馬銘， 廖華， 李景天， 馬遜， 謝明達(dá)， 楊康，許海園， 劉祖明, 趙冬陽

(1.云南師范大學(xué) 太陽能研究所,云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092；2.云南電網(wǎng)公司 大理供電局，云南 大理 671000)

1 前 言

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一.隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們對能源的需求不斷增加.為適應(yīng)人類可持續(xù)發(fā)展，太陽能因其在任何有太陽存在的地方都可以使用而備受人們關(guān)注，同時(shí)它還具有取之不盡、用之不竭以及安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是今后代替不可再生能源發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域.在太陽能光伏利用領(lǐng)域中，一個(gè)重要的應(yīng)用就是光伏建筑一體化(BIPV).

BIPV是太陽能利用與現(xiàn)代建筑結(jié)合的一種形式，它通過將太陽能光伏發(fā)電組件安裝在建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來獲得電力，在為建筑提供綠色電力的同時(shí)，還具有遮陽、隔熱和裝飾的功能.光伏建筑一體化不需要另占土地，太陽電池是固態(tài)半導(dǎo)體器件，發(fā)電時(shí)無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無噪聲，對環(huán)境不會造成污染;BIPV建筑可自發(fā)自用，屬于用戶側(cè)并網(wǎng)；BIPV減少了電力輸送過程的費(fèi)用和能耗，降低了輸電和配電的投資和維修成本.而且日照強(qiáng)時(shí)恰好是用電高峰期，BIPV系統(tǒng)除可以保證自身建筑內(nèi)用電外，富余電量可向電網(wǎng)供電，舒緩了高峰電力需求，具有極大的社會效益;還能杜絕由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染.

2 項(xiàng)目概況

云南師范大學(xué)120 kW光伏幕墻是在目前國家大力推進(jìn)新能源和可再生能源利用的背景下建設(shè)的一個(gè)光伏應(yīng)用項(xiàng)目.項(xiàng)目建設(shè)在云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院建筑物南立面，裝機(jī)容量約122.4 kWp，并入學(xué)校400 V電網(wǎng)，屬用戶側(cè)并網(wǎng)，幕墻面積1 560 m2(26 m×60 m)，共安裝720塊透明雙玻組件.項(xiàng)目于2014年6月開工建設(shè)，2014年10月完成安裝調(diào)試.安裝完成后幕墻整體透光率約為45%.

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 BIPV組件

當(dāng)光伏幕墻系統(tǒng)用于風(fēng)壓高的地區(qū)或建筑高層時(shí)，就需要光伏幕墻系統(tǒng)具有較高的抗風(fēng)壓性能，此時(shí)用作幕墻面板和采光頂面板的光伏玻璃組件就需要有較高的力學(xué)性能，應(yīng)按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過計(jì)算來確定光伏玻璃組件的厚度和強(qiáng)度要求[1].本系統(tǒng)將幕墻建立在大樓南立面，面積較大，在綜合考慮了透光率、發(fā)電量等因素后，采用雙玻組件：采光面為6 mm超白鋼化玻璃，中間為2.28 mm PVB，背板玻璃為6 mm普通鋼化玻璃，電池片為125×125單晶高效電池片.組件由64片單晶硅太陽電池片串聯(lián)構(gòu)成，其規(guī)格見表1，組件透光率為47%.

表1 雙玻太陽電池組件參數(shù)表

雙玻組件如下圖：

圖1 雙玻組件

3.2 組件安裝

BIPV太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽電池組件鋪設(shè)在大樓南立面的鋼架上構(gòu)成玻璃幕墻.建筑高24 m，要求高出樓頂女兒墻2 m，總高為26 m，幕墻與墻夾角為5度，用于安裝玻璃幕墻尺寸為26.076 m×60 m(面積為1 560 m2)，安裝雙玻組件離地高80 cm，共安裝720塊組件，構(gòu)成24×30的陣列，如圖2所示：

圖2 幕墻結(jié)構(gòu)示意圖

組件用駁接爪[2]固定在鋼架龍骨上，以保證固定強(qiáng)度和美觀性，如圖3所示.

圖3 組件固定方式

3.3 組件連接

本系統(tǒng)采用頂端接線的連接方式進(jìn)行組件之間連接，組件接線盒如圖4所示.

圖4 組件接線盒

采用這種連接方式可以很好地隱蔽接線盒，使整個(gè)光伏陣列的外觀受導(dǎo)線連接的影響最小，見圖5.由圖可以看出，幕墻內(nèi)幾乎看不到任何的連接線及接線盒，隱蔽效果良好.

圖5 頂端接線效果

3.4 電氣連接

整個(gè)光伏陣列由24塊雙玻組件串聯(lián)構(gòu)成子串，每個(gè)子串峰值功率4 080 W，峰值電壓796 V.整個(gè)陣列由30個(gè)子串構(gòu)成，其中25個(gè)子串經(jīng)兩個(gè)13匯1的匯流箱匯流后送入一臺100 kW的并網(wǎng)逆變器中，而另外5個(gè)子串經(jīng)5匯1的匯流箱匯流后送入一臺20 kW并網(wǎng)逆變器中，如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)連接示意圖

在系統(tǒng)防雷方面，所有電氣設(shè)備外殼、開關(guān)裝置和開關(guān)柜接地母線、架構(gòu)、電纜支架和其他可能事故帶電的金屬物都可靠接地.充分利用建筑物接地網(wǎng)作為本項(xiàng)目的接地網(wǎng).此外系統(tǒng)配置的光伏陣列防雷匯流箱、光伏交流防雷配電柜均有防雷裝置.

