□ 深圳金粵幕墻裝飾工程有限公司 王春 萬樹春 董米丘

    光伏建筑一體化概念的普及推廣促使光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的技術(shù)近年來得到了迅速的發(fā)展。光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)通過建筑物屋頂和墻面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)與光伏發(fā)電集成起來，使建筑物自身利用太陽能資源產(chǎn)生電能。光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)除了具備光伏發(fā)電功能之外，同時(shí)還具有建筑外圍護(hù)所必需的性能和獨(dú)特的裝飾功能。集光伏發(fā)電、建筑圍護(hù)、建筑節(jié)能和建筑裝飾于一體，充分體現(xiàn)了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的建筑理念與發(fā)展潮流。
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的技術(shù)概述
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、光伏幕墻構(gòu)造技術(shù)、電能儲(chǔ)存和并網(wǎng)技術(shù)等多學(xué)科結(jié)合的綜合集成系統(tǒng)。
光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。以此技術(shù)為基礎(chǔ)，人們研發(fā)了各種太陽能電池。目前用于光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的主要為晶體硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。
    光伏幕墻構(gòu)造技術(shù)結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)與建筑幕墻技術(shù)，研究、開發(fā)適用于不同建筑的光伏幕墻，使建筑幕墻在滿足人們“景觀、采光、通風(fēng)”等使用功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)使建筑物自身利用太陽能生產(chǎn)電能。根據(jù)不同地區(qū)、不同建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及受光條件等情況，選擇適宜的光伏玻璃組件設(shè)計(jì)構(gòu)成光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)。光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)除了具有抗風(fēng)壓性能、水密性能、氣密性能、隔音性能、保溫和遮陽性能等建筑外圍護(hù)所必需的性能和獨(dú)特的裝飾功能之外，同時(shí)還具備發(fā)電功能。達(dá)到建筑圍護(hù)、建筑節(jié)能、太陽能利用和建筑裝飾多種功能的完美結(jié)合。
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)供電方式有獨(dú)立式和并網(wǎng)式兩種。
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍
光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于，它集太陽能利用和建筑功能于一體。它不需燃料，不產(chǎn)生廢氣，無余熱，無廢渣，無噪音污染。所發(fā)電力可供建筑使用，減少了建筑的用電費(fèi)用。光伏建筑一體化為太陽能在城市中的大規(guī)模應(yīng)用提供了一個(gè)非常適宜的平臺(tái)，是最適合我國城市應(yīng)用的太陽能利用方式。
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)可用于建筑物的外圍護(hù)幕墻、遮陽系統(tǒng)、建筑屋面和采光頂?shù)取?br> 系統(tǒng)、建筑屋面和采光頂?shù)取?br>
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能要求
光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)用光伏組件替代傳統(tǒng)的建筑幕墻和屋面組件，將光伏發(fā)電與建筑圍護(hù)融為一體，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)帶來許多需要考慮和解決的新問題。需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更多的考慮技術(shù)和美觀這兩個(gè)方面，才能有效的兼顧建筑立面的圍護(hù)功能、室內(nèi)環(huán)境的舒適、建筑外觀效果和光伏發(fā)電等要素。
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，首先必須具有防風(fēng)雨、保溫、 隔熱、隔聲、防雷、防火、采光、通風(fēng)等多種使用功能，才能為人們提供安全舒適的室內(nèi)環(huán)境。為滿足這些要求，光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)必須具備必要的物理性能。光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的物理性能主要有抗風(fēng)壓性能、水密性能、氣密性能、熱工性能、空氣聲隔聲性能、平面內(nèi)變形性能、抗震要求、耐撞擊性能、采光性能等。目前，我國尚未出臺(tái)相關(guān)的光伏建筑一體化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面相關(guān)的物理性能要求，可參照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻》（GB/T21086） 的相關(guān)要求確定。
