【作 者】:莊大建 何清
【摘 要】: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(yīng)用形式，并簡單介紹了光伏建筑一體化應(yīng)用的幾個優(yōu)勢和相關(guān)工程實例，以供參考。
【關(guān)鍵字】:光伏建筑一體化
1.前言
隨著石化能源的日益枯竭和人類生存環(huán)境的日益惡化，世界各國對清潔能源如太陽能、風(fēng)能等可再生能源的支持力度越來越大。光伏建筑一體化建筑是光伏應(yīng)用形式中最接近人類生活的一種，是綠色節(jié)能環(huán)保理念的完美體現(xiàn)。德國、西班牙等國《上網(wǎng)電價法》的頒布給歐洲光伏市場帶來了強大的支持，歐洲光伏系統(tǒng)裝機容量以每年45－60%的速度遞增，同時也涌現(xiàn)出了一大批BIPV光伏建筑藝術(shù)品。
2.光伏建筑一體化的定義
光伏建筑一體化(BIPV)技術(shù)即將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。BIPV即Building Integrated Photovoltaic，其不但具有外圍護結(jié)構(gòu)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(BIPV : Building Attached PV)的形式。兩種系統(tǒng)的工程實例請見下圖。
圖1 BIPV建筑實例
廣東金剛玻璃公司辦公樓光伏采光頂
圖2 BIPV建筑實例
深圳市國際園林花卉博覽園并網(wǎng)
圖1為廣東金剛玻璃科技股份有限公司建造的光伏采光頂。此BIPV建筑的屋頂是由高效多晶硅中空光伏組件及支撐結(jié)構(gòu)組成的采光頂。此建筑的太陽電池板是建筑外圍護結(jié)構(gòu)的一部分，其既可以遮風(fēng)擋雨，又可以發(fā)電。如果將太陽電池板拆除，此建筑將失去遮風(fēng)擋雨的功能。
圖2為深圳市國際園林花卉博覽園并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。在此BAPV建筑中采用的是普通太陽電池組件，太陽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。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(jié)構(gòu)的破壞、對建筑風(fēng)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工程都應(yīng)報建，經(jīng)過有關(guān)部門審批。
3.光伏建筑一體化的應(yīng)用形式
隨著幕墻行業(yè)的迅速發(fā)展和建筑設(shè)計師們的奇思妙想，玻璃幕墻的形式越來越多樣化。而作為玻璃幕墻的一種深化表現(xiàn)形式，光伏建筑一體化在建筑物上也出現(xiàn)了多種多樣的應(yīng)用形式。如圖3所示。
圖3
3.1采光頂:采光比較理想，發(fā)電效率較高;
3.2幕墻立面:示范效果好，形式多樣，美觀;
3.3遮陽板:既遮擋陽光，又發(fā)電補充能源;
3.4護欄和地板:充分利用空間，安放簡單方便;
4.光伏建筑一體化的優(yōu)勢
4.1能夠滿足建筑美學(xué)的要求
BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術(shù)品，其成功與否關(guān)鍵一點就是建筑物的外觀效果。在BIPV建筑中，我們可通過相關(guān)設(shè)計將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)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(jié)合，實現(xiàn)建筑大師們的構(gòu)想。
4.2能夠滿足建筑物的采光要求
對建筑物來說光線就是靈魂，其對光影的要求甚高。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。當(dāng)然，光伏組件透光率越大，電池片的排布就越稀，其發(fā)電功率也會越小。
圖4 穿孔硅電池片BIPV組件
圖5 德國柏林火車站BIPV采光頂
4.3能夠滿足建筑的安全性能要求
BIPV組件不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物安全性能要求，因此需要有比普通組件更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)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(xué)性能要求就可能是完全不同的。
BIPV建筑中使用的雙玻璃光伏組件是由兩片鋼化玻璃，中間用PVB膠片復(fù)合太陽能電池片組成復(fù)合層，電池片之間由導(dǎo)線串、并聯(lián)匯集引線端的整體構(gòu)件。鋼化玻璃的厚度是按照國家建筑規(guī)范和幕墻規(guī)范，通過嚴(yán)格的力學(xué)計算得出的結(jié)果。而組件中間的PVB膠片有良好的粘結(jié)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，不會脫落四散傷人，從而使產(chǎn)生的傷害可能減少到最低程度，提高建筑物的安全性能。
《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ 102－2003》第3.4.6項明文規(guī)定，玻璃幕墻采用夾層玻璃璃時，應(yīng)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《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》也將“夾層玻璃應(yīng)采用PVB膠片”作為一項強制性的條文加入到規(guī)范中，以加強建筑物的安全性。
