建筑光伏一體化（BIPV）設(shè)計(jì)方法

光伏建筑一體化(BIPV)，是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念、新方法，依據(jù)建設(shè)地點(diǎn)的地理、氣候條件、建筑功能、周圍環(huán)境等因素進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確定建筑布局、朝向、間距、群體組合和空間環(huán)境，是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來(lái)提供電力，將太陽(yáng)能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。

根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同可分為兩大類:

第一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合(BAPV)，這種方式是將光伏方陣安裝在已有建筑的屋頂、墻面等結(jié)構(gòu)上，不影響原有建筑物的功能。

第二類是光伏方陣與建筑的集成(BIPV)，這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分，如光電瓦屋頂、光電幕墻、光電采光頂、建筑陽(yáng)臺(tái)光伏欄板、公共設(shè)施停車屋頂?shù)取?/span>

二者同時(shí)設(shè)計(jì)和施工，光伏發(fā)電組件成為建筑材料的一部分，同時(shí)具備發(fā)電和建材的雙重功能，形成光伏與建筑的統(tǒng)一體。

光伏方陣與建筑的集成(BIPV)是光伏建筑一種新型形式，它對(duì)光伏組件的要求較高。

光伏組件在滿足光伏發(fā)電功能要求的同時(shí)，還要兼顧建筑的基本功能要求，不影響光伏組件安裝部位的建筑功能，并與建筑協(xié)調(diào)一致，保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀。

進(jìn)行光伏建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)考慮建筑外觀色彩，使之與建筑整體有機(jī)結(jié)合，與建筑周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致，使之總體和諧、美觀。

如果光伏幕墻BIPV組件與普通玻璃外觀色彩不協(xié)調(diào)，將影響整體立面外觀效果。

光伏建筑一體化能夠很方便地通過(guò)前板玻璃調(diào)色技術(shù)，與建筑玻璃深度融合，實(shí)現(xiàn)幕墻BIPV組件與玻璃色彩一致性，達(dá)到外觀上協(xié)調(diào)統(tǒng)一，但會(huì)使發(fā)電量有一定損失。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 BIPV現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

幕墻BIPV組件分類圖如圖2所示，對(duì)隔熱性能要求不高的窗間墻與采光頂區(qū)域采用基礎(chǔ)款，對(duì)隔熱性能要求高的使用中空款。

圖2 幕墻BIPV組件分類

可根據(jù)建筑專業(yè)的需要，增設(shè)彩色前板。在應(yīng)用于采光頂時(shí)，可采用彩色PVB膠片BIPV方案，不僅可以降低產(chǎn)品成本，還不會(huì)降低BIPV的光電轉(zhuǎn)換效率。

使用彩色前板玻璃會(huì)對(duì)產(chǎn)品功率造成一定折損，如表1所示為1200×600尺寸的三玻(相對(duì)于雙玻組件，增加了前板玻璃)，BIPV組件電性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三玻BIPV組件電性能參數(shù)

其次，進(jìn)行光伏建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮幕墻透光率，還應(yīng)考慮光電轉(zhuǎn)化效率，一般采光頂選擇10%～20%透光可滿足需求，立面幕墻透光較高的區(qū)域選擇40%、50%透光即可。

最后，在進(jìn)行光伏建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意布線形式。

幕墻有多種形式，不同形式的光伏幕墻在布線時(shí)，接線盒的位置、接線部位、布線形式會(huì)不一致，為了避免隨意性，可進(jìn)行布線的適應(yīng)性選擇，光伏幕墻布線適應(yīng)性選擇可見(jiàn)表2。

表2?光伏幕墻布線適應(yīng)性選擇表

接線盒常見(jiàn)形式如圖3所示。

圖3接線盒常見(jiàn)形式

光伏電池組件的類型，目前市場(chǎng)上比較多見(jiàn)的為薄膜太陽(yáng)能電池碲化鎘(CdTe)及單晶硅(Cz-Si)、多晶硅(mc-Si)太陽(yáng)能電池。

薄膜太陽(yáng)能電池碲化鎘結(jié)構(gòu)圖

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池是薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。

