光伏建筑一体化的设计要素

1、T h e S p e c i a l F o c u s特 别 关注光电建筑一体化光伏建筑一体化的设计要素光电建筑应用委员会专家组罗多中国兴业太阳能技术控股有限公司李广立通常的理解为：对于光伏系统与建筑物实行一体化的设计、制造和安装的系统为；反之，附着在建筑上的则为。而我们则理解为可以与建筑围护结构浑然一体，不可分割且不影响围护结构的其它功能，如美观性、安全性、采光性、通风性、舒适性、水密、气密性等等的系统，才能称之为真正的系统。我们应该把建筑设计中对建筑的理解作为设计重点，那就是：要保证建筑物不因光伏系统的附加而影响其安全性和艺术性。随着全世界对可再生能源的研究、应用、推广，当今新能源时代

2、已经步入高速发展的黄金时期，而太阳能光伏发电作为未来可再生能源领域的主导能源，我们已经将其成功的应用到了建筑领域，这就是光伏建筑一体化。2009年3月国家财政部及住房和城乡建设部发布的“阳光屋顶计划”，对光伏建筑的发展犹如一剂强心针，不仅仅为光伏产业带来了春天，也为绿色建筑注入了动力。光伏建筑发展其实有两种概念：光伏系统与建筑集成（BAP V 和光伏建筑一体化（BIP V 。通常的理解为：对于光伏系统与建筑物实行一体化的设计、制造和安装的系统为BIPV ；反之，附着在建筑上的则为BAPV 。而我们则理解为可以与建筑围护结构浑然一体，不可分割且不影响围护结构的其它功能，如美观性、安全性、采光性、

3、通风性、舒适性、水密、气密性等等的系统，才能称之为真正的BIPV 系统。要满足以上建筑要求的BIPV 设计事实上需要大量的工程经验，并且一定是多专业配合的系统设计，至少包括了四大专业：建筑、结构、机械、电气。因此，BIPV 的设计主要包括两大项：建筑设计和电气设计。我们应该把建筑设计中对建筑的理解作为设计重点，那就是：要保48建设科技技术案例篇证建筑物不因光伏系统的附加而影响其安全性和艺术性。我们将其总结为以下八点设计要素：为了满足建筑的采光要求以及建筑师追求大板面的要求，我们将3块1245cm ×635cm 的标准电池板块设计成一个组件，电池板的中间设计了约3cm 的采光带，所用B

4、IPV 模组为层压建筑布局这个“局”分为“大局”和“小局”。光伏系统是建筑物的一部分，首先要满足其内外效果与整体建筑的一致性，并且要保证建筑物各项功能不受影响，这就是我们“大局”的设计。建筑是多元的，有时侯会存在边角、弧形等与电池板模组数相冲突的特殊地带，如何满足建筑师的要求，如何采用特殊设计制作的太阳能电池组件来满足细节的设计，这就是“小局”。例如青岛火车站的廊道采光顶BIPV 设计，原设计采用了七个在南坡的三角形区域，此方案造成中部通廊顶南坡为电池板，北坡为阳光板，两种材料差异甚大，包括材质、颜色、安装方式，不能满足室内建筑效果要求，甚至出现负作用。调整后方案取消最左侧三个三角形区域，改中

5、间区域顶部全部安装电池板，此举保证了通廊顶效果一致。不利之处则为屋顶电池板一半区域处于北坡，系统功率会因采光效果不理想而有所下降，但会通过合理的电气设计调整使电气部分的系统匹配达到合理性，从而保证三相平衡性。组件，使得采光带与电池组件完美结合，组件的组合为6mm+3.2mm+1.5EVA+6mm。该组件既满足了面板结构安全要求，建筑美观要求，也满足了采光要求。结构安全性设计任何一种材料与建筑结合的时候，都必须考虑其安全性能。当光伏电池作为一种建筑围护材料时，我们必须首先对其强度和刚度做详细的分析检查。对于非晶硅薄膜电池，我们都知道其基片为T CO 玻璃（即附有透明导电氧化物薄膜的玻璃），也就是

