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光伏幕墻在工程中的應用及研究
蔣傳星 葉瑩瑩
寧波市工業建筑設計研究院有限公司
摘要
近幾年國家提出的雙碳目標又讓清潔能源成為大家關注的焦點。光伏作為清潔能源中的重要一員，全國的裝機容量越來越大，而光伏在幕墻中的應用也是逐年提高。光伏建筑一體化，光伏屋頂防水一體化，這樣的工程案例越來越多。本文分析光伏幕墻的特點，提出在工程應用中的注意事項，對推廣光伏幕墻在工程的應用具有重要的意義。
關鍵詞
清潔能源;光伏;幕墻;建筑一體化
1引言—雙碳目標
2021年10月，國務院發布《2030年前碳達峰行動方案》，該方案指出我國要在2030年前碳排放達到峰值。2020年9月，我國提出2060年前實現碳中和，就是要通過節能減排，發展新能源，達到相對“零排放”。光伏就是其中的一種高效的清潔能源。
當前光伏幕墻是光伏行業中的一個熱點，聚集了行業內的大量關注，在一些大中型城市，高層建筑外表皮，大型公建的外表皮，都有光伏幕墻的應用。
2光伏幕墻特點分析
光伏幕墻就是把指將太陽能光伏發電技術與建筑工程融為一體的技術，不僅可以作為主體建筑的外圍護結構，還可以將太陽能轉化為電能。光伏幕墻一樣的可以美化城市外立面，而且是能發電的一種幕墻形式。光伏幕墻應用優勢有以下幾個方面：①美觀的外立面，光伏圖案可以任意組合，豐富外立面的表現形式；②節能減排，白天光伏幕墻工作時可為大樓提供電能，減少大樓對其他能源的消耗；③節約土地資源，相比較其他形式的光伏，立面幕墻應用光伏不占用土地資源。
光伏幕墻在工程中的應用，我們還要解決以下幾個問題。①光伏幕墻與整體設計是否協調一致。光伏幕墻部分通常是不透明區域，不透明的光伏與其他幕墻材料在表現形式上以及建筑功能實現上要做到協調一致。我們在光伏幕墻設計時，可選擇不同類型的光伏模塊，然后通過選擇性設計將其定向排列，當陽光照射進光伏幕墻時，形成不同的光影藝術效果，既實現了建筑節能，又不失建筑外觀新穎，滿足人們對建筑美學的要求。從室外看，要求材料、風格、顏色和建筑物協調統一，造型創新，避免光污染；從室內看，室內明亮，光線柔和而不雜亂，符合建筑功能的要求。②光伏幕墻要滿足建筑安全性能要求。一個是光伏組件自身的安全。在高層建筑結構中，風荷載的作用很大，要充分考慮光伏面板在高風壓下是否會變形，從而影響發電效率和結構安全。另一方面涉及到它的使用壽命，在設計過程中考慮新材料或新工藝，盡可能延長光伏組件的使用壽命，爭取達到與建筑物相同或更長的使用壽命。再一個是電氣安全，光伏發電后會形成電流，應當避免漏電事故的發生。③光伏幕墻要滿足節能環保的要求。光伏幕墻發電的核心環節是太陽能光電轉換，無粉塵、無廢氣等污染，且發電過程無噪聲，同時，應用新材料、新技術可以吸收陽光照射玻璃表面而產生的反射光，緩解光污染現象。合理利用建筑外表皮，節約土地資源，利用太陽能光電轉換作用，產生的電力資源在保障自給自足的情況下，還可以補給城市電網，滿足節能環保要求。
3光伏幕墻構造分析
光伏幕墻包含光伏部分及幕墻部分，光伏部分的功能是發電輸電儲電，光伏部分主要由面板、太陽能電池、電池組、充放電控制器、DC/交流逆變器、電線電纜設備等組成。
