光伏建筑一體化應用
何清 深圳市金剛玻璃光伏建筑科技有限公司
前言
光伏建筑一體化建筑是光伏應用形式中最接近大類生活的一種,是綠色節(jié)能環(huán)保理念的完美體現(xiàn)。歐洲光伏系統(tǒng)裝機容量以每年45%~60%的速度遞增，涌現(xiàn)出一大批BIPV光伏建筑藝術品。
本文引出了光伏建筑一體化(BIPV)的定義，分析了BIPV與BAPV的區(qū)別。列舉了光伏建筑一體化的幾種應用形式，并簡單介紹了光伏建筑一體化應用的幾種優(yōu)勢 和相關工程實例，以供參考。
一、光伏建筑一體化的定義
光伏建筑一體化(BIPV)技 術，即將太陽能發(fā)電 (光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術。BIPV即Building Integrated Phto voltaic, 其不但具有外圍護結構的功能,同 時又能產(chǎn)生電能供建筑使用。光伏建筑一體化(BIPV)不同于光伏系統(tǒng)附著在建筑上(BAPV,Building Attached PV)自勺形式。 在此介紹兩種系統(tǒng)的工程。
1．BIPV建筑
BIPV建筑的屋頂是由高效多晶硅中空光伏組件及支撐結構組成的采光頂。此建筑的太陽能電池板是建筑外圍護結構的一部分，既可以遮風擋雨，又可以發(fā)電。如果將太陽能電池板拆除，此建筑將失去遮風擋雨的功能，如圖1所示。
廣東金剛玻璃科技股份有限公司建造的光伏采光頂
2．BAPV建筑
BAPV建筑中采用的是普通太陽能電池組件，太陽能電池組件通過支架安裝在原先建好的屋頂上。拆除此BAPV建筑上的光伏組件并不會影響原有建筑的基本功能，如圖2所示。在建造BAPV系統(tǒng)前，首先要考慮建筑的承受能力、光伏系統(tǒng)對原建筑結構的破壞性、對建筑風格的影響等問題，并不是所有建筑都適合建造BAPV系統(tǒng)。大型BAPV工程應報建，經(jīng)有關部門審批。
深圳市國際園林花卉博覽園并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
二、光伏建筑一體化的應用形式
隨著幕墻行業(yè)的迅速發(fā)展，建筑設計師們奇思妙想設計出越來越多形式的玻璃幕墻。而作為玻璃幕墻的一種深化表現(xiàn)形式，光伏建筑―體化在建筑物上茁應用也出現(xiàn)了多種多樣的形式，如圖3所示。
光伏建筑一體化的應用形式
采光頂：采光比較理想，發(fā)電效率較高；幕墻立面：示范效果好，形式多樣，美觀；遮陽板：既遮擋陽光，又發(fā)電補充能源；護欄和地板：充分利用空間，安放簡單方便。
三、光伏建筑一體化的優(yōu)勢
1．能夠滿足建筑美學的要求
BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，其成功與否關鍵―點就是建筑物的外觀效果。在BIPV建筑中，我們可通過相關設計將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻結構中。這樣既可防陽光直射和雨水侵蝕，又不會影響建筑物的外觀效果，達到與建筑物的完美結合，實現(xiàn)建筑大師們的構想。
2．能夠滿足建筑物的采光要求
對建筑物來說光線就是靈魂，其對光影的要求很高。BIPV建筑是采用光面超白鋼化玻璃制作的雙面玻璃組件，能夠通過調(diào)整電池片的排布或采用穿孔硅電池片來達到特定的透光率，即使是在大樓的觀光處也能滿足光線通透的要求，如圖4所示。當然，光伏組件的透光率越大，電池片的排布就越稀疏，其發(fā)電功率也會越小。
德國柏林火車站BIPV采光頂
3．能夠滿足建筑對安全性能的要求
BIPV組件不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時需滿足幕墻三性實驗和建筑物安全性能的要求，因此需要具各比普通組件更高的力學性能和采用不同的結構方式。在不同的地點，不同的樓層高度，不同的安裝方式，對它的玻璃力學性能要求就可能是完拿不同的。
BIPV建筑中使用的雙玻璃光伏組件(Double-glazed solar PVmodule)如圖5所示，為兩片鋼化玻璃，中間用PVB膠片復合太陽能電池片組成復合層，電池片之間由導線串、并聯(lián)，通過匯流帶引入接線盒形成所需構件。鋼化玻璃的厚度按照國家建筑規(guī)范和幕墻規(guī)范，經(jīng)嚴格的力學計算得出。而組件中間的PVB膠片有良好的粘結性、韌性和彈性，具有吸收沖擊的作用，可防止沖擊物穿透。即使玻璃破損，碎片也會牢牢粘附在PVB膠片上，不會脫落及四散傷人，從而使可能產(chǎn)生的危害降至最低，提高建筑物的安全性臺邕。
《玻璃幕墻工程技術規(guī)范JGJ1O2-2OO3》第34.6項明文規(guī)定，玻璃幕墻采用夾層玻璃時，應采用干法加工合成，其夾片宜采用聚乙烯醇縮丁醛(PVB)膠片。而在作者參編的《民用建筑太陽能伏系統(tǒng)應用技術規(guī)范》中也將“夾層玻璃應采用PVB膠片”作為一項強制性條文加入到規(guī)范中，以加強建筑物的安全性能。
雙玻璃光伏組件的結構
4．能夠滿足安裝方便的要求
