太阳能光伏建筑一体化设计与施工概述

太阳能光伏建筑一体化设计与施工概述

朱律键

中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州省贵阳市，550000

摘要：太阳能的应用和发展已成为各行业特别是建筑行业研究的重点和趋势，其开发和应用取得了很大的突破。太阳能光伏建筑一体化是近年来的重要成果。光伏幕墙是太阳能光伏建筑一体化的关键部分，其设计要点直接影响太阳能光伏建筑的使用价值和安全性。以太阳能光伏建筑一体化中的光伏幕墙为切入点，对其结构和应用进行了基本概述，并详细阐述了其设计要点。

关键词：太阳能光伏；一体化；设计施工

1光伏幕墙的特点

1.1光伏幕墙的应用优势

光伏幕墙的应用优势主要体现在以下几个方面:(1)可以节约土地资源；(2)节能减排；(3)抵御外界环境的侵蚀，太阳能发电是一种绿色资源，与环境的相容性好，不会对环境造成不良影响；(4)调节用电峰谷，城市热岛效应明显，尤其是夏季，使用制冷设备，用电频率极高，增加了电网压力。同时，该设备可以在强日照时段为光伏系统提供更多的电能，积极缓解城市供电压力[1]。

1.2光伏幕墙系统的组成

光伏幕墙的结构比较复杂，主要部件有太阳能电池、电池组、充放电控制器、DC/交流逆变器、测量设备等。目前，太阳能电池的应用可以分为两大类:晶体硅和非晶硅。硅电池(单晶和多晶)应用广泛。电池组用于储存幕墙系统产生的电能。适用于阴雨天或晚上光线不足，以及其他电力供应紧张的特殊情况。它可以随时向负载供电。目前主要使用铅酸电池，但业内正在研究锂离子电池，这种类型的电池也是未来的发展方向。充放电控制器是测量和控制电池组充放电的装置，可以延长电池组的使用寿命，减少维修频率。逆变器将电池组或幕墙系统本身产生的DC逆变，转换成负载所需的交流电，输送到电网。其内部运行机制包括独立运行以向独立负载供电；向电网供电的并网运行。测量设备测量幕墙发电系统的参数，包括太阳辐射强度、幕墙温度、充放电电量等。，并通过数据采集和监测对幕墙内部进行调整。

1.3光伏幕墙的组合方式及应用范围

光伏幕墙组合的主流模式分为非透明外挂组合和半透明双玻璃组件组合。其中，非透明外挂式组合是将光伏组件框架链接到建筑墙体或窗户竖龙骨上，用螺栓或铆钉固定框架和挂件，将挂件挂在带凹槽的竖龙骨横档处。这种组合式新老建筑都适用，安装方便，成本低，效率高，但不够美观。比较适合不需要考虑室内采光要求的墙面。因此主要用于日常生活中的住宅、商业或大型公共建筑工程，也适用于原有建筑的改造。半透明玻璃构件的组合是将半透明构件嵌入建筑中，可以将幕墙与建筑完美融合。透光组件主要有薄膜电池和晶体硅电池，其中薄膜电池幕墙更美观，不需要竖立，而晶体硅电池幕墙可以通过剩余缝隙设计，可以以嵌入式形式安装，耦合度高，对室内采光有更好的支撑。但是，这种组合式构件质量高，多为定制式，成本高，安装效率低；更适用于具有半透明立面、天窗和遮阳设施的大型商业和公共建筑项目。

1.4光伏幕墙结构

从结构方面来说，可以分为单层和双层光伏幕墙。其中，单层光伏幕墙是一种直接结合太阳能电池板的建筑围护结构(墙或窗)，多为两块钢化玻璃和电池直接组成夹层组件，其室内采光要求可根据电池间距进行调节。这种结构主要分为夹层玻璃组件和中空玻璃组件，其中夹层玻璃组件采用两片钢化玻璃贴在太阳能电池内外表面的形式，在安全、节能、隔音等方面比普通玻璃幕墙更具优势。中空玻璃组件结构采用太阳能电池置于两块或多块钢化玻璃的空腔内，钢化玻璃之间留有一定间隙，周边用密封胶密封，在隔热隔音方面比普通玻璃幕墙更有优势[2]。

