光伏建筑一體化(BIPV)系統設計與應用

　　本文作者：肖堅偉,鄭鴻生
　　引言
　　隨著財政部于⒛09年3月印發《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》及財政部、科技部、國家能源局于2009年7月《關于實施金太陽示范工程》的通知,表明國家在貫徹實施《可再生能源法》,落實國務院節能減排戰略部署,加快太陽能光電技術在城鄉建筑領域的應用。

　　入列國家金太陽示范工程的275個項目中有部分涉及到BIPV建筑,那么在建的或未建成的示范項目中的實際應用值得業界同行共同借鑒和規范。

　　1 BIPV定義及外延
　　光伏建筑一體化(BIPV)技術即將太陽能發電(光伏)產品集成到建筑上的技術。BIPV 即Building Integrated Photovoltaic,其外延就是①不但具有外圍護結構的功能,保證建筑安全防護要求;②同時又能產生電能供使用;③在以前兩點的基礎上結合建筑結構風格進行優化設計,使整體的裝飾效果更協調。

　　2 BIPV建筑安全
　　2.1 組件安全
　　BIPV組件作為建筑體一部分,須按《建筑玻璃應用技術規程》和《玻璃幕墻工程技術規范》等要求進行設計,其必須符合建筑安全玻璃管理規定。現有的BIPV組件在封裝材料上有采用PVB封裝的和采用EVA封裝的,這兩種不同材料封裝的BIPV組件在建筑安全上的級別是不同的。

　　《玻璃幕墻工程技術規范》第3.4.6項明文規定:“ 玻璃幕墻采用夾層玻璃時,應采用干法加工合成,其夾片宜采用聚乙烯醇縮丁醛(PVB)膠片”,因此PⅤB封裝的BIPV組件在安全性能上比EVA封裝的BIPV 組件要高。 `
　　如:《建筑安全玻璃管理規定》第六條,建筑物需要以玻璃作為建筑材料的下列部位必須使用安全玻璃:

　　(一)7層及7層以上建筑物外開窗;

　　(二)面積大于1.5平方米的窗玻璃或玻璃底邊離最終裝修面小于500mm的落地窗;

　　(三)幕墻(全玻幕除外);

　　(四)傾斜裝配窗、各類天棚(含天窗、采光頂)、吊頂;

　　(五)觀光電梯及其外圍護;

　　(六)室內隔斷、浴室圍護和屏風;

　　(七)樓梯、陽臺、平臺走廊的欄板和中庭內攔板;

　　(八)用于承受行人行走的地面板;

　　(九)水族館和游泳池的觀察窗、觀察孔;

　　(十)公共建筑物的出人口、門廳等部位;

　　(十一)易遭受撞擊、沖擊而造成人體傷害的其他部位。

　　那么在以上部位設計BIPV組件時應選擇安全性更高的PVB封裝BIPV組件,而且在選擇組件中要考慮不同厚度組合以適應風雪荷載、自重荷載、地震荷載不同的要求。

　　2.2 電氣安全
　　電氣系統的配置須符合《建筑電氣工程施工質量驗收規范GB50303》、《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范GB50168》、 《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范《GB50169》等標準的要求。防雷接地設計須考慮防直擊雷和防感應雷的要求進行配置,并網系統還須考過/欠電壓頻率保護、防孤島效應、恢復并網、短路保護、隔離保護、逆向功率保護設計也要考慮符合《光伏系統并網技術要求GB/T19939》、《光伏(PV)發電系統過電壓保護-導則SJ/T11127》的規定。

　　3 BIPV建筑發電
　　BIPV建筑的建造有其特殊的地理位置和獨特的建筑風格,作為建筑物本身位置、設計美感和整體協調性的要求,有時無法完全兼顧組件最佳發電方位的要求,如下圖1、圖2的為了迎合建筑,BIPV組件傾斜角不是最好的發電角度。對于透光率、遮陽系數、Κ值的不同組合可以通過設計組件電池片占比、電池片的顏色、背板玻璃顏色、鍍膜背板玻璃、中空或夾層玻璃等不同的組合達到建筑美學和發電最佳結合點。

　　4 BIPV建筑結構設計
　　BIPV建筑結構與幕墻結構設計相似,主要有明框式、隱框式、半隱框式、點支式,如圖6、圖8、圖9。明框式幕墻BIPV 組件可設計成藏式接線盒和背面接線盒兩種方式,如圖6、圖7,藏式接線盒外觀簡潔,沒有外圍的電纜線。隱框式、點攴式大多設計為背面接線盒,如圖8。

　　BIPV建筑的采光頂或傾斜屋面由于容易沉積灰塵和鳥糞等雜物,影響外觀、建筑的采光及發電性能,因此需要頻繁的進行清洗,但由于人工清洗操作困難,可以考慮在BIPV建筑結構中設計專用的太陽能自行清洗裝置(如圖10)。這種類型的清洗裝置則要求能通過裝置自身的太陽能發電儲存在蓄電池里,置動作和反饋信息。

　　5 BIPV建筑案例
　　5.1 廣州火車南站南側的站臺光伏雨篷(BIPV)項目
　　在建的廣州南站光伏系統并網總功率達253千瓦,透光率達50%以上。項目全部采用

　　5.2 金剛空中花園BIPV項目
　　此拱形大跨度屋頂工程并網總功率400kWp,其25米跨度近10米高度的頂棚設計,配以2000×1750mm、1600×15OOmm兩種PVB封裝的雙玻璃光伏組件。組件上以不同形式排列的電池片組成風格各異,各種組件外觀可變性強、透光率町自主選擇的設計特色。采用隱框式幕墻結構設計,再與鋼框架龍骨有機結合。采用側面接線盒的方式,電纜藏于框架結構中,遠處望去,簡潔大方,不見電線、線槽,與普通建筑玻璃無異。

　　5.3 香港圣保羅小學
　　此BIPV光伏采光頂總面積為82平方米,系統總發電功率為7.9KWp,由65片雙玻璃光伏組件構成,采用156×156mm高效晶體硅電池片,安裝方向為東南偏南,采用明框玻璃幕墻的結構形式。

　　6 結束語
　　太陽能是我國分布最廣的可再生能源資源。可以利用建筑大量的屋頂和墻面資源,有效地增加能源供應。光伏發電不消耗化石能源資源和水資源不產生污染,也沒有溫室氣體排放。既適合分散使用,也可以集中建設大型光伏發電站,為未來經濟發展前景的可再生能源打下基礎。

　　充分利用好國家的各種優惠政策,加快光伏新型幕墻的發展,符合我國節能減排的社會責任要求。

　　參考文獻
　　[1] 特種玻璃、結構、幕墻技術手冊,汕頭大學出版社,2009
　　[2] 建筑結構荷載規范GB50009,中國建筑工業出版社,2002.3
　　[3] 玻璃幕墻工程技術規范JGJ102,中國建筑工業出版社,2004
　　[4] 《建筑玻璃應用技術規程》J臼l13,中國建筑工業出版社,2009

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