光伏幕墙总体设计

摘要：总结了在光伏幕墙设计中需要注意的要点；另外，介绍了杭州帷盛太阳能科技有限公司的一套新型光伏幕墙解决方案——干挂式光伏幕墙，为光伏幕墙相关设计人员提供参考和指导。

关键词：BIPV；太阳能；干挂式幕墙；光伏幕墙

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

一前言

2011年底财政部的《关于组织实施2012年度太阳能光电建筑应用示范的通知》，表明了国家在“十二五”期间力促光伏建筑一体化的信心和决心。目前中国有480亿平方米建筑面积，如果在其中的10%建立BIPV系统，光伏组件的市场将达到500GW。目前我国还处于起步阶段，在今后的时间里它将迎来高速的发展。

光伏建筑一体化(BIPV)与其他形式的光伏电站相比，结构要复杂得多，需要考虑的因素也要多得多。BIPV不仅要考虑到建筑设计，而且要同时考虑光伏电站设计。下面总结了在BIPV设计中几个最主要的方面。

二光伏幕墙设计要点

1 安装位置及形式

在建筑物上，有很多位置适合安装光伏电站，所以产生了很多的BIPV形式。比较常见BIPV形式主要有：光伏幕墙、整体光伏屋顶、嵌入式瓦片光伏屋顶、光伏采光顶、光伏遮阳、光伏雨篷、光伏车棚、光伏温室、光伏护栏、高速公路隔音障等。在这些形式中，每种形式均受到一定程度的限制，不如地面电站一样可以根据实际的地理位置设定最佳的角度来获得最大的发电量。对于每一种形式，在设计时需要充分挖掘其特点来平衡优势与不足，获得最佳的性价比。

2 光伏组件的选择

光伏组件的种类较多，总的来说分为晶硅组件和非晶硅组件。以下表格是市场上常见的组件类型及其特点：

目前晶硅组件和薄膜组件价格基本一样（约为5元），普通晶硅组件都转换率为平均在7%～10%左右，而多晶硅电池片的转化效率平均在17%～20%。因此，在有限都面积上，晶硅组件则意味着更大都装机容量和发电量。另外，这两种组件安装支架都成本基本相等，故晶硅组件将会给用户带来更多收益。

普通晶硅组件作为市场上最通用的光伏组件，凭借着市场供货充足、批量化生产的成本优势，非常有效地推动着BIPV达到光伏发电平价上网水平。

3 最佳倾角、方位角

倾斜角度和方位角直接决定了光伏组件能够获得的太阳辐射量。图1.1显示了这些因素对组件发电效率的影响。

图 1.1 方位角对辐射值的影响 图1.2 倾斜角对辐射值的影响

从图1.1中可以看出，在北半球光伏组件朝南时，获得最大的太阳辐射量。从图1.2中可以看出，倾斜角对于光伏组件获得太阳辐射量的差异非常大，以测试地点香港为例，倾斜角为90度时的太阳辐射值仅为最佳倾斜角度的一半。因此，在BIPV设计中，对于光伏屋顶、光伏采光顶、光伏遮阳等可以调节倾斜角度的项目，尽可能设计成最佳倾斜角度使光伏组件获得最大的光照辐射量。光伏组件也尽量安装于朝南（北半球）或朝北（南半球），对于东、西两个朝向的光伏系统，可以选用弱光性较强的非晶硅组件来确保延长发电时间，以提升发电量。

4 通风散热性能

温度对于光伏组件发电的效率影响也是巨大的，它随着温度的升高而降低。下图反应了这个温度对光伏组件发电效率的影响。

图1.3

从图1.3中可以看出，光伏组件的发电效率随着温度的升高而降低。因此，在BIPV项目中，一定要保证光伏组件的通风散热，降低组件的温度，提升发电效率。目前通风散热的方法较多，主要有以下几种方法：

a.开放式自然通风散热；

b.百叶窗散热；

c.抽风机抽风散热；

d.水冷管散热；

e.双层循环式散热。

5 避免阴影遮挡

在光伏组件中，被阴影遮蔽的部分将会变成负载，导致组件局部温度过高，严重的会烧坏组件，甚至引起重大火灾，这就是光伏组件的光斑效益。因此，光伏阵列上的任何部分遮蔽源都将在很大程度上导致其输出降低。据试验，遮挡10%的面积，发电效率最多将会下降90%。对于晶体硅太阳电池，小遮挡即可引起大功率损失，。非晶硅薄膜电池的电流密度较小，阴影遮挡的影响要比晶体硅电池小得多。

图1.4热成像仪显示的“热斑效应”图1.5异物在组件上的“热斑效应”

表1.1太阳能光伏系统受到部分遮蔽后的现场测试结果

所以，在BIPV设计时，要运用相关的阴影分析专业工具，充分考虑环境遮挡物和避免安装构件产生的阴影。另外，要充分考虑光伏组件的清理方案，及时清理组件表面的鸟粪、树叶、灰尘等。