太陽能光伏板市場上有兩種主流面板，一種是晶硅薄膜系列（圖1），還有一種是碲化鎘薄膜系列（圖2）。
圖1 太陽能光伏板 晶硅薄膜系列
圖2 太陽能光伏板 碲化鎘薄膜系列
晶硅薄膜類太陽能電池的主要材料是硅基材料，包括非晶硅和微晶硅，電池硅層厚度約1μm，是硅晶電池的0.5??%。硅基薄膜類太陽能電池具備優良的弱光特性，可在陰雨天等低紫外線條件下仍保持較好的光吸收效率和高溫特性。相較于晶片型電池，硅基薄膜類太陽能電池熱斑效應低，受局部光線遮擋影響小，透光率可調范圍大，可靠性高。
碲化鎘薄膜類太陽能電池是在玻璃基片或其他襯底基片上，依次沉積多層薄膜制備而成的光伏組件。碲化鎘是一種高吸收系數的化合物半導體材料，其吸收系數約是硅的100倍。碲化鎘薄膜類太陽能電池也具備極佳的弱光特性，對全光譜都有較好的吸收。相比硅基薄膜類太陽能電池，碲化鎘薄膜類太陽能電池在陰雨天等低紫外線條件下光吸收效率和高溫特性更優異，整體性能更好。碲化鎘薄膜類太陽能電池不存在本征光致衰減效應，可保證25年80%的輸出功率。碲化鎘薄膜類太陽能電池外觀多彩多變，可適用任何建筑的外立面表達方式，亦可組成多種圖案，豐富外立面選型。
幕墻部分的功能就是把光伏面板納入幕墻體系，以實現光伏發電的目的。幕墻部分主要由轉接件、主龍骨立柱、交龍骨橫梁、防水保溫系統等組成。光伏幕墻典型構造如圖3。
圖3 光伏幕墻構造節點
光伏幕墻主龍骨立柱是承受幕墻豎向支撐的主受力組件，是整個幕墻結構體系的安全保障。幕墻結構體系在受到重力荷載、地震荷載、風荷載等外部荷載作用時，可通過立柱將荷載傳遞至混凝土主體結構，進而確保整個結構體系的安全。光伏幕墻次龍骨橫梁將其接收的荷載通過連接件傳遞至立柱，進而形成完整的光伏幕墻支撐體系。
各組件的作用如下：①主龍骨立柱：光伏幕墻主受力組件，除承擔光伏玻璃等構件的自重荷載外，還要承擔外部環境施加的震動荷載、風荷載等。同時，還要通過連接組件把光伏幕墻固定在建筑物外墻上，并在其后部布設光伏電纜。②次龍骨橫梁：光伏幕墻次受力組件，除承擔光伏玻璃等構件的自重荷載外，還要將橫向荷載傳遞至立柱，與立柱等組件共同構成了光伏幕墻支撐體系，并在其上下側布設光伏電纜。③光伏玻璃、光伏電纜：光伏玻璃將接收的光能轉化為電能，然后通過光伏電纜將電能傳輸到用電設備或城市電網，是光伏幕墻系統光電轉換和電能傳輸的主要組件。④轉接件及其他防水保溫系統：連接件是立柱橫梁之間，立柱與主體結構之間的傳力裝置。光伏幕墻還要有嚴密的防水系統，以確保在光伏幕墻工作狀態下不漏水。保溫系統是建筑功能要求，也是光伏幕墻的組成之一。
4工程應用實例
圖4 寧波申洲19#樓光伏幕墻（面積600㎡，裝機容量35KW）
圖5 深圳華為安托山總部大樓（面積28000㎡，裝機容量1500KW）
5結語
光伏幕墻因為多彩多變的表現形式，越來越多的被建筑師接受。并且其具備節能減排、合理利用資源、保護環境及清潔能源的優點，已逐漸應用于建筑行業，并將成為現代建筑行業的發展趨勢。同時，隨著智能建筑的發展，逐漸呈現出智能化和多樣化的特點，其應用具有廣闊的發展前景。
參考文獻
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