双层光伏幕墙是制作太阳能电池板(光伏组件等)的围护结构。)直接附着在建筑物的外部结构(墙或窗)上。内层为建筑墙体或窗户玻璃幕墙，外层为光伏板或光伏玻璃幕墙，建筑外围结构中间有通风空气层。当太阳能光伏温度快速上升时，这个空间区域的空气在热量的作用下上升，形成空气循环，进而可以调节室内温度，降低电池表面温度，延长电池使用寿命，提高发电效率，还可以起到遮阳、隔热、降噪的作用。按其结构形式，一般分为外挂式、走廊式、窗箱式、竖井式。外挂式结构最简单，一般称为整体式。这种设计的过渡层空间比较大，不会产生四向分离，不利于光伏组件的散热。通廊结构以水平方式划分单元，单元自上而下设计，有效提高了发电效率，更有利于组件的维护和清洁。箱形结构按过渡层的水平和垂直方向划分单元，但有一个特点是水平间距较小；立轴结构基于窗盒结构，增加水平分隔距离。通过增大空气温差，加快气流速度，进而发挥烟囱效应(烟囱效应可以有效降低内外表面温度)。

2光伏建筑一体化结构深化原则

2.1规划第一原则

建筑行业必须坚持“规划先行”的理念，光伏建筑的集成也需要规划先行。首先，需要充分调查建筑所处的太阳能资源、周边环境和地理条件，这将是实现光伏建筑一体化设计的前提。其次，根据建筑所在地的日照特点，选择合适的光伏阵列设计，尽量避免遮挡，使光伏组件最大限度地接收太阳能，实现光伏发电效率的最大化。

2.2多专业协同原则

在光伏一体化设计过程中，需要多专业的信息交流、多部门的整合与合作，强调设计过程的连续性，以保证每个设计主体对最终目标的一致性。

在建筑设计领域，建筑师往往是设计的主体，其他相关专业围绕建筑师的设计方案展开工作。这一思想也适用于光伏建筑的一体化设计。建筑师在强调建筑艺术效果的同时，要求设备相关的专业工程师提供光伏发电、建筑节能等方面的可行方案，结构相关的专业工程师初步设计建筑的安全性和美观性。只有从建筑造型、光伏利用、节能环保、结构安全等方面同步评估后。，光伏与工业建筑能否相辅相成，相得益彰，最终实现光伏一体化的终极目标。

2.3节能原则

(1)建筑本身必须环保。光伏发电过程主要依靠太阳能，其应用过程不产生污染物，非常环保。

(2)光伏组件或组件原材料必须环保，如光伏幕墙，不能造成光污染。

(3)应用节能技术，比如在外墙光伏组件的设计过程中选择透明围护结构，可以在保证建筑自然采光的前提下实现建筑的自然通风，缓解对空调的过度依赖，还可以选择一些环保设备，从而降低耗电量。

2.4高效安全原则

(1)光伏组件自身因素。一方面与其结构安全性能有关。比如在高层建筑结构中，风荷载的影响很大，不仅影响构件与建筑物连接部位的结构安全，还要充分考虑构件在高风压下是否会变形，从而影响发电效率和结构安全。另一方面涉及到它的使用寿命。比如个别构件的使用寿命低于建筑物，相对不便更换的构件的使用寿命需要在设计过程中考虑新材料或新工艺，尽可能延长构件的使用寿命，争取达到与建筑物相同或更长的使用寿命。

