太陽能光伏建筑一體化中光伏幕墻的設計要點分析

姜文化

(中防雅宸規(guī)劃建筑設計有限公司，山東青島 266075)

1 光伏幕墻特征

1.1 光伏幕墻的應用優(yōu)勢

光伏幕墻的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）可以節(jié)約土地資源；（2）節(jié)能減排；（3）抵抗外界環(huán)境侵蝕，太陽能發(fā)電屬于綠色資源，與環(huán)境有較好相容性，不會對環(huán)境造成不良影響；（4）調整用電峰谷，城市中熱島效應顯著，尤其是夏季制冷設備的使用，導致用電頻率極高，增加了電網(wǎng)壓力，同時該設備可以在日照較強時期為光伏系統(tǒng)提供更多電能，積極緩解城市電力供應壓力[1]。

1.2 光伏幕墻系統(tǒng)組成

光伏幕墻組成結構相對復雜，主要構成元件包括太陽能電池、蓄電池組、充放電控制器及直交流逆變器、測量設備等（見圖1）。目前，太陽能電池應用可分為2 類：晶體硅類及非晶體硅類。晶體硅類電池（單晶及多晶）應用更為廣泛。蓄電池組應用于幕墻系統(tǒng)發(fā)電電能儲存，適用于光照不足的陰雨天氣或傍晚以及其他電量供不應求的特殊情況，能夠隨時供電直到負載。目前，主要采用鉛酸蓄電池，但行業(yè)內正在研究鋰離子蓄電池，該類型蓄電池也是未來發(fā)展方向。充放電控制器是對電池組進行測量并控制其充放電的設備，可以延長電池組工作壽命，降低維修頻率。逆變器是將電池組或幕墻系統(tǒng)本身產生的直流電進行逆變，轉化為負載所需的交流電，并將其傳輸向電網(wǎng)，其內部運行機制包括獨立運行，向獨立負載供電；并網(wǎng)運行，向電網(wǎng)供電。測量設備是對幕墻發(fā)電系統(tǒng)進行參數(shù)測量，包括太陽能輻射強度及幕墻溫度、充放電電量等，通過數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，對幕墻內部進行調整。

1.3 光伏幕墻結合方式及適用范圍

光伏幕墻結合方式主流方式分為非透明外掛型結合與半透明雙玻璃組件型結合。其中，非透明外掛型結合是將光伏組件框架鏈接建筑物墻體或窗戶豎龍骨，應用螺栓或鉚釘將其框架及掛件進行固定，應用溝槽將掛件掛在豎龍骨橫檔處。該結合類型對于新舊建筑物均適用，且安裝較為方便，成本較低，效率較高，但不夠美觀，更適用于無須考慮室內采光需求的墻面，因此，日常生活中主要應用于住宅、商業(yè)或大型公共建筑工程，對于原有建筑進行改造也是適用的。半透明雙玻璃組件型結合是將半透明組件嵌入建筑物，可以完美融合幕墻及建筑物。半透明組件主要包括薄膜電池、晶體硅電池，其中薄膜電池幕墻較為美觀，無須掛立，而晶體硅電池幕墻可以通過余留空隙進行設計，均可采用嵌入形式進行安裝，其耦合程度高，對于室內采光更支持。但該結合類型組件質量較大，多為定制款式，成本較高，且安裝效率較低；更適用于存在半透明外立面、天窗及遮陽設施的大型商業(yè)及公共建筑工程。

1.4 光伏幕墻結構形式

從結構形式方面，可將其分為單層及雙層光伏幕墻。其中，單層光伏幕墻是一種直接結合太陽能電池板及建筑物圍護結構（墻體或窗戶），多為2 片鋼化玻璃與電池直接形成夾層組件，其室內采光需求可根據(jù)電池之間間距進行調節(jié)。該結構形式主要分為夾層玻璃組件及中空玻璃組件，其中，夾層玻璃組件構造采用2 片鋼化玻璃粘在太陽能電池片內外表面的形式，相較于普通玻璃幕墻，更具安全性、節(jié)能性及隔音性優(yōu)勢。中空玻璃組件構造采用太陽能電池片放置于2 片及以上鋼化玻璃中空腔內，鋼化玻璃之間余留一定空隙間隔，且周邊采用密封膠進行密封，相較于普通玻璃幕墻，更具隔熱性、隔音性優(yōu)勢[2]。

