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

(1.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)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(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一.隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)能源的需求不斷增加.為適應(yīng)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展，太陽(yáng)能因其在任何有太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能利用與現(xiàn)代建筑結(jié)合的一種形式，它通過(guò)將太陽(yáng)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(lái)獲得電力，在為建筑提供綠色電力的同時(shí)，還具有遮陽(yáng)、隔熱和裝飾的功能.光伏建筑一體化不需要另占土地，太陽(yáng)電池是固態(tài)半導(dǎo)體器件，發(fā)電時(shí)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染;BIPV建筑可自發(fā)自用，屬于用戶(hù)側(cè)并網(wǎng)；BIPV減少了電力輸送過(guò)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(huì)效益;還能杜絕由一般化石燃料發(fā)電所帶來(lái)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(guó)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(hù)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(kāi)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(guò)計(jì)算來(lái)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(yáng)電池片串聯(lián)構(gòu)成，其規(guī)格見(jiàn)表1，組件透光率為47%.

表1 雙玻太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)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(jiàn)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(tái)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(tái)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(kāi)關(guān)裝置和開(kāi)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(guò)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(yáng)光直射和雨水侵蝕，又不會(huì)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(zhuān)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)于單晶硅和多晶硅光伏玻璃組件通常通過(guò)控制硅片電池間隙和邊緣空隙來(lái)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(mǎn)足建筑風(fēng)格和采光需要.根據(jù)國(guó)家照度標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)照度有如下要求(見(jiàn)表2).

表2 圖書(shū)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(duì)室內(nèi)光照的影響，本文參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)幕墻后的室內(nèi)光照度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表3所示.表中數(shù)據(jù)為光伏幕墻向陽(yáng)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(jué)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(jué)舒適，光線柔和，且室內(nèi)光照強(qiáng)度依然在讀書(shū)寫(xiě)字的中等光照標(biāo)準(zhǔn)之上，說(shuō)明幕墻對(duì)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(cè)數(shù)據(jù).

表4 100 kW逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)

表中可見(jiàn)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(duì)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(guò)測(cè)試對(duì)比，該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的透光率對(duì)室內(nèi)光照環(huán)境影響甚微，系統(tǒng)的建設(shè)為以后類(lèi)似的項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).

[1] 王春，萬(wàn)樹(shù)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(yáng)，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.