我國光伏建筑的進展

2010-12-03 07:57:42趙西安

中國建筑金屬結構 2010年1期

關鍵詞：建筑

趙西安

目前，國內最大的敦煌光伏電站正在加緊建設，發電能力10MW；世界最大的內蒙古自治區鄂爾多斯光伏電站預計2019年全部建成，總功率達2000MW，光伏板總面積將超過2000萬平方米。這些電站光電板陣列建在地面上，除發電外沒有建筑功能，不屬于光伏建筑的范圍。除了這種專用光伏電站外，光伏技術應用的另一條途徑是量大面廣、相對分散的一體化光伏建筑。光伏建筑的發電部分與建筑是有機的整體，也是建筑的組成部分，通常同時設計，同時施工。

近年來，光伏技術已經開始在建筑工程中得到了應用，不少項目采用了光伏玻璃幕墻和光伏玻璃采光頂。目前我國光伏基礎產業正急速發展，加之國家出臺了一系列鼓勵采用光伏技術的政策規定，幕墻行業在工程中采用光伏產品的積極性不斷高漲，業主也大力支持，一個光伏技術應用的新高潮正在形成。

從光伏板陣列與建筑物的關系來區分，可以分為分離式和合一式兩種。目前國內兩種方式都有應用。最近，也有一些建筑同時采用兩種方式。

一、分離式光伏建筑

分離式光伏建筑中，光伏板陣列靠近主體建筑或在屋頂上設置，雖然它是整個建筑的有機組成部分，但它有自身的支承結構體系，光伏板僅僅作為產能裝置，不作為建筑的圍護結構，建筑物還要另設建筑幕墻、門窗或屋面（圖1），或者建筑本身不需要圍護結構（圖2）。

采用這種體系設計和施工都比較簡單方便，避免了幕墻和采光頂的建筑功能受到干擾。設計光伏板系統時只需考慮光電系統本身的要求，不用兼顧作為建筑幕墻和采光頂所必須的光學、熱工、防水、密封等種種復雜的要求，可以合理朝向，最大限度地發揮其發電功能，達到最佳的光電轉換效果。光伏系統容易維護，修理更換不用擔心影響建筑幕墻和采光頂受到影響；而建筑幕墻和采光頂破損時只要更換普通板塊，與光伏系統無關，不會影響房屋的供電。加之光伏板與各個建筑本身關系不緊密，可以規格化，成批流水線生產，成本較低。其缺點是造價較高，分離的光伏陣列有時還要占用額外的建筑面積。

圖1 屋面上單獨設置的光伏板陣列

圖2 北京奧運公園給巨型路燈供電的休息亭

江蘇皇明太陽能公司在其辦公樓的頂部和正面設置了獨立的弧形光伏板陣列（圖3），盡顯“太陽”這一個主題。無錫尚德公司的光伏斜墻面積達7600平方米，發電功率為1MW，年發電量為76萬kWh。這是目前國內已建的面積最大單個太陽能發電板陣列（圖4）。光伏板斜墻安裝在辦公樓前面，由水平、豎向和斜向組合鋼管構件支承。這些構件與主體結構相連結，水平荷載要傳遞到主體結構上，主體結構外墻另做玻璃幕墻封閉。

圖3 皇明太陽能建筑

圖5是汕頭金剛公司的光伏遮陽板，獨立于封閉幕墻之外。

圖4 尚德公司辦公樓前巨大的光伏墻

圖5 幕墻外側的光伏遮陽板

北京凈雅大酒店的光伏——多媒體幕墻是產能——節能幕墻應用的一個典型。酒店整個正面都由光伏板陣遮蓋，白天發出的電能儲存在電池內，晚上對多媒體幕墻的LED光源供電。這一幅幕墻面積達2200平方米，由2300塊光伏板組成。豎向布置的鋼架單獨支承面板，離開主體建筑。面板無須密封，所以可以按照建筑設計要求成疊瓦狀布置，開放板縫（圖6、圖7）。光伏板有9種類型，分別布置12~24塊光電池。