光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的性能要求和建筑物所在地的地理、氣候條件有關(guān)，如在沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，幕墻的抗風(fēng)壓性能和水密性能就需達(dá)到較高的等級(jí)。同時(shí)性能等級(jí)要求的高低還和建筑物本身的特點(diǎn)（建筑物體型、高度、造價(jià)）和使用功能有關(guān)。所以，光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑物所在地的氣候、環(huán)境、建筑物體型、高度和建筑物的功能等要求通過設(shè)計(jì)計(jì)算合理確定。
    比較普通幕墻，在進(jìn)行光伏幕墻性能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重注意以下幾個(gè)方面：
    1、光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)密切配合：光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的設(shè)置要考慮最佳日照角度、日照量。選擇沒有遮擋、光照充足的建筑墻面（屋面）設(shè)計(jì)安裝光伏系統(tǒng)。當(dāng)光伏幕墻分布在建筑物不同的立面朝向時(shí)，其各個(gè)不同面的光照強(qiáng)度也不同，這將會(huì)造成組件間的電壓、電流不同，影響整體的發(fā)量效率。這時(shí)可以考慮對建筑立面按光照度進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。有時(shí)，建筑立面常常會(huì)是由大小、形狀不一的幾何圖形所組成，這也會(huì)造成組件間的電壓、電流不同，這時(shí)也需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分格調(diào)整，使各光伏組件接近標(biāo)準(zhǔn)組件電學(xué)性能，以使各組件更好的匹配，從而達(dá)到最佳的整體發(fā)電效率。
    2、光伏組件選用：光伏玻璃組件應(yīng)依據(jù)不同位置、照度選取合適的類型，如用于建筑物墻面部分時(shí)，由于安裝傾角往往不能達(dá)到最佳角度，光伏組件經(jīng)常處于低光照度下，則宜選用弱光性能較好的光伏玻璃組件。建筑物的使用壽命一般在50年以上，因此，用于光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的光伏玻璃組件應(yīng)選用轉(zhuǎn)換效率滿足要求、質(zhì)量好的產(chǎn)品，一般應(yīng)滿足單晶硅光伏玻璃組件光電轉(zhuǎn)換效率大于16%，多晶硅光伏玻璃組件光電轉(zhuǎn)換效率大于14%，非晶硅薄膜電池光伏玻璃組件光電轉(zhuǎn)換效率大于6%的要求。同時(shí)，光伏玻璃組件的使用壽命應(yīng)大于20年，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的最大輸出功率衰減應(yīng)不超過規(guī)定的要求。
    3、光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的抗風(fēng)壓性能：當(dāng)光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)用于風(fēng)壓高的地區(qū)或建筑高層時(shí)，就需要光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)具有較高的抗風(fēng)壓性能，此時(shí)用做幕墻面板和采光頂面板的光伏玻璃組件就需要有更高的力學(xué)性能，應(yīng)按照幕墻工程技術(shù)規(guī)范及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過設(shè)計(jì)計(jì)算來確定光伏玻璃組件的厚度和強(qiáng)度要求。同時(shí)光伏組件夾層玻璃膠片也宜選用（PVB）膠片。另外，在進(jìn)行玻璃撓度控制方面，還需考慮不同種類的太陽能電池對玻璃組件撓度適應(yīng)性方面的差異，而采取相應(yīng)的撓度控制值來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
    4、系統(tǒng)散熱、降溫要求：光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)在發(fā)電時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)因其負(fù)溫度效因而導(dǎo)致發(fā)電效率的下降，此外還會(huì)將大量的熱量帶入室內(nèi)，造成建筑耗能的上升。因此，在進(jìn)行光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要采取相應(yīng)的散熱、降溫措施，保證光伏電池溫度不高于85℃。在需要時(shí)也可采用外循環(huán)雙層幕墻形式，利用雙層幕墻的煙囪效應(yīng)帶走雙層幕墻中間通道內(nèi)的熱空氣，在提高發(fā)電效率的同時(shí)降低能耗，同時(shí)營造更舒適的室內(nèi)環(huán)境。
    5、幕墻采光性能：當(dāng)光伏幕墻用于建筑物可視部分時(shí)，就會(huì)要求有一定的透光性能。太陽能光伏玻璃組件依據(jù)所采用的不同產(chǎn)品類型，為滿足建筑透光要求而采用的方法各不相同。單晶硅和多晶硅光伏玻璃組件可以通過控制硅片電池間隙和邊緣空隙來實(shí)現(xiàn)所需的透光率，同時(shí)電池片排列可設(shè)計(jì)成不同的組合形式，以滿足不同建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格及各種不同的采光需要。光伏組件透光率要求越大，電池片的排布就越稀，其發(fā)電功率也會(huì)越小。所以，提高透光率是以犧牲發(fā)電量為前提的，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要權(quán)衡考慮，在滿足室內(nèi)采光性能的同時(shí)達(dá)到盡可能大的發(fā)電量。同樣非晶硅光伏玻璃組件的透光率也要根據(jù)不同建筑物的實(shí)際需要進(jìn)行合理選取。