6、说非晶硅薄膜电池在结构上其实就是3.2mm （TCO 浮法玻璃）+0.76PVB+3.2mm钢化玻璃。夹胶玻璃在承担平面外荷载时，内外两片玻璃将通过刚度分配法进行荷载分配，在内外玻璃厚度相同的情况下，它们将各自承受一半的荷载。因此，在超过极限荷载的情况下，外片浮法玻璃将会首先破损。通过计算，如果尺寸为1.245m ×0.635m 的电池直接作为面板材料使用，可以承受2.4k N/m2的平面外荷 青岛火车站鸟瞰图载；如果尺寸为1.3m ×1.1m 的电池直接作为面板材料使用，可以承受1. 85kN/m2的平面外荷载。而沿海建筑或超高层建筑超过以上风荷载的情况很多。因此，不可盲

7、目的直接将非晶硅薄膜电池作为建筑材料使用。非晶硅薄膜电池优越的遮阳性能在建筑采光顶中得以充分体现，可以想象，如果我们只是将电池板铺在南坡，那么可能在仲夏正午的时候，就不会有人愿意从通道的北边行走了。非晶硅薄膜电池与阳光板材质及感观上的完全不同，使得修改以后的建筑设计趋于平衡、对称。为了获得整体效果我们牺牲了北坡铺设电池板带来的发电量降低，但事实证明，将建筑大局作为设计的首要条件是必要的，建成后的火车站得到了铁道部及地方政府的高度评价。关于这个项目的“小局”设计则体现在“D u m m y ”及“Model ”的设计。在顶部与阳光板、屋脊交接处，曲面与曲（斜）面相交，出现了相当多的多边形分格，为

8、了室内效果统一，采用了切割的异形电池板，但不参与系统发电，仅作为装饰。对于晶体硅电池，用于建筑材料的组件一般为双玻组件，内外玻璃的厚度可以通过实际计算得出。整个系统的结构安全校核应包括但不限于以下方面：电池组件（面板材料）强度及刚度校核；支撑构件（龙骨）的强度及刚度校核；电池组件与支撑构件的连接计算；支撑构件与主体结构的连接计算。光影分析太阳能电池与建筑相结合，有时不可避免的会受到遮挡，如树、广告牌、女儿墙等。遮挡对于晶体硅电池发电量影响很大，对于非晶硅的影响会小得多。一块晶体硅电池组件被遮挡了1/10的面积，功率损失将达到5 0% ；而非晶硅受到同样的遮建设科技49T h e S p e c

9、 i a l F o c u s特 别 关注光电建筑一体化挡，功率损失只有10%，这就是薄膜电池弱光发电性能的体现。如果太阳能电池不可避免的会被遮挡，应当尽量选用非晶硅电池。同时，建议每一个BIP V 项目都要经过专业的遮挡分析，长期处于阴影遮挡下的建筑，是不适合做BIPV 的。设计时我们采用专业生态环境分析软件（ecotect ）对建筑所处环境模拟分析，合理布置电池板，使电池板始终在太阳的“光芒”下。分析时对系统所处位置采用按春分、夏至、秋分、冬至四个时间点。冬至、夏至是太阳的南北回归线，对于地球来说是太阳运行距离最远的两个端点，如果建筑在这两个时间点上不被遮挡，那么我们布置的电池板将会长年

10、接受阳光的照耀。比如以下截图是对于呼和浩特东站的遮挡分析（图中蓝色部分为光伏电池板）：夏至日下午点太阳位置透光率设计从采光的角度上讲，建筑分为采光部分和非采光部分。采光部分就是常用的玻璃部分，非采光部分包括窗间墙、梁柱位、剪力墙等。如果我们将电池板铺在非采光部分，则不存在透光设计，但由于组件背后为实体墙则必须考虑通风散热，建议采用开缝式设计。如果将电池板铺在采光区域则应参照建筑采光设计标准（GB/T50033-2001）对建筑采光的要求进行设计。非晶硅薄膜电池本身是可以透光的，透光率从1%30%，但透光的代价则是转换率的加倍降低和成本的加倍升高。因此，在工程实践中我们通常采取设计采光带或间隔布