圖6 凈雅大酒店光伏——多媒體幕墻

圖7 光伏板疊瓦式開縫布置

除大陸外，我國臺灣省也建造了一些分離式光伏建筑，如臺灣電力公司的開敞式展覽館，四周無墻，屋面是獨立的發電采光頂（圖8）。

最近舉行的高雄世界運動會會場采用了光伏屋頂（圖9），共使用了8800塊光伏板，輸出功率1MW。

圖8 臺灣電力公司展棚

圖9 高雄世界運動會光伏屋頂

二、合一式光伏建筑

合一式光伏建筑與分離式設置不同，光伏板本身就兼作圍護結構的面板。由于只有一層面板、一套支承結構，施工簡化，材料節省，也提高了建筑面積的使用率。但這樣一來，玻璃夾層板就要具有兩重功能：一方面作為幕墻板和采光頂板件，要具有透光、遮陽、防水、密封、隔音和熱工性能；另一方面，作為光伏板，要滿足超白、小變形和電工方面的要求。有時候這兩方面的要求互相矛盾，就會產生設計或施工的困難。例如當保溫要求采用中空玻璃采光頂時，從安全方面考慮，內側（下側）玻璃應為夾層玻璃，單片鋼化玻璃放在外側（上側）；而作為光伏板，夾有光電池的夾層玻璃應放在外側、上方。這樣一來只得采用雙夾膠中空玻璃來同時滿足兩者的要求，幕墻本身的造價要增加。而且，如果要更換損壞的幕墻、采光頂板塊，就會牽涉到電路上的一些問題，比較麻煩。此外光電板的遮擋、美觀等問題要與建筑設計方面協調，光伏板的布置和朝向不能隨意選取，無法發揮最大的光電轉換效果。由于和具體的建筑外觀設計聯系在一起，光伏板型號、規格很多，難以批量生產，生產成本高，周期長。

現在合一式光伏建筑在國內應用迅速增長，幕墻廠家也在大力推廣這種形式。最早的工程如深圳方大幕墻公司辦公樓（圖10）。最近汕頭金剛光伏公司辦公樓也是這種形式（圖11）。

圖10 光伏板同時是采光頂面板

圖11 汕頭金剛公司剛伏采光頂

北京南站屋面有3500平方米的光伏板，輸出功率300kW （圖12）。國家體育館屋面有2500平方米光伏板，輸出功率200kW （圖13）。2010年上海世界博覽會主題館的屋面使用了30000平方米的光伏面板，輸出功率達2.57MW，年發電量為250萬kWh（圖14、圖15），這是目前世界最大面積的光伏屋面單體建筑。

威海市民文化中心采用非晶硅薄膜光電池，面積6030m2，輸出功率275kW （圖16）。

圖12 北京南站光伏屋頂

圖13 奧運會國家體育館

圖14 上海世博會主題館光伏屋頂

圖15 世博主題館合一式光伏屋面局部

圖16 威海市民文化中心光伏屋面

最近完工的火車站也廣泛采用合一式光伏采光頂，圖17為呼和浩特車站，光伏板1000m2，輸出為85kW。圖18為青島火車站光伏屋頂。

不僅大型公共建筑，光伏幕墻現在也廣泛應用于許多辦公和旅館建筑。如保定硅谷錦江光伏工程，其光電池直接夾入窗玻璃板內（圖19）。

圖17 呼和浩特火車站

圖18 青島火車站

圖19 窗玻璃中的光電池

在工程應用過程中，我國的合一式光伏建筑又有了自己的創造，如長沙中建大廈（高度99.4米）的光電池是安裝在玻璃百頁上，把發電與遮陽功能有機地結合在一起，很有創意（圖20、圖21）。光伏玻璃總面積2000平方米，年發電量22萬kWh。玻璃百葉前玻6毫米超白，后玻6毫米鍍膜，總厚度36毫米。百葉45度斜放，間隔20毫米。

圖20 光電池就裝在玻璃百頁中

圖21 光伏玻璃百葉

廣州電視塔將光伏幕墻設置到了創世界記錄的460米高度。在最高的第五段幕墻頂部標高為450米至460米的區段，布置了1078平方米的光伏板，共四組360塊，總功率為18KW。由于是環形布置，只有三分之一的光伏板受到陽光照射，加之外圍柱子遮擋，同一時刻直接受陽光照射的光伏板并不多。好在本工程采用非晶硅薄膜電池，弱光下也有一定的電力輸出。雖然總功率不算很大，但是這個工程的實踐，為特殊、超高、極端氣候條件下工作的光伏幕墻創造了新的經驗（圖22、圖 23）。

雙層通風幕墻也可以在外層布置光伏板件，形成雙層光伏幕墻（圖24）。圖25為上海越洋大廈，雙層幕墻的外層采用了173m2的光伏板，輸出功率20kW。