    6、幕墻絕緣性能：在BIPV系統(tǒng)中，光伏幕墻直接安裝在建筑墻面，人與其接觸頻繁，因此幕墻有良好的絕緣性能是十分重要的。光伏玻璃組件電池引出端必須有良好的絕緣性密封，光伏幕墻引出線在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能在幕墻框架內(nèi)走線，并加上絕緣套管。對幕墻金屬框架進(jìn)行有效的接地連接。安裝完的組件應(yīng)通過相關(guān)的絕緣性能檢測。
    7、便于維護(hù)、更換：相對于普通幕墻而言，光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)在日后的運(yùn)行中將會(huì)有更多的維護(hù)、清潔和檢修工作。為了方便系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)，光伏組件應(yīng)便于拆卸和更換，并便于清洗、保養(yǎng)。多雪地區(qū)和空氣質(zhì)量較差的地區(qū)，光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮設(shè)置便于人工融雪、清洗的安全通道和設(shè)施。另外，光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)作為建筑外墻和室內(nèi)裝飾的一部分，其色彩、透光率、造型和立面分格尺寸等外觀效果，對建筑外立面的美觀協(xié)調(diào)和室內(nèi)環(huán)境的舒適和諧有著十分重要的作用。需要在設(shè)計(jì)時(shí)兼顧諸多因素并協(xié)調(diào)許多有著相互影響的多方面要求。
    從幕墻構(gòu)造形式來說，光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)一般可考慮設(shè)計(jì)為框架式結(jié)構(gòu)，隱框式、明框式、半隱框式均可，但采用明框式光伏幕墻時(shí)不宜選用外突尺寸太大的型材，以免型材陰影影響發(fā)電效率。需要時(shí)也可設(shè)計(jì)為點(diǎn)支承式結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用點(diǎn)支承方式時(shí)，需特別注重考慮電路引出線的設(shè)計(jì)，避免引出線影響視覺效果。同時(shí)在支撐孔周邊應(yīng)進(jìn)行可靠的密封處理。
光伏系統(tǒng)的輸配電和控制用纜線應(yīng)統(tǒng)籌安排，集中布置，滿足安全、隱蔽、美觀的要求，并方便安裝維護(hù)。光伏組件的電路引出線在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意將其巧妙的隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中 。
光伏玻璃組件依據(jù)所采用的不同產(chǎn)品類型，其色彩效果也各不相同。單晶硅和多晶硅光伏玻璃組件通常顏色為深藍(lán)、藍(lán)色或古銅色。非晶硅光伏玻璃組件顏色常見的為棕色和黑色，但隨著BIPV的發(fā)展所帶來的光伏組件用量的增加和建筑的不同需求，目前已出現(xiàn)了多種其它顏色的光伏玻璃組件可供選擇。同時(shí)為滿足建筑裝飾效果要求，晶體硅玻璃電池排布應(yīng)合理、美觀，滿足設(shè)計(jì)要求；薄膜類電池玻璃不應(yīng)有明顯的的斑點(diǎn)、彩虹和色差。
光伏玻璃組件的尺寸規(guī)格也需要根據(jù)實(shí)際工程的幕墻分格方案進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，以滿足不同建筑設(shè)計(jì)的需求。
光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)注：因目前我國暫無光伏建筑一體化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，上表中光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的抗風(fēng)壓性能、水密性能和氣密性能分級(jí)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21086-2007《建筑幕墻》的要求。
    光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用：
下面通過深圳金粵幕墻裝飾工程有限公司設(shè)計(jì)、施工的河北保定電谷大廈光伏玻璃幕墻作為具體的應(yīng)用案例來闡述光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用。
    電谷大廈光伏玻璃幕墻面積約4490m2，建成后整體并網(wǎng)安裝容量300KW。具體分布為：位于塔樓南立面4-24層的隱框雙層光伏玻璃幕墻；塔樓西立面5-18層的隱框光伏玻璃幕墻；裙樓三層中庭采光頂和東、南面入口雨篷，是采用隱框構(gòu)造的屋面光伏玻璃組件。
為了減小工作溫度升高對光伏組件發(fā)電效率的不利影響。同時(shí)更好地實(shí)現(xiàn)能源的合理利用，提高居住者的舒適度，酒店5-24層南立面光伏玻璃幕墻采用了雙層幕墻的構(gòu)造形式，即非開啟部位外層為光伏夾層玻璃，而內(nèi)層幕墻采用了透明中空防火玻璃，幕墻從底部進(jìn)氣、頂部出氣，利用煙囪效應(yīng)帶走雙層幕墻中間通道內(nèi)的熱空氣，同時(shí)減輕了外部惡劣環(huán)境對室內(nèi)的影響。
    在項(xiàng)目開發(fā)中，我們與建筑師及光伏技術(shù)依托廠家的工程師積極配合，充分溝通，共同完成了以下目標(biāo)；1 、完成了太陽能光伏玻璃幕墻（屋面）系統(tǒng)在建筑立面、采光頂及雨篷等不同部位的應(yīng)用技術(shù)研究；2 、設(shè)計(jì)、開發(fā)了光伏玻璃幕墻的專用型材； 3 、開發(fā)了隱框式專用的光伏玻璃組件；4、 雙層光伏玻璃幕墻的構(gòu)造及通風(fēng)換氣以及防火等性能的解決方案；5、 隱框及明框光電玻璃幕墻的安裝與布線。
   小結(jié)
   在進(jìn)行光伏幕墻（屋面）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分兼顧建筑立面的圍護(hù)功能、室內(nèi)環(huán)境的舒適和諧、建筑外觀效果和光伏發(fā)電等諸多要素，才能使其建筑圍護(hù)、光伏發(fā)電和建筑裝飾等多項(xiàng)功能完美統(tǒng)一。隨著光伏發(fā)電技術(shù)與建筑幕墻技術(shù)的日益發(fā)展和融合，極具發(fā)展?jié)摿Φ墓夥粔Γㄎ菝妫┫到y(tǒng)將會(huì)得到快速的發(fā)展。