屋顶支架式光伏组件与幕墙光伏玻璃组件的比较研究

摘要:文章通过比较屋顶电站用支架式光伏组件与幕墙用光伏玻璃组件的相同点与不同点,总结了幕墙用光伏玻璃组件应注意的技术问题,对合理选择光伏电池、组件分格、色彩要求、透光性能、隔热性能、力学性能等提出了解决方案和建议。

关键词:建筑节能;光伏建筑一体化;光伏幕墙;光伏玻璃组件

中图分类号:TU524文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0115-04

建筑物消耗的能量大约占总能耗的三分之一。化石能源日益枯竭和化石能源消耗所带来的气候变暖,导致人类赖以生存的环境污染越来越严重,在国际及国内节能减排,低碳经济日趋重要的日趋紧迫的局势下,减少建筑能量消耗越来越重要,意义非常深远且迫在眉捷。

建筑节能可分为被动式和主动式节能。被动式是提高围护结构的热功性能和用电器效率,在不影响人们舒适度情况下,减少能量的消费。随着科技提高及国家相关强制政策的实施,新建建筑的能耗比老式建筑已经下降了一半。主动式节能是通过建筑本身附加装置,通过利用其它清洁能源来达到减少外部电网电能需求。建筑与太阳能的结合来解决建筑所需的部分能耗是建筑节能非常重要的途径。

建筑光伏发电具有省地、节材、直接使用、削峰填谷等优点,是国家重点扶持的低碳经济的重点项目。

1建筑光伏发电的基本形式

建筑光伏发电基本为三种形式:支架式;构件式;建材式。屋顶电站是第一种形式及支架式,其主要是利用建筑屋顶这块地,与地面电站比较接近。构件式是利用建筑的雨棚、遮阳板、栏板构件增加了光伏发电功能。建材式是将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合成在一起成为不可分割的建筑构件,光伏幕墙是其中的形式之一。

从2009年国家统计资料及申请资料上看,第一种形式占据了绝大多数,第二种及第三种尚少,真正意义上的光伏幕墙产品尚属于起步阶段。

光伏产品如何融入建筑,保持建筑风格,具备建筑围护功能,保证建筑水密性能、气密性能、抗风压性能,抗震、采光、隔声、耐撞击及热工性能、美观耐久,避免光伏产品给建筑带来的不利影响,如温度升高、电流危害等,最大限度提高光伏幕墙的产能,降低制造安装成本、提高投资回报率、容易维护、检修、保养,是光伏幕墙面临的急待解决的技术难题。屋顶光伏电站是光伏建筑的起步阶须,随着技术进步将会朝着兼顾发电和建材功能的方向发展。

屋顶光伏电站的成功经验值得总结与借鉴,特别是比较屋顶支架式光伏组件与光伏幕墙光伏玻璃组件之间不同与相同(为了便于两者之间比较,本文光伏幕墙特指垂直立面),采取相应对策,非常有利光伏幕墙水平提高与发展。

2光伏电池选型比较

幕墙光伏玻璃组件的光伏电池选型,对提高光伏玻璃组件的电性能,提高电产能,保证其作为建材必须具备的功能,如抗风、防雨、隔热、绝缘透光、美观、力学性能(足够强度和刚度),不易破损,便于降低成本,施工安装、运输、检修有着非常重要的作用,是光伏幕墙必须解决的技术难题。

光伏电池选用及电性能要求比较。

为了便于论述,本文仅对市场上常见的、产业化的产品进行列表

类别 晶体硅太阳能电池 薄膜太阳能电池

单晶硅 多晶硅 非晶硅 铜铟锡 碲化隔

光电转换率 12%～16% 12%～16% 6%～9% 11% 9%~12%

其中非晶硅薄膜电池是市场主流产品,碲化隔由于会对环境产生二次污染,需要采取相应的回收保证措施。

光电转换率是衡量太阳能电池性非常重要的指标,但不是唯一的指标,设计中如果片面地采用高转换率的太阳能电池,而不进行使用条件分析、成本分析,则会适得其反。

太阳能电池的光电转换率,是在标准测试条件下的转换率:

光源辐照度为1000 W /m2;

测试温度25℃;

AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。

太阳能电池实际使用条件与标准测试条件下的以上三个条件都会产生很大差别,应针对不同环境、不同条件进行分析,并有针对地采取措施。

2.1辐照度差别

光伏工作中采用的太阳常数值是一个衡定值即1367±7W/m2,是指地球大气层之外,平均日地距离处,垂直于太阳光方向单位面积上所获得太阳能辐射能。阳光穿过地球大气层时,至少衰减了30%,加上空气污染云层影响,即使采用最佳倾角安装的太阳能组件也很难达到1000W/ m2的太阳辐射能,况且太阳辐射能随日出与日落和季节不同、云层变化不断变化。

下图为太阳辐射能分布以及发生频率分布图:

表1中国部分城市太阳辐照量统计表

城市 纬度

(°) 最佳倾角

(°) Ht[Kw・h(m2・d] 垂直和最佳倾角比值

最佳倾角安装 垂直安

装(南向)

海口 20.02 10 3.8915 2.0771 0.53

广州 23.10 18 3.1061 1.8398 0.59

昆明 25.01 25 4.4239 2.6973 0.61

福州 26.05 16 3.3771 1.8991 0.56

贵阳 26.35 12 2.6526 1.4715 0.55

长沙 28.13 15 3.0682 1.7156 0.56

南昌 28.36 18 3.2762 1.8775 0.57

重庆 29.35 10 2.4519 1.3345 0.41

拉萨 29.40 30 5.8634 3.6935 0.63

杭州 30.14 20 3.183 1.8853 0.59

武汉 30.37 19 3.1454 1.8536 0.59

成都 30.40 11 2.4536 1.3863 0.57

上海 31.17 22 3.5999 2.1761 0.60

合肥 31.52 22 3.3439 2.0351 0.61

南京 32.00 23 3.3768 2.0804 0.62

西安 34.18 21 3.3184 2.0009 0.60

郑州 34.43 25 3.8807 2.4450 0.63

兰州 36.03 25 4.0771 2.5495 0.63

济南 36.36 28 3.8241 2.4754 0.65

西宁 36.43 31 4.558 3.0242 0.66

太原 37.47 30 4.1961 2.7699 0.66

银川 38.29 33 5.0982 3.4324 0.67

天津 39.06 31 4.0736 2.7473 0.67

北京 39.56 33 4.2277 2.9121 0.69

沈阳 41.44 35 4.0826 2.8643 0.70

乌鲁木齐 43.47 31 4.2081 2.7818 0.66

长春 43.54 38 4.4700 3.2617 0.73

哈尔滨 45.45 38 4.2309 3.0740 0.73

屋顶支架式光伏组件的安装角度不受建筑约束,可以采用最佳倾角安装。而光伏幕墙受建筑约束,从上表可以看出,接受太阳光的辐射强度较低,特别是低纬度地区,差别更明显。因此幕墙的光伏玻璃组件其低光强度(即弱光下)180～500W/ m2辐射强 下的光电转换率高低,对其更重要、更关键,决定了光伏幕墙发电效率。因此其采用的光伏电池必须具备良好的弱光性能。

垂直立面获得太阳能辐射强度比最佳倾角的辐照强度会大幅降低,甚至有的立面会没有太阳光直射,只会存在散射光,大约占总辐射量的10%~20%。因此,对于北半球而言,光伏幕墙应分布在南立面上,装机容量不够时,可以适当考虑西立面、东立面。北立面建议不要采用。还要考虑周边建筑的影响,低层采用时还应与园林绿化协调,免受较大树林影响、遮蔽。