BHPV——建筑光伏蜂窩模塊

安徽長遠綠色能源有限公司 ■ 余曉東 張光琴 程金雨

一 引言

建筑能耗占社會總能耗的30%～40%，建筑節能是實施可持續發展戰略的重要措施之一。BHPV是將光伏發電、建筑裝飾、節能保溫、建筑圍護系統的防火和防水等多種功能集成融合的新型標準建筑材料。該材料較好地解決了光伏組件的熱斑效應難題，具有環保無污染、材料可回收循環利用的優點，模塊輕質且平整光潔，耐侯性強和隔音效果好，并且可緩解城市熱島效應，高強度的結構特征有效解決了幕墻裝飾材料的破碎和脫落等安全隱患。BHPV徹底改變了建筑圍護系統的單一功能，將綠色能源和節能環保及循環經濟深度整合，推動建筑圍護系統深度產業化，實現建筑和光伏應用的突破性發展。BHPV作為全球范圍原創性的技術，具有完整的知識產權體系保護。其大規模推廣對推動社會與經濟發展，構建人與自然的和諧發展具有極其重要的促進作用。

二 光伏建筑的成本分析

建筑的圍護系統通常由主體材料、保溫層、防水層、裝飾層和固件構成。光伏蜂窩模塊構成的建筑維護系統，完全取代了上述材料，一次性投入的綜合成本和玻璃幕墻相當。而建筑的安全性和使用價值得到了極大的提高，其發電帶來的經濟效益，最終將遠超過建筑圍護系統的建造成本。

1 玻璃幕墻的成本

玻璃幕墻的造價在600～1400元/m2之間。玻璃厚度和玻璃夾層材質對價格影響較大。通常玻璃幕墻在內側還要做防水和隔熱層，該價格未在預算內。

2 大理石幕墻的成本

大理石幕墻的造價在700～1200元/m2之間。石材品質對價格影響較大，高檔次的石材遠超過玻璃幕墻造價。同樣，石材幕墻在內側也要做防水和隔熱層，該價格未在預算內。

3 光伏蜂窩模塊的屋頂和墻體成本

光伏蜂窩模塊建筑圍護系統造價約960元/m2，其中，光伏組件成本約580元，鋁蜂窩和鋁背板成本約80元，鋁合金龍骨與隔離鋁板成本約80元，結構膠及附件約30元，逆變器及附件130元以及施工成本60元。光伏熱管蜂窩模塊建筑圍護系統的造價約1090元/m2。

4 政策補貼和上網發電對成本的影響

按140W/m2裝機功率計算，住建部補貼1260元/m2(補貼高于造價成本)。上網電價按1元/kWh計算，轉換效率90%，日均日照系數6h，年發電收益275.94元/m2。光伏蜂窩模塊建筑圍護系統的造價回收周期約為4年。

三 知識產權保護及產品標準制訂與推廣

光伏蜂窩模塊和光伏熱管蜂窩模塊作為全球源發型的新技術，將技術、專利、標準和產業化整合在一起，實現完整的覆蓋保護，為產業的健康發展奠定堅實的基礎。知識產權保護及產品標準制訂的推廣，將遵循技術專利化、專利標準化、標準國際化，最終實現國內外產業化布局的思路實施戰略。

目前，項目核心技術已經申報了多項中國國家發明專利和PCT國際專利，產品的標準制訂也已緊鑼密鼓地展開。爭取在較短時間內，取得全球的專利體系保護，將企業的標準上升為中國國家標準進而上升為國際主要國家的標準，為中國在光伏應用領域獲得最大競爭優勢發揮重要作用。

已受理的專利有：200810175446.2；201120002472.2；201120002762.7； 201210051491.3；201210051481.X；201220073454.8；201220073442.5；201210051482.4；201220073443.X；201210051497.0；201220073462.2；201210139823.3；201210273012.2；PCT/CN2012/079541；PCT/CN2012/079542；201210308479.6；201220428789.7；201210308481.3；201220428725.7。