碲化鎘太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16%。碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池導(dǎo)電膜采用透光性很好的SnO2:F，n型CdS窗口層，幾乎所有可見(jiàn)光都可以透過(guò)，P型CdTe做為吸收層，光吸收率極高，兩者疊加形成PN結(jié)，理論光電轉(zhuǎn)換效率高(≥28%)。

實(shí)際使用中，顯示組件溫度系數(shù)低，弱光效應(yīng)好，穩(wěn)定性高，熱斑效應(yīng)小，長(zhǎng)期使用功率衰減率低，使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)50年。

單晶硅太陽(yáng)能電池一般以P型單晶硅片為基片，目前在售產(chǎn)品，組件效率都在20%以上，制造技術(shù)比較成熟，結(jié)晶中缺陷較少，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，可靠性高，特性也較穩(wěn)定，但制造成本較高。

單晶硅太陽(yáng)能電池

多晶硅太陽(yáng)能電池也是用P型單晶硅片，組件電池的轉(zhuǎn)換效率為19%左右，多晶硅是正方形，在制作電池組件時(shí)有最高的填充率。多晶硅生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可大規(guī)模生產(chǎn)。

多晶硅太陽(yáng)能電池

光伏電池組件地選擇依據(jù)太陽(yáng)能輻射量、氣候特征、場(chǎng)地面積等因素，主要從以下幾個(gè)方面考慮。

• 應(yīng)考慮日照、溫度、濕度、揚(yáng)塵等。

對(duì)于太陽(yáng)能輻射量較低、散射分量較大環(huán)境溫度較高的地區(qū)薄膜太陽(yáng)能電池組件比晶硅組件有優(yōu)勢(shì)，薄膜太陽(yáng)能組件弱光效應(yīng)好，清晨、傍晚弱光條件下效果明顯優(yōu)于間接帶隙材料的晶硅電池。

對(duì)于太陽(yáng)能輻射量較高、散射分量較大的地區(qū)，晶硅太陽(yáng)電池比薄膜太陽(yáng)電池有優(yōu)勢(shì)。

• 應(yīng)考慮安裝位置，安裝在屋頂上時(shí)，屋頂承重好的可以用晶硅，承重一般的可以用薄膜。做光伏幕墻時(shí)，薄膜比晶硅在建筑上應(yīng)用更加美觀。

• 從電池的轉(zhuǎn)換效率考慮，相比晶硅電池，CdTe由于溫度系數(shù)低、弱光效應(yīng)好、抗遮擋能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在同等裝機(jī)容量下，CdTe產(chǎn)品發(fā)電量較晶體硅產(chǎn)品高。

• 從性價(jià)比考慮，晶硅的造價(jià)比薄膜要低，薄膜的造價(jià)高一點(diǎn)，收回成本的期限也要再長(zhǎng)一點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)BIPV建筑時(shí)特別要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統(tǒng)設(shè)備選型。

建筑物的外立面有可能是由一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會(huì)造成組件間的電壓、電流不同，因此應(yīng)與建筑專業(yè)密切配合，對(duì)建筑立面進(jìn)行分區(qū)及調(diào)整分格，使BIPV組件接近標(biāo)準(zhǔn)組件電學(xué)性能，同時(shí)也可以采用不同尺寸的電池片來(lái)滿足分格的要求，選擇最為匹配的產(chǎn)品，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，光伏玻璃可達(dá)到從安裝支架上不脫落，沒(méi)有飛濺的玻璃碎片，不產(chǎn)生破損的洞，安全性能沒(méi)有問(wèn)題。

通過(guò)模擬下雨、下雪的氣候造成的濕氣進(jìn)入組件內(nèi)部后，對(duì)電路引起腐蝕漏電或安全事故的影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，BIPV光伏玻璃組件電流密度小，即使處于惡劣環(huán)境，也能正常工作，并且在光電建筑上安裝關(guān)斷器，從而杜絕火災(zāi)的發(fā)生，保證建筑安全。

通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BIPV光伏玻璃組件還具備弱光發(fā)電優(yōu)勢(shì)。即使在自然光照較弱條件下，光伏組件依然能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，保證穩(wěn)定供電。