11、置电池板的方法换取透光率。非晶硅薄膜电池具有优越的遮阳性能，电池板的G 值可以低至11%。晶体硅系列则可以通过电池片之间的间距来获得透光率，如下表：冬至日早上点太阳位置夏季遮阳性能(G值:太阳光谱中能量的传播是通过G 值来决定，G 值越小，遮光率越高。散热分析电池是怕热不怕冷的，当电池片吸收光照转化为电能时，电池板自身温度急剧升高，如果不考虑良好的通风散热，不但会直接影响到电池板的转化率，而且电池板背面的高温也会直接影响到室内的环境温度，也就是舒适度。其根本原因就是温度上升会影响电池板内部填充因子（F F 一个用来检测电池片性能好坏的指标）的数量，温度越高填充因子就越少, 组件效率就越低。但不

12、同的电池下降幅度是不同的，可以根据以下公式计算出电池高温下的转化率：P m effec = Pm ×1+a（T - 25）其中a -为电池组件的功率温度系数（A-s i 、P-s i 最佳输出功率Pm 的温度系数约为-0.19%，C-si 电池最佳输出功率Pm 的温度系数约为-0. 5%）可以看出非晶硅薄膜电池对于温度的敏感程度也是远低于晶体硅系列的电池。一般来说对于环境温度有可能高于20的B IP V 来讲，如果缺乏散热考虑就会影响系统发电量和建筑舒适度。因此，建议中国大部分区域在建筑立面或屋顶使用BIPV 的时候，要尽可能多的考虑光电幕墙的散热问题。多种颜色及花纹不同的光伏电池对

13、建筑的影响对于不同的电池类型，室内外装饰效果截然不同，需在初步方案设计时根据建筑功能、风格全面考虑，和谐统一，使其融入于建筑中，浑然一体，避免后期确定带来的设计败笔。同时采用电池板类型不同，相同面积下的电池板安装功率不同，最终发电量也不同。如果按相同电池板安装功率，所需数量（面积）也各不相同。故需在建筑初步设计时确定电池板的选型及数量。非晶硅薄膜电池会有暗红色、深褐色、深灰色、深蓝色等多种颜色的选择，透光度也有从1%到30%的选择，甚至从薄膜的镀膜花纹上也可以有条状、点状、网状等的选择，能够满足建筑师对建筑风格多元化的要求。50建设科技技术案例篇率，则建议选用晶体硅电池；如果建筑追求的是建筑效

14、果，则建议选用非晶薄膜电池。位置选择BIPV 的位置选择除了屋顶和立面幕墙外，还可以安装在建筑的其它部位，比如窗台、遮阳、装饰百叶、窗、栏杆等，甚至 多种透光度而晶硅系列也可以有多种颜色的选择，主要通过二氧化氮的用量控制来改变表面颜色。但换成其他颜色的话会影响电池片的效率，一般电池片表面采用蓝色或黑色是因为这两种颜色对可见光波长的吸收最佳, 如果换成其他颜色的话对其波长的范围就会反应不敏感, 也就是吸收率降低，所以一般不建议客户改用除蓝色和黑色以外的颜色。可以安装在停车场、候车厅、城市雕塑、电话亭等公共设施上面。电池板安装于不同的部位，其最终发电量各不相同。以朝向正南，倾角为当地纬度角的部位为基准100计，其余部位的发电效率如下图所示，故需在建筑初步设计时确定太阳能的安装位置。支撑系统由于BIPV 本身就是建筑的围护结构，支撑系统的设计可以直接影响到整个系统的建筑性能，如:美观性、安全性、可操作性、水密、气密性等等。因此, 支撑系统的设计应基于幕墙结构 的设计再综合考虑与电池组件的结合、出线盒的位置、组件的布 晶体硅的颜色下图为类似