四 光伏產業的挑戰與BHPV

光伏行業現今面臨的困境，本質上是產業與市場脫節。光伏無論作為消費品還是投資品，其使用價值或投資回報率都沒有可比性，沒有競爭力必然表現糟糕。而光伏產業集成了當今先進技術及工業規?；圃欤诳深A期的將來，提高轉換效率與降低組件成本日趨困難。

占用土地資源發展能量密度低與間歇性和不穩定的光伏，不具備可持續性。即使在貧瘠土地上發展光伏電站，也會帶來高壓輸變電和系統維護等問題，光伏遠距離高壓并網對交流主電網將是個災難。

光伏組件背板等材料是石化易燃品。因制造缺陷或光照局部遮擋，組件的熱斑效應將是個嚴重問題。組件連接器和發熱嚴重的接線盒，導致光伏組件火災隱患嚴重。在建筑上使用如不采取措施，將會帶來嚴重的火災隱患和結構安全問題。同時，逆變器和匯流箱也是嚴重的火災隱患點裝置。國內外多起火災事故表明，應引起重視。

BHPV基于光伏組件的材料特性進行全新設計，顛覆了光伏的產品定義，解決了光伏的成本和安全隱患問題，是系統優化的最佳結果。

五 光伏蜂窩模塊

BHPV是一種新型的光伏建筑材料，這種材料即具有光伏組件的技術優勢，也具備鋁蜂窩板的性能特征。這種技術組合較好解決了光伏組件和鋁蜂窩板的成本高、安裝復雜等技術缺陷。

BHPV的表面是光伏組件，中間芯層是鋁質六邊形蜂窩，背面是合金鋁薄板或鋼化玻璃，中間芯層和表面及背面之間有一層專用的熱熔膠膜（聚乙烯醇縮丁醛PVB或聚乙－乙酸乙酯EVA），經抽真空和高溫高壓復合粘接成型，并裝配在專用的鋁合金邊框內，如圖1所示。

圖1

1 蜂窩材料

鋁蜂窩板是航空、航天材料在民用建筑領域的應用。鋁蜂窩板是全鋁結構，是綠色、環保、節能的新型建材，被譽為21世紀最佳的幕墻建材。其相互牽制的密集蜂窩猶如許多小工字梁，可分散承擔來自面板方向的壓力，使面板受力均勻，保證了面板在較大面積時仍能保持很高的平整度。由于蜂窩復合板內的蜂窩芯分隔成眾多個封閉小室，阻止了空氣流動，使熱量和聲波受到極大阻礙，對100～3200Hz的聲源降噪可達20～30dB，導熱系數為0.104～0.130W/M·K，因此，起到隔熱、保溫、隔音的效果(如圖2所示)。

圖2

2 專用接線盒

接線盒是光伏組件的重要部件，是電氣防水及硅電池片與外部電氣的連接部件。接線盒內的數個旁路保護二極管(并聯TVS放電管)，是光伏組件熱斑效應的保護器件，每個二極管承受幾瓦至十幾瓦的耗散功率，其散熱問題非常突出。光伏組件的接線盒通常采用全封閉的塑料結構，內部二極管的散熱條件非常差，在極端情況下溫度達到100℃以上，有自燃的可能性(光伏電站的多起火災事故中，接線盒問題最為嚴重)。

光伏蜂窩組件的電氣接線盒內置于蜂窩芯層中，一面粘接在光伏組件的背面，另一面與背面的鋁薄板接觸并固定，防水性能更加優良。接線盒內的旁路保護二極管的散熱面，直接與背面的鋁薄板固定接觸，或與鋁合金邊框固定接觸，如圖3所示。這種安裝方式利用光伏蜂窩組件的背面鋁薄板或鋁合金邊框，很好的解決了接線盒的內置旁路二極管散熱難題。接線盒內置是光伏蜂窩組件實現標準化模塊的必備條件之一。