圖6 雙玻璃光伏組件結(jié)構(gòu)
圖7 PVB膠片（破而不穿） 圖8 EVA膠片（破則穿透）
4.4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(jié)合。幕墻在我國發(fā)展三十年以來，各種幕墻形式都具有了比較成熟的設(shè)計和安裝技術(shù)。構(gòu)件式幕墻施工手段靈活，主體結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力強，工藝成熟，是目前采用最多的結(jié)構(gòu)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(fēng)幕墻系統(tǒng)具有通風(fēng)換氣，隔熱隔聲，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，并能夠改善了BIPV組件的散熱情況，降低了電池片溫度，減少了組件的效率損失，降低熱量向室內(nèi)的傳遞。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(jié)構(gòu)形式基本上同傳統(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(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢，完全能夠達到安裝方便的要求。
4.5能夠具有壽命長的優(yōu)勢
普通光伏組件封裝用的膠一般為EVA。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)成熟應(yīng)用于建筑用夾層玻璃的制作。國內(nèi)玻璃幕墻規(guī)范也明確提出“應(yīng)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封裝技術(shù)的光伏組件。
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)異的連接器等設(shè)備，都能延長BIPV光伏系統(tǒng)的使用壽命。
4.6具有綠色環(huán)保的效果
BIPV建筑物能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需要另占土地，還能省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu);太陽能硅電池是固態(tài)半導(dǎo)體器件，發(fā)電時無轉(zhuǎn)動部件，無噪聲，對環(huán)境不會造成污染;BIPV建筑可自發(fā)自用，減少了電力輸送過程的費用和能耗，降低了輸電和分電的投資和維修成本。而且日照強時恰好是用電高峰期，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，舒緩了高峰電力需求，具有極大的社會效益;還能杜絕由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染，這對于環(huán)保要求更高的今天和未來極為重要。
5.光伏建筑一體化的相關(guān)應(yīng)用案例
5.1香港圣保羅小學(xué)
此BIPV光伏采光頂總面積為82m2，系統(tǒng)總發(fā)電功率為7. 9 KWp，由65片雙玻璃光伏組件構(gòu)成，采用156 x 156mm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(jié)構(gòu)形式，從接線盒引出電線進人鋁合金龍骨內(nèi)走線(詳見圖11)。2008年7月竣工。
圖9 香港圣保羅小學(xué)（外觀效果）圖10 香港圣保羅小學(xué)（內(nèi)視效果）
圖11 香港圣保羅小學(xué)的結(jié)構(gòu)形式
5.2南玻大廈光伏幕墻
南玻大廈光伏幕墻總面積59m2，2007年8月投人運行。光伏系統(tǒng)包含兩個子系統(tǒng)，總?cè)萘繛?015 Wp，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)容量為sn95'6wp，獨立光伏系統(tǒng)容量為920Wp采用的組件為雙玻璃光伏組件，厚度為6+2+6mm。最大組件的長x寬尺寸為2460 x 1160mm，面積2.85平方米，功率280Wpo結(jié)構(gòu)形式采用外循環(huán)雙層幕墻的形式。外層為開放式光伏幕墻，光伏組件間空隙不打膠，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，其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(jié)合，既避免了高溫對光伏組件效率的降低，又有效地阻止了熱量及雨水進人室內(nèi)。(詳見圖12－14)
圖12 南玻大廈光伏幕墻
圖13 南玻大廈光伏幕墻縱向節(jié)點
圖14 南玻大廈光伏幕墻水平節(jié)點
6.結(jié)束語
BIPV建筑是清潔能源產(chǎn)品與建筑完美結(jié)合的產(chǎn)物。我國頒布的(可再生能源法》、(十一五可再生能源發(fā)展中長期規(guī)劃》及《電網(wǎng)企業(yè)全額收購可再生能源電量監(jiān)管辦法》在政策上對我國光伏市場的發(fā)展給予了強力的支持。另外，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(yīng)用條件日趨成熟。相信在未來2一3年內(nèi)將會涌現(xiàn)出大批的BIPV光伏建筑藝術(shù)品，并且是一些非常有代表性的大型光伏建筑項目。
參考文獻
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