雙層光伏幕墻是使太陽能電池板（光伏組件等）直接附著于建筑物外部結構（墻體或窗戶）的圍護結構。內層結構為建筑物墻面或窗戶玻璃幕墻，外層結構為光伏板或光伏玻璃幕墻，建筑物外部結構中間存在通風空氣層，當太陽能光伏溫度迅速升高時，在熱量作用下該空間區(qū)域內空氣上升形成空氣循環(huán)，繼而起到調節(jié)室內溫度，并降低電池表面溫度，繼而延長電池使用壽命，提高發(fā)電效率，還可以起到遮陽、隔熱、減少噪聲等作用。根據(jù)其構造形式一般分為外掛、走廊、窗盒及豎井式，外掛形構造最為簡單，一般又叫整體式，該設計過渡層空間相對較大，不產生四向分隔，不利于光伏組件進行散熱；走廊形構造是按照水平方式進行單元劃分，并對單元進行上出下進設計，有效提高發(fā)電效率，更有利于組件的維修保養(yǎng)及清潔；窗盒形構造按照過渡層水平、豎直方向進行單元分隔，但存在水平方向間隔距離較少特征；豎井式形構造是基于窗盒形構造增大水平分隔距離，通過增大氣溫差，促進空氣流動速度增快，繼而發(fā)揮煙囪效應（煙囪效應可以有效降低內層外表面溫度）。

2 光伏幕墻設計要點

2.1 光伏幕墻單元設計

2.1.1 荷載設計

光伏系統(tǒng)使用過程中需要承受風壓、地震力造成的影響，尤其是對于高層建筑、高風壓、地震頻發(fā)地區(qū)建筑，受到的影響更大，幕墻也會出現(xiàn)上下水平、扭轉等變化，而這也對光伏幕墻力學性能提出了更高要求。一般采光頂及幕墻負載結構主要由光伏玻璃組件構成，要想滿足一定負載量，需要確保玻璃組件強度及厚度符合相關標準及規(guī)范。荷載設計中需要考慮到各方面荷載效應，包括自身重力、風力、地震力及溫度應力確定取值。

2.1.2 光伏組件邊框尺寸

邊框尺寸是基于建筑物室內采光需求以及太陽能電池、組件透光率等因素進行計算，一般要求組件透光率達到30%。小邊框型材主要應用于路燈電池板，發(fā)電量需求較小，而大邊框更適用于光伏幕墻。光伏組件大尺寸背景下，需要在增加邊框的同時確保荷載及強度，由于邊框及玻璃面板均需承受外力作用，因此，需要考慮到其強度及撓度，而邊框的主要荷載來源于玻璃板傳遞及直接承受荷載，選擇鋁合金材質作為邊框，具有較好的抗氧化、抗腐蝕、運輸方便等優(yōu)勢，也可以起到保護及固定玻璃面板的作用。

2.1.3 鋼化玻璃設計

在外力作用下，鋼化玻璃多為平面外形變，其受到的剪力作用相對較小，無須對其抗拉及剪強度進行明確區(qū)分。設計鋼化玻璃強度時需要進行厚度選擇，同時考慮到太陽能電池會對其玻璃撓度產生一定影響，因此，需要基于不同電池計算鋼化玻璃的撓度控制值。此外，溫度變化也會形成負溫度效率，繼而降低發(fā)電效率，同時，室內建筑也會吸收其產生的熱量，對建筑耗能造成一定負面影響，因此，設計過程中需要引入散熱及降溫技術，確保光伏電池溫度維持在85 ℃以下。在實踐過程中，雙層光伏幕墻具有較好的散熱及降溫功效，可以形成煙囪效應，改善發(fā)電效率及建筑能耗、舒適度。