BIPV建筑是光伏組件與玻璃幕墻的緊密結合。幕墻在我國發(fā)展3O年以來，各種幕墻形式都具有了比較成熟的設計和安裝技術。構件式幕墻施工方式靈活，主體結構適應能力強，工藝成熟，是目前采用最多的結構形式。單元式幕墻在工廠內(nèi)加工制作，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，降低人工費用，控制單元質(zhì)量，從而縮短施工周期，為業(yè)主帶來較大的經(jīng)濟效益。雙層通風幕墻系統(tǒng)具有通風換氣、隔熱隔聲、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，并能夠改善BIPV組件的散熱狀況，降低電池片溫度，減少組件的效率損失及降低熱量向室內(nèi)的散失。BIPV建筑簡單來說，就是用BIPV光伏組件取代普通鋼化玻璃,其結構基本同傳統(tǒng)玻璃幕墻能夠相通。這就使得BIPV光伏組件的安裝具有深厚的技術基礎和優(yōu)勢，完全能夠達到安裝方便的要求。
5．具有壽命長的優(yōu)勢
普通光伏組件封裝用的膠―般為EVA，如圖6所示。由于EVA的抗老化性能不強、使用壽命達不到50年，不能與建筑同壽命；而且EVA發(fā)黃將會影響建筑的美觀和系統(tǒng)的發(fā)電量。而PVB膜具有透明、耐熱、耐寒、耐濕、機械強度高等特性，并已經(jīng)成熟地應用于建筑夾層玻璃的制作，如圖7所示。國內(nèi)玻璃幕墻規(guī)范也明確提出“應用PVB”的規(guī)定。BIPV光伏組件采用PVB代替EVA制作能達到更長的使用壽命。目前，國外的Schott和Schuco公司、國內(nèi)的廣東金剛玻璃科技股份有限公司已經(jīng)掌握了較成熟的PVB光伏組件封裝技術。
EVA膠片(破則穿透) PVB膠片(破而不穿)
此外，在BIPV系統(tǒng)中，選用光伏專用電線(雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線)，選用偏大的電線直徑，以及選用性能優(yōu)越的連接器等設各，都能延長BIPV光伏系統(tǒng)的使用壽命。
6．具有綠色環(huán)保的效果
BIPV建筑物能為光伏系統(tǒng)提供足夠的安裝面不需要另占土地，還能省去光伏系統(tǒng)的支撐結太陽能硅電池是半導體器件，發(fā)電時無轉(zhuǎn)動部無噪聲，對環(huán)境不會造成污染。
BIPV建筑可實現(xiàn)電力的自發(fā)自用，減少了電力輸送過程的費用和能耗，降低了輸電、分電的投資和維修成本。而且日照強時恰好是用電高峰，BIPV系統(tǒng)除可以保證自身建筑內(nèi)用電外，在一定條件下還可能向電網(wǎng)供電，舒緩高峰電力需求，具有很好的社會效益；而且能夠杜絕由一股化石燃料發(fā)電所帶來的嚴重空氣污染，對于環(huán)保將起到積極作用。
四、光伏建筑一體化的相關應用案例
1．香港圣保羅小學
香港圣保羅小學BIPV光伏采光頂總面積為82平方米，系統(tǒng)總發(fā)電功率為7.9千峰瓦，由65片雙玻璃光伏組件構成，采用156毫米×156毫米高效晶體硅電池片，安裝方向為東南偏南。采用明框玻璃幕墻的結構形式，從接線盒引出電線進入鋁合金龍骨內(nèi)走線，如圖8所示。
香港圣保羅小學
2．南玻大廈光伏幕墻
南玻大廈光伏幕墻總面積59平方米。該光伏系統(tǒng)包含兩個子系統(tǒng)，總?cè)萘繛?015峰瓦,并網(wǎng)光伏系統(tǒng)容量為5095峰瓦，獨立光伏系統(tǒng)容量為920峰瓦。采用的組件為雙玻璃光伏組件，厚度為6毫米+2毫米+6毫米。最大組件(長×寬)尺寸為2460毫米×1160毫米，面積2.85平方米，功率280峰瓦。結構形式為外循環(huán)雙層幕墻。外層為開放式光伏幕墻，光伏組件空隙間不打膠，保持空氣流通，有利于控制電池片溫度，提高組件發(fā)電效率。內(nèi)層為鋁板幕墻，可以很好地將雨水及熱量阻擋在墻體之外。外層開放式光伏幕墻與內(nèi)層鋁板幕墻的完美結合，既避免了高溫造成光伏組件效率的降低，又有效地阻止了熱量及雨水進入室內(nèi)，見圖9所示。
南玻大廈光伏辜培
六、結語
BIPV建筑是清潔能源產(chǎn)品與建筑完美結合的產(chǎn)物。我國頒布的《中華人民共和國可再生能源法》、《十一五可再生能源發(fā)展中長期規(guī)劃》、《電網(wǎng)企業(yè)全額收購可再生能源電量監(jiān)管辦法》及今年3月底國家財政部和住房城鄉(xiāng)建設部剛剛出臺的《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》和《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》在政策上對我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均給予了強有力的支持。
隨著光伏材料成本的下降及歐美光伏發(fā)電項目的普及，光伏產(chǎn)品在國內(nèi)的應用條件日趨成熟。相信在未來2~3年內(nèi)將會涌現(xiàn)出大批的BIPV光伏建筑藝術品，并且是一些非常有代表性的大型光伏建筑項目。 
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