太陽能光伏建筑一體化中光伏幕墻的設(shè)計要點分析

姜文化

(中防雅宸規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司，山東青島 266075)

1 光伏幕墻特征

1.1 光伏幕墻的應(yīng)用優(yōu)勢

光伏幕墻的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）可以節(jié)約土地資源；（2）節(jié)能減排；（3）抵抗外界環(huán)境侵蝕，太陽能發(fā)電屬于綠色資源，與環(huán)境有較好相容性，不會對環(huán)境造成不良影響；（4）調(diào)整用電峰谷，城市中熱島效應(yīng)顯著，尤其是夏季制冷設(shè)備的使用，導(dǎo)致用電頻率極高，增加了電網(wǎng)壓力，同時該設(shè)備可以在日照較強(qiáng)時期為光伏系統(tǒng)提供更多電能，積極緩解城市電力供應(yīng)壓力[1]。

1.2 光伏幕墻系統(tǒng)組成

光伏幕墻組成結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，主要構(gòu)成元件包括太陽能電池、蓄電池組、充放電控制器及直交流逆變器、測量設(shè)備等（見圖1）。目前，太陽能電池應(yīng)用可分為2 類：晶體硅類及非晶體硅類。晶體硅類電池（單晶及多晶）應(yīng)用更為廣泛。蓄電池組應(yīng)用于幕墻系統(tǒng)發(fā)電電能儲存，適用于光照不足的陰雨天氣或傍晚以及其他電量供不應(yīng)求的特殊情況，能夠隨時供電直到負(fù)載。目前，主要采用鉛酸蓄電池，但行業(yè)內(nèi)正在研究鋰離子蓄電池，該類型蓄電池也是未來發(fā)展方向。充放電控制器是對電池組進(jìn)行測量并控制其充放電的設(shè)備，可以延長電池組工作壽命，降低維修頻率。逆變器是將電池組或幕墻系統(tǒng)本身產(chǎn)生的直流電進(jìn)行逆變，轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的交流電，并將其傳輸向電網(wǎng)，其內(nèi)部運行機(jī)制包括獨立運行，向獨立負(fù)載供電；并網(wǎng)運行，向電網(wǎng)供電。測量設(shè)備是對幕墻發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測量，包括太陽能輻射強(qiáng)度及幕墻溫度、充放電電量等，通過數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，對幕墻內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整。

1.3 光伏幕墻結(jié)合方式及適用范圍

光伏幕墻結(jié)合方式主流方式分為非透明外掛型結(jié)合與半透明雙玻璃組件型結(jié)合。其中，非透明外掛型結(jié)合是將光伏組件框架鏈接建筑物墻體或窗戶豎龍骨，應(yīng)用螺栓或鉚釘將其框架及掛件進(jìn)行固定，應(yīng)用溝槽將掛件掛在豎龍骨橫檔處。該結(jié)合類型對于新舊建筑物均適用，且安裝較為方便，成本較低，效率較高，但不夠美觀，更適用于無須考慮室內(nèi)采光需求的墻面，因此，日常生活中主要應(yīng)用于住宅、商業(yè)或大型公共建筑工程，對于原有建筑進(jìn)行改造也是適用的。半透明雙玻璃組件型結(jié)合是將半透明組件嵌入建筑物，可以完美融合幕墻及建筑物。半透明組件主要包括薄膜電池、晶體硅電池，其中薄膜電池幕墻較為美觀，無須掛立，而晶體硅電池幕墻可以通過余留空隙進(jìn)行設(shè)計，均可采用嵌入形式進(jìn)行安裝，其耦合程度高，對于室內(nèi)采光更支持。但該結(jié)合類型組件質(zhì)量較大，多為定制款式，成本較高，且安裝效率較低；更適用于存在半透明外立面、天窗及遮陽設(shè)施的大型商業(yè)及公共建筑工程。

1.4 光伏幕墻結(jié)構(gòu)形式

從結(jié)構(gòu)形式方面，可將其分為單層及雙層光伏幕墻。其中，單層光伏幕墻是一種直接結(jié)合太陽能電池板及建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體或窗戶），多為2 片鋼化玻璃與電池直接形成夾層組件，其室內(nèi)采光需求可根據(jù)電池之間間距進(jìn)行調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)形式主要分為夾層玻璃組件及中空玻璃組件，其中，夾層玻璃組件構(gòu)造采用2 片鋼化玻璃粘在太陽能電池片內(nèi)外表面的形式，相較于普通玻璃幕墻，更具安全性、節(jié)能性及隔音性優(yōu)勢。中空玻璃組件構(gòu)造采用太陽能電池片放置于2 片及以上鋼化玻璃中空腔內(nèi)，鋼化玻璃之間余留一定空隙間隔，且周邊采用密封膠進(jìn)行密封，相較于普通玻璃幕墻，更具隔熱性、隔音性優(yōu)勢[2]。