3 專用連接器

圖3

光伏蜂窩模塊兩側的正負極專用連接器，是光伏蜂窩模塊直接拼裝的電氣部件，實現了光伏蜂窩模塊間無線纜連接。連接器的導電極采用雙層多觸點彈簧壓接結構，正負極連接器相互咬合并可實現電氣密封，連接安全可靠。連接器與接線盒之間的線纜內置于蜂窩芯層中，如圖4所示。

圖4

4 專用鋁合金邊框

專用鋁合金邊框的作用是固定光伏蜂窩組件主體材料，提供標準的電氣連接端口、組件及組件之間的防水密封，安裝在專用龍骨上并與建筑物表面直接固定?；阡X合金邊框的標準模塊，具有足夠的機械強度和高可靠性的結構支撐，并符合相關建筑規范要求。

5 透光光伏蜂窩模塊

屋頂和墻體的局部透光是建筑的基本功能之一。透光光伏蜂窩模塊的背板是鋼化玻璃，光伏組件的背面是透明的PVDF聚偏氟乙烯膜，這種模塊在建筑的應用，能獲得蜂窩狀的透光效果。

6 光伏熱管蜂窩模塊BTHPV

光伏熱管蜂窩模塊的表面是光伏組件，光伏組件的背面依次是熱融膠膜、太陽能集熱管、熱融膠膜、吸熱膜、熱融膠膜、鋁蜂窩芯、熱融膠膜和背面鋁板。經抽真空和高溫高壓復合粘接成型，并裝配在專用的鋁合金邊框內。光伏熱管蜂窩模塊具有和光伏蜂窩模塊相同的結構特征，其收集的熱能可用于中央空調器的制冷和制熱，或用于斯特林發動機發電，也可直接熱能使用或熱能儲存。

光伏熱管蜂窩模塊是一種新型的熱電聯供建筑材料，這種材料即具有光伏發電和太陽能熱利用的技術優勢，也具備鋁蜂窩板的所有性能特征。這種技術組合較好解決了光伏組件和太陽能集熱管以及鋁蜂窩板的成本高、安裝復雜等技術缺陷，使光伏發電效率從15%左右提高到太陽能的基本完全利用。太陽能集熱管被封裝在光伏組件和鋁蜂窩板的中間，充分利用了光伏組件的加熱作用和背面鋁蜂窩板的保溫功能，實現了三者的最優組合。太陽能集熱管吸收光伏組件的熱量和透過光伏組件的光能，通過熱管閉路循環控制溫度，有效降低了光伏組件的溫度并提高光伏組件的工作效率，也增強了光伏組件的可靠性。

六 光伏蜂窩模塊的安裝

光伏蜂窩模塊安裝需要高度平整，水平和垂直方向對齊，模塊間距相等并確保正負極連接器連接可靠。屋頂安裝需要確保足夠的強度，承重不小于1000kg/m2。此外還要確保模塊連接處的防水密封。

1 專用龍骨

由于光伏蜂窩模塊兩側有連接器，模塊之間必須水平對齊安裝，而建筑的外墻材料不允許用自鉆螺絲固定，光伏蜂窩模塊必須和專用的龍骨使用。光伏蜂窩模塊的安裝，要確保高平整度和模塊整齊對接，同時又要兼顧施工誤差，需要龍骨具有很強的裝配兼容性。

光伏蜂窩模塊的龍骨總成，包括專用的螺栓和壓塊，龍骨主體的三個面分別沿其長度方向設有兩個相互對稱的插槽型腔，兩者之間構成螺栓插槽。專用螺栓的螺帽插在龍骨的螺栓插槽內，螺桿置于兩個模塊鋁合金邊框的半橢圓形安裝孔中，以螺母和專用壓塊固定壓緊，如圖5所示。

圖5

2 防水密封及隔離鋁板和結構應力釋放

兩塊光伏蜂窩模塊的鋁合金邊框形成一個凹槽，凹槽里面填充防水結構膠至鋁合金邊框的L形加強筋上端(包括連接器也被填充)。L形加強筋承受了結構膠體積變化的應力，可解決溫度變化導致結構膠脹縮使粘接處容易剝離的問題，防止結構膠剝裂致結合處滲水。

