光伏建筑一体化(BIPV)系统设计与应用

　　本文作者：肖坚伟,郑鸿生
　　引言
　　随着财政部于⒛09年3月印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》及财政部、科技部、国家能源局于2009年7月《关于实施金太阳示范工程》的通知,表明国家在贯彻实施《可再生能源法》,落实国务院节能减排战略部署,加快太阳能光电技术在城乡建筑领域的应用。

　　入列国家金太阳示范工程的275个项目中有部分涉及到BIPV建筑,那么在建的或未建成的示范项目中的实际应用值得业界同行共同借鉴和规范。

　　1 BIPV定义及外延
　　光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。BIPV 即Building Integrated Photovoltaic,其外延就是①不但具有外围护结构的功能,保证建筑安全防护要求;②同时又能产生电能供使用;③在以前两点的基础上结合建筑结构风格进行优化设计,使整体的装饰效果更协调。

　　2 BIPV建筑安全
　　2.1 组件安全
　　BIPV组件作为建筑体一部分,须按《建筑玻璃应用技术规程》和《玻璃幕墙工程技术规范》等要求进行设计,其必须符合建筑安全玻璃管理规定。现有的BIPV组件在封装材料上有采用PVB封装的和采用EVA封装的,这两种不同材料封装的BIPV组件在建筑安全上的级别是不同的。

　　《玻璃幕墙工程技术规范》第3.4.6项明文规定:“ 玻璃幕墙采用夹层玻璃时,应采用干法加工合成,其夹片宜采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)胶片”,因此PⅤB封装的BIPV组件在安全性能上比EVA封装的BIPV 组件要高。 `
　　如:《建筑安全玻璃管理规定》第六条,建筑物需要以玻璃作为建筑材料的下列部位必须使用安全玻璃:

　　(一)7层及7层以上建筑物外开窗;

　　(二)面积大于1.5平方米的窗玻璃或玻璃底边离最终装修面小于500mm的落地窗;

　　(三)幕墙(全玻幕除外);

　　(四)倾斜装配窗、各类天棚(含天窗、采光顶)、吊顶;

　　(五)观光电梯及其外围护;

　　(六)室内隔断、浴室围护和屏风;

　　(七)楼梯、阳台、平台走廊的栏板和中庭内拦板;

　　(八)用于承受行人行走的地面板;

　　(九)水族馆和游泳池的观察窗、观察孔;

　　(十)公共建筑物的出人口、门厅等部位;

　　(十一)易遭受撞击、冲击而造成人体伤害的其他部位。

　　那么在以上部位设计BIPV组件时应选择安全性更高的PVB封装BIPV组件,而且在选择组件中要考虑不同厚度组合以适应风雪荷载、自重荷载、地震荷载不同的要求。

　　2.2 电气安全
　　电气系统的配置须符合《建筑电气工程施工质量验收规范GB50303》、《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范GB50168》、 《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范《GB50169》等标准的要求。防雷接地设计须考虑防直击雷和防感应雷的要求进行配置,并网系统还须考过/欠电压频率保护、防孤岛效应、恢复并网、短路保护、隔离保护、逆向功率保护设计也要考虑符合《光伏系统并网技术要求GB/T19939》、《光伏(PV)发电系统过电压保护-导则SJ/T11127》的规定。

　　3 BIPV建筑发电
　　BIPV建筑的建造有其特殊的地理位置和独特的建筑风格,作为建筑物本身位置、设计美感和整体协调性的要求,有时无法完全兼顾组件最佳发电方位的要求,如下图1、图2的为了迎合建筑,BIPV组件倾斜角不是最好的发电角度。对于透光率、遮阳系数、Κ值的不同组合可以通过设计组件电池片占比、电池片的颜色、背板玻璃颜色、镀膜背板玻璃、中空或夹层玻璃等不同的组合达到建筑美学和发电最佳结合点。

　　4 BIPV建筑结构设计
　　BIPV建筑结构与幕墙结构设计相似,主要有明框式、隐框式、半隐框式、点支式,如图6、图8、图9。明框式幕墙BIPV 组件可设计成藏式接线盒和背面接线盒两种方式,如图6、图7,藏式接线盒外观简洁,没有外围的电缆线。隐框式、点攴式大多设计为背面接线盒,如图8。

　　BIPV建筑的采光顶或倾斜屋面由于容易沉积灰尘和鸟粪等杂物,影响外观、建筑的采光及发电性能,因此需要频繁的进行清洗,但由于人工清洗操作困难,可以考虑在BIPV建筑结构中设计专用的太阳能自行清洗装置(如图10)。这种类型的清洗装置则要求能通过装置自身的太阳能发电储存在蓄电池里,置动作和反馈信息。

　　5 BIPV建筑案例
　　5.1 广州火车南站南侧的站台光伏雨篷(BIPV)项目
　　在建的广州南站光伏系统并网总功率达253千瓦,透光率达50%以上。项目全部采用

　　5.2 金刚空中花园BIPV项目
　　此拱形大跨度屋顶工程并网总功率400kWp,其25米跨度近10米高度的顶棚设计,配以2000×1750mm、1600×15OOmm两种PVB封装的双玻璃光伏组件。组件上以不同形式排列的电池片组成风格各异,各种组件外观可变性强、透光率町自主选择的设计特色。采用隐框式幕墙结构设计,再与钢框架龙骨有机结合。采用侧面接线盒的方式,电缆藏于框架结构中,远处望去,简洁大方,不见电线、线槽,与普通建筑玻璃无异。

　　5.3 香港圣保罗小学
　　此BIPV光伏采光顶总面积为82平方米,系统总发电功率为7.9KWp,由65片双玻璃光伏组件构成,采用156×156mm高效晶体硅电池片,安装方向为东南偏南,采用明框玻璃幕墙的结构形式。

　　6 结束语
　　太阳能是我国分布最广的可再生能源资源。可以利用建筑大量的屋顶和墙面资源,有效地增加能源供应。光伏发电不消耗化石能源资源和水资源不产生污染,也没有温室气体排放。既适合分散使用,也可以集中建设大型光伏发电站,为未来经济发展前景的可再生能源打下基础。

　　充分利用好国家的各种优惠政策,加快光伏新型幕墙的发展,符合我国节能减排的社会责任要求。

　　参考文献
　　[1] 特种玻璃、结构、幕墙技术手册,汕头大学出版社,2009
　　[2] 建筑结构荷载规范GB50009,中国建筑工业出版社,2002.3
　　[3] 玻璃幕墙工程技术规范JGJ102,中国建筑工业出版社,2004
　　[4] 《建筑玻璃应用技术规程》J臼l13,中国建筑工业出版社,2009

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