6 符合国家建筑规范

为了规范建筑，现在国家的建筑法律法规也比较完善和齐全了。这些建筑和法规都为建筑设计人员提供了依据。在BIPV安装的地方，通常会是社会主要的活动地点，务必保证项目符合国家规范和安全性能。BIPV结构安全性涉及两方面：一是组件本身的结构安全，高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，要通过严格的计算光伏组件的强度、受风变形是否符合安全要求。二是组件安装固定的安全性。应对整个结构进行严格的结构计算，确保安全。

建筑的能耗高居不下，建筑规范也对建筑热工有相应的要求，若是不符合规范的话将会在验收时通不过。节能、绿色、环保设计将会成为未来建筑最显著的特点和发展方向。

另外还有防水、防火、防雷、地震、隔音、采光、材料、工艺、施工等都要符合国家规范要求。

7 符合建筑美学

BIPV说到底，其本质还是建筑为首，光伏为辅，美学效果很大部分决定了建筑的成功。要达到画龙点睛的效果和带来新的活力和创造力。具体体现在以下几点：

从室外看，要求材料、风格、颜色和建筑物协调统一，造型创新，避免光污染；

从室内看，室内明亮，光线柔和而不杂乱；符合人体工程学要求。

8 综合布线

光伏电站的电气设备对电压和电流都是有特定的要求，我们一般根据电气设备去布局组件方阵来满足要求。但在建筑上建立光伏电站，组件的排列不一定是整齐有序，很有可能是由一些大小、形式不一的几何图形组成，这样就会造成组件间的电压、电流不同。因此，组件布局和接线错综复杂，不能按照一般电站接线布局。

为保证每个方阵的电压、电流符合电气设备的要求，BIPV电缆布线大致有以下两点：a.对建筑立面进行分区及调整分格，经过计算，定制尺寸和功率符合建筑要求的光伏组件； b.将少数边角上多余的电池片不连接入电路。

另外，由于光伏组件与建筑主体的距离往往会非常小，并且光伏组件固定后基本很难再有操作空间接线，所以在设计时应同时与相关人员充分沟通和考虑接线方案，保证施工安装和接线调试顺利进行。

9 后期维护

目前大多建筑的使用年限是50年，而光伏组件是25年。对于寿命不同步，就意味着25年后可能要进行光伏组件的更换，或者在使用中组件异常。所以，在设计中应该考虑光伏组件坏掉之后的更换维护，力求操作方便，降低后期维护成本。

三帷盛光伏幕墙解决方案

帷盛自主研发的干挂式光伏幕墙VBF-1系统是帷盛BIPV光伏幕墙解决方案之一，目前已经成功申请专利。

图1.6VBP-1效果图 图1.7VBP-1结构图

该解决方案具有以下几大特点：

用矩形钢和角钢作为立柱和横梁（替代铝型材结构），大大降低建造成本；

采用普通晶硅光伏组件，提高了装机容量，提高建筑利用率；

各组件相互独立，使安装和后期维护方便快捷，节省安装和维护的费用；

开放式的结构，保持组件通风散热性能，提高组件发电效率；

仅5mm高的装饰条扣板，有效避免装饰条在阳光照下产生的阴影对组件的影响。

VBP-1系统应用说明：

适用于对采光无要求，并且有墙体作为维护结构的建筑立面；

这套系统最大的特点是采用了普通晶硅组件，具有装机容量大、发电效率高、性价比高等优势。大大降低了BIPV项目的成本，有效推动我国光伏产业平价上网。在力学性能上，普通晶硅组件一般能承受的载荷为2.4KN/㎡，更大承载力的普通晶硅光伏组件达到了5.4KN/㎡。根据玻璃幕墙规范JGJ102-2003第6.1.2条与第6.1.3条，进行玻璃强度和挠度的计算。风荷载设计值取2.4KN/㎡、玻璃的最短边按照990mm来算，允许最大的变形挠度为最短边的1/60,故df=990/60=16.5mm。由此可以得出玻璃厚度，此厚度即为光伏组件等效的钢化玻璃厚度。计算可以得出：当组件的最大承受荷载为2.4KN/㎡时，等效钢化玻璃的厚度为5.13mm；当组件的最大承受荷载为5.4KN/㎡时，等效钢化玻璃的厚度达到6.72mm。

由于墙角区进行结构计算时体型系数比较大，对组件的力学性能要求非常高，故此系统不建议应用于墙角区域。在墙角区域可以采用石材幕墙或铝板幕墙等形式来配合此系统。

三结语

政策的激励及BIPV的特有属性，决定了它巨大的发展空间。我们在设计和实现新能源绿色建筑时，一定注重成本控制、发电效率、节能环保、安全可靠，实现经济效益、环境效益、社会效益最大化。

参考文献

[1] 杨洪兴，周伟. 太阳能建筑一体化技术与应用. 北京：中国建筑工业出版社 2009.

[2] JGJ203-2010 民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范. 北京：中国建筑工业出版社 2010.

[3] JGJ201-2003 玻璃幕墙工程技术规范. 北京：中国建筑工业出版社 2003.