(2)建筑电气安全因素。也是设计过程中的重中之重。因为在安装光伏组件的过程中会涉及到大量的金属材料，如果发生漏电事故，会对建筑物甚至内部人员造成不可估量的损失和伤害。

2.5可持续发展的原则

首先，在光伏建筑一体化设计过程中，在保证建筑外部风格的前提下，太阳能光伏系统的巧妙引入本身就承载了绿色建筑的理念，体现了可持续发展的原则；其次，在当前节能减排的社会经济环境下，光伏建筑一体化肩负着引导和示范的责任；最后，对于光伏建筑一体化项目来说，也是坚持可持续发展原则的受益者，付出的不仅仅是努力，还有回报。因此，在光伏建筑一体化设计过程中，应始终秉持可持续发展的理念，避免不必要的资源消耗和环境污染。

3光伏幕墙设计的要点

3.1光伏幕墙单元的设计

3.1.1负载设计

光伏系统在使用过程中需要承受风压和地震力带来的影响，尤其是高层建筑，风压高、地震频繁地区的建筑，受影响会更大，幕墙也会出现水平和上下扭曲的情况，这也对光伏幕墙的力学性能提出了更高的要求。一般采光顶和幕墙的荷载结构主要由光伏玻璃组件构成。为了满足一定的荷载，需要保证玻璃构件的强度和厚度符合相关标准和规范。荷载设计中应考虑荷载效应的所有方面，包括自重、风力、地震力和温度应力。

3.1.2光伏组件的框架尺寸

框架尺寸是根据建筑物的室内照明要求、太阳能电池、组件的透光率和其他因素计算的。一般要求元器件透光率达到30%。小框架型材主要用于路灯面板，需要的发电量较少，大框架型材更适合光伏幕墙。在大尺寸光伏组件的背景下，需要在增加框架的同时保证载荷和强度。由于框架和玻璃面板都受到外力作用，需要考虑它们的强度和挠度，框架的主要荷载来自玻璃面板的传递和直接荷载。选择铝合金作为边框，具有更好的抗氧化、耐腐蚀、运输方便等优点，还可以保护和固定玻璃面板。

3.1.3钢化玻璃设计

在外力作用下，钢化玻璃多为平面状，剪切力相对较小，不需要明确区分抗拉强度和抗剪强度。在设计钢化玻璃的强度时，需要选择厚度。考虑到太阳能电池会对玻璃挠度产生一定的影响，有必要根据不同的电池计算钢化玻璃的挠度控制值。此外，温度变化还会导致负温度效率，进而降低发电效率。同时，室内建筑也会吸收其产生的热量，对建筑能耗产生一定的负面影响。因此，在设计过程中应引入散热冷却技术，保证光伏电池的温度保持在85℃以下。在实践中，双层光伏幕墙具有良好的散热降温效果，可以形成烟囱效应，提高发电效率、建筑能耗和舒适度。

3.1.4光伏组件的设计

光伏幕墙中需要大量的光伏组件，组件类型的选择:基于安装位置和光照角度，如果组件安装在建筑墙面上，安装倾角相对较难。由于组件长时间暴露在低照度下，这些位置的光伏玻璃需要有更好的弱光性能。

组件使用寿命的选择:由于建筑物的使用寿命较长，大多超过50a，对光伏组件的使用寿命提出了更高的要求。原则上使用寿命不低于20a，最大输出功率衰减程度也需要满足年限。

另外，光伏板的作用是将太阳能吸收后转化为电能和热能，在设计过程中需要保证光伏组件的转换效率。单晶硅电池的转换率需要达到16%，光吸收率达到67%，其太阳能吸收效率达到50%。多晶硅电池的转换率要达到14%，非晶硅电池的转换效率要达到6%。