2.1.4 光伏組件的設計

光伏幕墻中需要大量光伏組件，其組件類型選擇：基于安裝位置及照射角度，若組件安裝于建筑墻面，其安裝傾角相對困難，因組件長時期接受低光照度照射，故這些位置的光伏玻璃需要具備更好的弱光性能。

組件使用壽命選擇：由于建筑物使用壽命較長，大多超過50 a，因此，對于光伏組件使用壽命也提出了更高要求，原則上使用壽命不低于20 a，且最大輸出功率衰減程度也需要滿足年限規(guī)定。

此外，光伏板件功能是將太陽能吸收后轉變?yōu)殡娕c熱能，設計過程中需要保證光伏組件的轉換效率。單晶體硅電池轉化率需達到16%，光吸收率達到67%，其吸收太陽能效率達到50%；多晶體硅電池轉化率需達到14%，非晶體硅電池轉換效率需達到6%。

2.2 光伏幕墻配合要求

光伏幕墻設計過程中不僅需要考慮到光伏幕墻系統(tǒng)，還需要充分考慮到建筑墻面相關參數(shù)（包括日照量、日照時間及角度），只有確保充足光照方可儲存充足電量，而不同建筑立面分布存在差異，其接受的光照強度也會存在一定差異，繼而影響發(fā)電效率。因此，設計過程中需要根據(jù)建筑立面形狀、地區(qū)光照強度進行分區(qū)域分格設計，確保光伏幕墻發(fā)電效率達到最大化。

2.3 光伏幕墻絕緣要求

光伏幕墻本身具有發(fā)電功能特征，且與建筑物墻面進行接觸，可能導致人體觸電。為了預防光伏幕墻觸電后果，需要對光伏電池引出端進行絕緣密封操作，同時對其引出端進行絕緣套管包覆，且內部走線均需要在幕墻框架內，對于幕墻內部金屬元件需要確保其連接有效性，完成絕緣操作后需要再次檢查其絕緣性[3]。

2.4 光伏幕墻安裝及維護需求

基于特定地區(qū)和建筑物，日照時長、氣候特征等氣象參數(shù)均會影響到電池接收到的年太陽輻射量，也會影響到光伏幕墻的生命周期。因此，在實際安裝過程中，需要盡可能使控制單元及蓄電池靠近太陽能電池板，繼而降低導線電阻對電能損耗的影響；選擇光伏組件及玻璃幕墻結合形式時，需要考慮到明框光伏玻璃幕墻需要規(guī)避框架向外凸出過多情況，避免對電池片光電效率轉換造成一定影響；選擇鋼化玻璃類型需要基于當?shù)鼗撅L壓及高度變化、建筑物體型系數(shù)等，確保鋼化玻璃強度及剛度足夠，規(guī)避太陽能電池片撓度過大出現(xiàn)破壞痕跡；設計選擇過程需要考慮到地區(qū)差異，如地震高風險地區(qū)，地震作用會直接影響建筑主體，繼而影響光伏幕墻，因此，選擇的光伏幕墻框架強度需要能夠承受基于持久及地震設計組合上基本負荷。在光伏幕墻設計過程中還要充分考慮清潔及維護通道，一般幕墻需要年檢2 次，對組件及框架松動或損壞、系統(tǒng)運行順暢度、輸出功率改變等情況進行核實；針對幕墻清潔，僅依靠其自潔是難以降低污垢對電池發(fā)電效率造成的影響，需要定期進行灰塵清潔。

3 結語

由于太陽能光電幕墻技術具有節(jié)能減排、資源應用合理、環(huán)境保護等優(yōu)勢，已經逐漸應用于建筑行業(yè)中，也將成為現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展趨勢。與此同時，隨著智能建筑的發(fā)展，其發(fā)展也逐漸呈現(xiàn)智能化、多元化特征，其應用具有較為廣闊的發(fā)展前景。