雙層光伏幕墻是使太陽能電池板（光伏組件等）直接附著于建筑物外部結(jié)構(gòu)（墻體或窗戶）的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)層結(jié)構(gòu)為建筑物墻面或窗戶玻璃幕墻，外層結(jié)構(gòu)為光伏板或光伏玻璃幕墻，建筑物外部結(jié)構(gòu)中間存在通風(fēng)空氣層，當(dāng)太陽能光伏溫度迅速升高時，在熱量作用下該空間區(qū)域內(nèi)空氣上升形成空氣循環(huán)，繼而起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，并降低電池表面溫度，繼而延長電池使用壽命，提高發(fā)電效率，還可以起到遮陽、隔熱、減少噪聲等作用。根據(jù)其構(gòu)造形式一般分為外掛、走廊、窗盒及豎井式，外掛形構(gòu)造最為簡單，一般又叫整體式，該設(shè)計過渡層空間相對較大，不產(chǎn)生四向分隔，不利于光伏組件進(jìn)行散熱；走廊形構(gòu)造是按照水平方式進(jìn)行單元劃分，并對單元進(jìn)行上出下進(jìn)設(shè)計，有效提高發(fā)電效率，更有利于組件的維修保養(yǎng)及清潔；窗盒形構(gòu)造按照過渡層水平、豎直方向進(jìn)行單元分隔，但存在水平方向間隔距離較少特征；豎井式形構(gòu)造是基于窗盒形構(gòu)造增大水平分隔距離，通過增大氣溫差，促進(jìn)空氣流動速度增快，繼而發(fā)揮煙囪效應(yīng)（煙囪效應(yīng)可以有效降低內(nèi)層外表面溫度）。

2 光伏幕墻設(shè)計要點

2.1 光伏幕墻單元設(shè)計

2.1.1 荷載設(shè)計

光伏系統(tǒng)使用過程中需要承受風(fēng)壓、地震力造成的影響，尤其是對于高層建筑、高風(fēng)壓、地震頻發(fā)地區(qū)建筑，受到的影響更大，幕墻也會出現(xiàn)上下水平、扭轉(zhuǎn)等變化，而這也對光伏幕墻力學(xué)性能提出了更高要求。一般采光頂及幕墻負(fù)載結(jié)構(gòu)主要由光伏玻璃組件構(gòu)成，要想滿足一定負(fù)載量，需要確保玻璃組件強(qiáng)度及厚度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。荷載設(shè)計中需要考慮到各方面荷載效應(yīng)，包括自身重力、風(fēng)力、地震力及溫度應(yīng)力確定取值。

2.1.2 光伏組件邊框尺寸

邊框尺寸是基于建筑物室內(nèi)采光需求以及太陽能電池、組件透光率等因素進(jìn)行計算，一般要求組件透光率達(dá)到30%。小邊框型材主要應(yīng)用于路燈電池板，發(fā)電量需求較小，而大邊框更適用于光伏幕墻。光伏組件大尺寸背景下，需要在增加邊框的同時確保荷載及強(qiáng)度，由于邊框及玻璃面板均需承受外力作用，因此，需要考慮到其強(qiáng)度及撓度，而邊框的主要荷載來源于玻璃板傳遞及直接承受荷載，選擇鋁合金材質(zhì)作為邊框，具有較好的抗氧化、抗腐蝕、運輸方便等優(yōu)勢，也可以起到保護(hù)及固定玻璃面板的作用。

2.1.3 鋼化玻璃設(shè)計

在外力作用下，鋼化玻璃多為平面外形變，其受到的剪力作用相對較小，無須對其抗拉及剪強(qiáng)度進(jìn)行明確區(qū)分。設(shè)計鋼化玻璃強(qiáng)度時需要進(jìn)行厚度選擇，同時考慮到太陽能電池會對其玻璃撓度產(chǎn)生一定影響，因此，需要基于不同電池計算鋼化玻璃的撓度控制值。此外，溫度變化也會形成負(fù)溫度效率，繼而降低發(fā)電效率，同時，室內(nèi)建筑也會吸收其產(chǎn)生的熱量，對建筑耗能造成一定負(fù)面影響，因此，設(shè)計過程中需要引入散熱及降溫技術(shù)，確保光伏電池溫度維持在85 ℃以下。在實踐過程中，雙層光伏幕墻具有較好的散熱及降溫功效，可以形成煙囪效應(yīng)，改善發(fā)電效率及建筑能耗、舒適度。