隔離鋁板兩端有與鋁合金邊框上F形槽匹配的插槽，鋁合金邊框F形槽上有固定和導水凸出結構。隔離鋁板屏蔽太陽紫外線，防止紫外線對內部防水結構膠的降解老化作用。隔離鋁板上面涂硅酮防水膠，其表面結構能有效避免防水膠脫落，進一步強化防水效果。隔離鋁板插在鋁合金邊框的凹槽中，提高了模塊的裝飾效果，強化模塊結合處的結構強度，使模塊結合處具有3層防水結構，如圖6所示。

圖6

建筑圍護系統應用溫度范圍較寬，溫度變化導致材料體積的變化，帶來結構安全和防水密封的挑戰。隔離鋁板中間的弧形結構，當拉伸或屈服時通過弧度變化而釋放模塊應力。隔離鋁板與鋁合金邊框F形槽的三角形凸出結構，在應力作用下F形槽結構變形，模塊獲得應力釋放空間。隔離鋁板決定了鋁合金邊框凹槽的尺寸，并限制鋁合金邊框構成凹槽時最小材料間距約1mm，保證了凹槽的安裝精度和應力釋放空間。

3 保溫強化層

龍骨內側增加插槽，可安裝板狀材料與模塊背面構成功能材料填充區，填充不同材料可達到不同的使用效果，如保溫材料、隔音材料等。

4 安裝過程

在建筑主結構中預埋固定L形夾鐵的螺栓，夾鐵可以水平方向調整位置偏差，而龍骨的結構沒有垂直誤差現象。

BHPV的鋁合金邊框固定在龍骨上，模塊之間沒有線纜連接，直接將正負極連接器對插串聯安裝。一串模塊兩側的正負極用線纜與電氣柜連接，線纜外套保護管并固定在模塊側邊的鋁合金邊框里。

七 建筑應用的安全性措施與效果圖

太陽電池的熱斑效應，嚴重影響光伏陣列的發電效率及組件的使用壽命。金屬蜂窩結構改變了熱斑溫度分布，計算機防真結果降低熱斑溫度將近20℃。BHPV還具有閉環控制內部溫度功能，可徹底解決熱斑效應的問題。

安全是建筑光伏一體化的關鍵，BHPV的接線盒及線纜內置蜂窩芯層中。模塊之間沒有線纜直接通過連接器串聯，模塊陣列到電氣箱的線纜外套防護管并固定在鋁合金邊框凹槽里。所有連接器、接線盒、線纜及防護套管都密封在鋁蜂窩芯和結構膠內，與空氣隔絕無有機材料外露，屋頂或墻體沒有任何凸出物和線纜，有效防止材料老化和燃燒及漏電隱患。

圖7 效果圖

逆變器和匯流箱是大電流高壓設備，特別是逆變器內部高功率密度的電力電子器件和變壓器，自燃隱患嚴重。本項目配套的“一種具有爆炸滅火與電源開斷雙重功能的自動控制裝置”專利產品，可在逆變器和匯流箱內部安裝，或將逆變器和匯流箱安裝在電氣柜內。設備自燃時爆炸滅火裝置檢測到燃燒煙霧或危險溫度，內部填充炸藥點燃（或明火燃爆），炸開干粉滅火劑覆蓋著火點表面并隔絕氧氣實施滅火，同時爆炸斷路器切電源，阻斷電源造成持續的安全隱患并發出火警信號。

[1] 中國建筑工業出版社. 建筑設計規范[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 中國計劃出版社 2009.

[2] 張芹. 玻璃幕墻工程技術規范理解與應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2004

[3] 徐峰, 周愛東, 劉蘭. 建筑物圍護結構保溫隔熱應用技術[M].北京: 中國建筑工業出社, 2011.