4 系統(tǒng)外觀

整個(gè)系統(tǒng)由720塊170 W雙玻組件構(gòu)成1 560 m2的幕墻，幕墻與水平面的傾角為85度，面向正南方，如圖7所示.

圖7 建成后的幕墻外立面照片

BIPV建筑首先是一個(gè)建筑，它是建筑師的藝術(shù)品，其成功與否關(guān)鍵一點(diǎn)就是建筑物的外觀效果[3].在BIPV建筑中，可通過相關(guān)設(shè)計(jì)將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中.這樣既可防陽光直射和雨水侵蝕，又不會影響建筑物的外觀效果，達(dá)到與建筑物的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑師的構(gòu)想.

此外，在BIPV系統(tǒng)中，選用光伏專用電線(雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線)、偏大的電線直徑以及性能優(yōu)異的連接器等設(shè)備，都能延長BIPV光伏系統(tǒng)的使用壽命.

除幕墻正面外，系統(tǒng)的兩個(gè)側(cè)立面采用了普通雙玻夾膠玻璃進(jìn)行了封裝，使幕墻內(nèi)部形成了一個(gè)相對閉合的空間，如圖8所示.

圖8 幕墻內(nèi)部空間

為使幕墻有比較好的通風(fēng)散熱環(huán)境，幕墻上下部采用留空(百葉窗)的方法使空氣流動(dòng)，同時(shí)也為以后的通風(fēng)系統(tǒng)打下基礎(chǔ).圖9為側(cè)面、下部進(jìn)風(fēng)口、上部出風(fēng)口照片.

圖9 頂部進(jìn)風(fēng)口及底部出風(fēng)口

5 幕墻透光性及對室內(nèi)光照度的影響

當(dāng)光伏幕墻用于建筑物可視部分時(shí)，要求有一定的透光性能.本系統(tǒng)正是將幕墻建立在大樓南立面亦即采光面.對于單晶硅和多晶硅光伏玻璃組件通常通過控制硅片電池間隙和邊緣空隙來實(shí)現(xiàn)所需的透光率，另外組件的結(jié)合方式亦可靈活設(shè)計(jì)，以滿足建筑風(fēng)格和采光需要.根據(jù)國家照度標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)照度有如下要求(見表2).

表2 圖書館建筑照明的照度標(biāo)準(zhǔn)值

雖然BIPV組件的透光率在設(shè)計(jì)時(shí)為47%，但在整個(gè)幕墻安裝后由于受到支架的遮擋，幕墻的總體透光率約在45%左右.由于幕墻的上部及側(cè)面均為普通透光玻璃，故幕墻后的實(shí)際透光率還要更高，為了確定幕墻建成后對室內(nèi)光照的影響，本文參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對幕墻后的室內(nèi)光照度進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3所示.表中數(shù)據(jù)為光伏幕墻向陽側(cè)的照度值和觀賞走廊即光伏幕墻后陰涼側(cè)的照度值，以及陰天和晴天建筑內(nèi)部照度值.

表3 幕墻內(nèi)外及室內(nèi)照度值

由上表及視覺感受可以得到以下結(jié)論：從照度值上幕墻內(nèi)只有幕墻外的25%～50%，但人眼感覺舒適，光線柔和，且室內(nèi)光照強(qiáng)度依然在讀書寫字的中等光照標(biāo)準(zhǔn)之上，說明幕墻對室內(nèi)光照強(qiáng)度影響較小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的透光率是合適的.

6 運(yùn)行狀況

截至目前為止幕墻已經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間，下表為截取某工作日11時(shí)至15時(shí)100 kW逆變器的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù).

表4 100 kW逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)

表中可見系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)小時(shí)發(fā)電量為232 kWh，與整個(gè)系統(tǒng)預(yù)期發(fā)電量吻合(表中數(shù)據(jù)雖然只是部分，但能反映全貌)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

7 結(jié) 論

云南師范大學(xué)120 kW的光伏玻璃幕墻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏建筑一體化的思想，它將建筑與光伏進(jìn)行了很好地結(jié)合，是一件完美的藝術(shù)品.該BIPV項(xiàng)目將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中，使它們對系統(tǒng)外觀的影響降到了最小.系統(tǒng)的透光性能將直接影響到幕墻后的室內(nèi)光照強(qiáng)度，通過測試對比，該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的透光率對室內(nèi)光照環(huán)境影響甚微，系統(tǒng)的建設(shè)為以后類似的項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).

[1] 王春，萬樹春，董米丘.光伏幕墻(屋面)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2009 (20)：55-57.

[2] 趙霖.駁接爪點(diǎn)支式玻璃幕墻的安裝施工[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè),2008 (1)：67-70.

[3] 黃向陽，何清，謝濤.光伏建筑一體化設(shè)計(jì)淺談[J].中外建筑，2007 (11)：42-43.