2.1.4 光伏組件的設(shè)計

光伏幕墻中需要大量光伏組件，其組件類型選擇：基于安裝位置及照射角度，若組件安裝于建筑墻面，其安裝傾角相對困難，因組件長時期接受低光照度照射，故這些位置的光伏玻璃需要具備更好的弱光性能。

組件使用壽命選擇：由于建筑物使用壽命較長，大多超過50 a，因此，對于光伏組件使用壽命也提出了更高要求，原則上使用壽命不低于20 a，且最大輸出功率衰減程度也需要滿足年限規(guī)定。

此外，光伏板件功能是將太陽能吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娕c熱能，設(shè)計過程中需要保證光伏組件的轉(zhuǎn)換效率。單晶體硅電池轉(zhuǎn)化率需達(dá)到16%，光吸收率達(dá)到67%，其吸收太陽能效率達(dá)到50%；多晶體硅電池轉(zhuǎn)化率需達(dá)到14%，非晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率需達(dá)到6%。

2.2 光伏幕墻配合要求

光伏幕墻設(shè)計過程中不僅需要考慮到光伏幕墻系統(tǒng)，還需要充分考慮到建筑墻面相關(guān)參數(shù)（包括日照量、日照時間及角度），只有確保充足光照方可儲存充足電量，而不同建筑立面分布存在差異，其接受的光照強(qiáng)度也會存在一定差異，繼而影響發(fā)電效率。因此，設(shè)計過程中需要根據(jù)建筑立面形狀、地區(qū)光照強(qiáng)度進(jìn)行分區(qū)域分格設(shè)計，確保光伏幕墻發(fā)電效率達(dá)到最大化。

2.3 光伏幕墻絕緣要求

光伏幕墻本身具有發(fā)電功能特征，且與建筑物墻面進(jìn)行接觸，可能導(dǎo)致人體觸電。為了預(yù)防光伏幕墻觸電后果，需要對光伏電池引出端進(jìn)行絕緣密封操作，同時對其引出端進(jìn)行絕緣套管包覆，且內(nèi)部走線均需要在幕墻框架內(nèi)，對于幕墻內(nèi)部金屬元件需要確保其連接有效性，完成絕緣操作后需要再次檢查其絕緣性[3]。

2.4 光伏幕墻安裝及維護(hù)需求

基于特定地區(qū)和建筑物，日照時長、氣候特征等氣象參數(shù)均會影響到電池接收到的年太陽輻射量，也會影響到光伏幕墻的生命周期。因此，在實際安裝過程中，需要盡可能使控制單元及蓄電池靠近太陽能電池板，繼而降低導(dǎo)線電阻對電能損耗的影響；選擇光伏組件及玻璃幕墻結(jié)合形式時，需要考慮到明框光伏玻璃幕墻需要規(guī)避框架向外凸出過多情況，避免對電池片光電效率轉(zhuǎn)換造成一定影響；選擇鋼化玻璃類型需要基于當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓及高度變化、建筑物體型系數(shù)等，確保鋼化玻璃強(qiáng)度及剛度足夠，規(guī)避太陽能電池片撓度過大出現(xiàn)破壞痕跡；設(shè)計選擇過程需要考慮到地區(qū)差異，如地震高風(fēng)險地區(qū)，地震作用會直接影響建筑主體，繼而影響光伏幕墻，因此，選擇的光伏幕墻框架強(qiáng)度需要能夠承受基于持久及地震設(shè)計組合上基本負(fù)荷。在光伏幕墻設(shè)計過程中還要充分考慮清潔及維護(hù)通道，一般幕墻需要年檢2 次，對組件及框架松動或損壞、系統(tǒng)運行順暢度、輸出功率改變等情況進(jìn)行核實；針對幕墻清潔，僅依靠其自潔是難以降低污垢對電池發(fā)電效率造成的影響，需要定期進(jìn)行灰塵清潔。

3 結(jié)語

由于太陽能光電幕墻技術(shù)具有節(jié)能減排、資源應(yīng)用合理、環(huán)境保護(hù)等優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸應(yīng)用于建筑行業(yè)中，也將成為現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展趨勢。與此同時，隨著智能建筑的發(fā)展，其發(fā)展也逐漸呈現(xiàn)智能化、多元化特征，其應(yīng)用具有較為廣闊的發(fā)展前景。