3.2光伏幕墙的配合要求

在光伏幕墙的设计过程中，不仅要充分考虑光伏幕墙系统，还要充分考虑建筑墙体的相关参数(包括日照量、日照时间和角度)。只有保证充足的阳光，才能储存充足的电力。但不同建筑立面分布不同，接收到的光照强度也会不同，影响发电效率。因此，在设计过程中，需要根据建筑立面形状和区域光照强度进行设计，以保证光伏幕墙的最大发电效率。

3.3光伏幕墙的保温要求

光伏幕墙本身具有发电功能，与建筑墙体接触，可能会对人体造成电击。为了防止光伏幕墙的触电，需要对光伏电池的引出端子进行绝缘密封，同时光伏电池的引出端子要套绝缘套管，内部接线要在幕墙框架内。对于幕墙内部的金属元件，要保证连接的有效性，保温作业完成后要再次检查保温情况。

3.4光伏幕墙的安装和维护要求

基于特定的区域和建筑，日照时长、气候特征等气象参数会影响电池每年接收的太阳辐射，也会影响光伏幕墙的生命周期。因此，在实际安装过程中，需要使控制单元和蓄电池尽可能靠近太阳能电池板，进而降低导线电阻对功率损耗的影响；在选择光伏组件与玻璃幕墙的组合形式时，需要考虑到明框光伏玻璃幕墙需要避免边框凸出过多的情况，以免对电池的光电效率转换产生一定的影响。钢化玻璃的类型应根据当地的基本风压、高度变化、建筑体型系数等进行选择。，保证钢化玻璃有足够的强度和刚度，避免太阳能电池过度偏转造成的损伤痕迹；设计过程需要考虑地区差异，比如高风险地区，地震会直接影响到主体建筑，然后是光伏幕墙。因此，所选择的光伏幕墙框架的强度需要能够承受基于耐久和抗震设计相结合的基本荷载。在光伏幕墙的设计过程中，应充分考虑清洗和维护渠道。一般每年需要对幕墙进行两次检查，以验证组件和框架的松动或损坏情况，系统运行的顺畅程度，以及输出功率的变化情况。对于幕墙清洁来说，仅靠自清洁很难降低污垢对电池发电效率的影响，因此需要定期清洁灰尘。

3.5通风和冷却结构的深化

在光伏一体化项目中，尤其是选择晶体硅光伏电池的项目，其热源包括太阳直接辐射和光伏发电自身散热。因此，建筑通风降温极为重要，结合屋顶降温措施可以深化。

光伏组件与屋面结构形成的保温层不同于传统的屋面保温层，主要因素是热源的不同。太阳能电池组件热源包括背面和空气层之间的替代热源和屋顶热源和空气层之间的替代热源。因此，在设计过程中，不仅要注意空气层之间的风速循环，还要考虑屋顶受到的热辐射，通过理论计算得出最佳的保温层厚度。

太阳能组件采用平铺方式安装，设计高度要结合屋顶宽度和坡度进行控制。借助热环境模拟程序，通过模拟计算可以得到最佳风速。另外，在条件允许的情况下，可以结合立面设计，在朝向女儿墙的方向设置一定数量的通风口，以保证架空地板的空气流通。

4结论

由于太阳能光伏幕墙技术具有节能减排、合理利用资源和保护环境等优点，已逐渐应用于建筑行业，并将成为现代建筑行业的发展趋势。同时，随着智能建筑的发展，其发展逐渐呈现出智能化和多样化的特点，其应用具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]徐伟,张慧慧.公共建筑光伏系统太阳能利用潜力评价[J].重庆大学学报,2021,44(3):53-62.

[2]侯亦南.太阳能建筑光伏一体化探究[J].城市建筑,2019,16(27):28-36.

[3]苏玲俐.光伏建筑一体化在建筑幕墙设计上的应用[J].建筑·建材·装饰,2021(4):166-167.

［4］罗多，班广生．光伏建筑设计与实践［M］．北京:中国建筑工业出版社，2016．

［5］杨金焕．太阳能光伏发电应用技术［M］．第2版．北京:电子工业出版社，2013．