔内，钢化玻璃之间余留一定空隙间隔，且周边采用密封胶进行密封，相较于普通玻璃幕墙，更具隔热性、隔音性优势[2]。

双层光伏幕墙是使太阳能电池板（光伏组件等）直接附着于建筑物外部结构（墙体或窗户）的围护结构。内层结构为建筑物墙面或窗户玻璃幕墙，外层结构为光伏板或光伏玻璃幕墙，建筑物外部结构中间存在通风空气层，当太阳能光伏温度迅速升高时，在热量作用下该空间区域内空气上升形成空气循环，继而起到调节室内温度，并降低电池表面温度，继而延长电池使用寿命，提高发电效率，还可以起到遮阳、隔热、减少噪声等作用。根据其构造形式一般分为外挂、走廊、窗盒及竖井式，外挂形构造最为简单，一般又叫整体式，该设计过渡层空间相对较大，不产生四向分隔，不利于光伏组件进行散热；走廊形构造是按照水平方式进行单元划分，并对单元进行上出下进设计，有效提高发电效率，更有利于组件的维修保养及清洁；窗盒形构造按照过渡层水平、竖直方向进行单元分隔，但存在水平方向间隔距离较少特征；竖井式形构造是基于窗盒形构造增大水平分隔距离，通过增大气温差，促进空气流动速度增快，继而发挥烟囱效应（烟囱效应可以有效降低内层外表面温度）。

2 光伏幕墙设计要点

2.1 光伏幕墙单元设计

2.1.1 荷载设计

光伏系统使用过程中需要承受风压、地震力造成的影响，尤其是对于高层建筑、高风压、地震频发地区建筑，受到的影响更大，幕墙也会出现上下水平、扭转等变化，而这也对光伏幕墙力学性能提出了更高要求。一般采光顶及幕墙负载结构主要由光伏玻璃组件构成，要想满足一定负载量，需要确保玻璃组件强度及厚度符合相关标准及规范。荷载设计中需要考虑到各方面荷载效应，包括自身重力、风力、地震力及温度应力确定取值。

2.1.2 光伏组件边框尺寸

边框尺寸是基于建筑物室内采光需求以及太阳能电池、组件透光率等因素进行计算，一般要求组件透光率达到30%。小边框型材主要应用于路灯电池板，发电量需求较小，而大边框更适用于光伏幕墙。光伏组件大尺寸背景下，需要在增加边框的同时确保荷载及强度，由于边框及玻璃面板均需承受外力作用，因此，需要考虑到其强度及挠度，而边框的主要荷载来源于玻璃板传递及直接承受荷载，选择铝合金材质作为边框，具有较好的抗氧化、抗腐蚀、运输方便等优势，也可以起到保护及固定玻璃面板的作用。

2.1.3 钢化玻璃设计

在外力作用下，钢化玻璃多为平面外形变，其受到的剪力作用相对较小，无须对其抗拉及剪强度进行明确区分。设计钢化玻璃强度时需要进行厚度选择，同时考虑到太阳能电池会对其玻璃挠度产生一定影响，因此，需要基于不同电池计算钢化玻璃的挠度控制值。此外，温度变化也会形成负温度效率，继而降低发电效率，同时，室内建筑也会吸收其产生的热量，对建筑耗能造成一定负面影响，因此，设计过程中需要引入散热及降温技术，确保光伏电池温度维持在85 ℃以下。在实践过程中，双层光伏幕墙具有较好的散热及降温功效，可以形成烟囱效应，改善发电效率及建筑能耗、舒适度。

2.1.4 光伏组件的设计

光伏幕墙中需要大量光伏组件，其组件类型选择：基于安装位置及照射角度，若组件安装于建筑墙面，其安装倾角相对困难，因组件长时期接受低光照度照射，故这些位置的光伏玻璃需要具备更好的弱光性能。

组件使用寿命选择：由于建筑物使用寿命较长，大多超过50 a，因此，对于光伏组件使用寿命也提出了更高要求，原则上使用寿命不低于20 a，且最大输出功率衰减程度也需要满足年限规定。

此外，光伏板件功能是将太阳能吸收后转变为电与热能，设计过程中需要保证光伏组件的转换效率。单晶体硅电池转化率需达到16%，光吸收率达到67%，其吸收太阳能效率达到50%；多晶体硅电池转化率需达到14%，非晶体硅电池转换效率需达到6%。

2.2 光伏幕墙配合要求

光伏幕墙设计过程中不仅需要考虑到光伏幕墙系统，还需要充分考虑到建筑墙面相关参数（包括日照量、日照时间及角度），只有确保充足光照方可储存充足电量，而不同建筑立面分布存在差异，其接受的光照强度也会存在一定差异，继而影响发电效率。因此，设计过程中需要根据建筑立面形状、地区光照强度进行分区域分格设计，确保光伏幕墙发电效率达到最大化。

2.3 光伏幕墙绝缘要求

光伏幕墙本身具有发电功能特征，且与建筑物墙面进行接触，可能导致人体触电。为了预防光伏幕墙触电后果，需要对光伏电池引出端进行绝缘密封操作，同时对其引出端进行绝缘套管包覆，且内部走线均需要在幕墙框架内，对于幕墙内部金属元件需要确保其连接有效性，完成绝缘操作后需要再次检查其绝缘性[3]。

2.4 光伏幕墙安装及维护需求

基于特定地区和建筑物，日照时长、气候特征等气象参数均会影响到电池接收到的年太阳辐射量，也会影响到光伏幕墙的生命周期。因此，在实际安装过程中，需要尽可能使控制单元及蓄电池靠近太阳能电池板，继而降低导线电阻对电能损耗的影响；选择光伏组件及玻璃幕墙结合形式时，需要考虑到明框光伏玻璃幕墙需要规避框架向外凸出过多情况，避免对电池片光电效率转换造成一定影响；选择钢化玻璃类型需要基于当地基本风压及高度变化、建筑物体型系数等，确保钢化玻璃强度及刚度足够，规避太阳能电池片挠度过大出现破坏痕迹；设计选择过程需要考虑到地区差异，如地震高风险地区，地震作用会直接影响建筑主体，继而影响光伏幕墙，因此，选择的光伏幕墙框架强度需要能够承受基于持久及地震设计组合上基本负荷。在光伏幕墙设计过程中还要充分考虑清洁及维护通道，一般幕墙需要年检2 次，对组件及框架松动或损坏、系统运行顺畅度、输出功率改变等情况进行核实；针对幕墙清洁，仅依靠其自洁是难以降低污垢对电池发电效率造成的影响，需要定期进行灰尘清洁。