云南师范大学120kW光伏玻璃幕墙实践

第 14 届中国光伏大会（ CPVC14 ）论文集350 云南师范大学 120 kW 光伏玻璃幕墙实践马铭，廖华 *，李景天，马逊，谢明达，杨康，许海园，刘祖明（云南师范大学太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650092）摘 要： BIPV 是分布式光伏发电绝好的应用场所，云南师范大学太阳能研究所利用自身的学科优势在新能环大楼上建设了 120KW 光伏玻璃幕墙。本文就其中的光伏系统部分进行了介绍，内容包括组件选取、安装方式、连接等，并对幕墙透光性和室内光照环境进行测试分析，所报告的内容对以后建设同类项目有重要参考价值。关键词： 光伏；光伏建筑一体化；光伏幕墙1 引言能源是经济发展、社会进步的关键因素之一。随着人类社会的不断发展，人们对能源的需求不断增加。为适应人类可持续发展，太阳能因其在任何有太阳存在的地方都可以使用而备受人们关注，同时它还具有取之不尽、用之不竭以及安全环保等优点，是今后代替不可再生能源发展的战略性领域。在太阳能光伏利用领域中，有一个重要的应用就是光伏建筑一体化。光伏建筑一体化是太阳能利用与现代建筑的一种形式。它是将太阳能光伏发电组件安装在建筑物的维护结构外表面来获得电力的一种新型的建筑能源。它在为建筑提供绿色电力的同时，还具有遮阳、隔热和装饰的功能。光伏建筑一体化（ BIPV ） 不需要另占土地， 还能省去光伏系统的支撑结构 ;太阳电池是固态半导体器件，发电时无转动部件，无噪声，对环境不会造成污染 ;BIPV 建筑可自发自用，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和配电的投资和维修成本。而且日照强时恰好是用电高峰期， BIPV 系统除可以保证自身建筑内用电外，在一定条件下还可能向电网供电，舒缓了高峰电力需求， 具有极大的社会效益 ;还能杜绝由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。 BIPV 项目也符合国家鼓励的分布式光伏发电政策。2 项目概况 云南师范大学 120KW 光伏幕墙就是在目前国家大力推进新能源与可再能源利用的背景下由学校投资建设的一个光伏应用项目。项目建设在云南师范大学呈贡新校区能源与环境科学学院（太阳能研究 所 ） 建 筑 物 南 立 面 ， 装 机 容 量 约122.4KWp，并入学校 400V 电网，属用户侧并网，幕墙面积 1560 平方米（ 26m×60m），共安装 720 块透明双玻组件。项目于 2014 年 6 月开工建设， 2014 年 10 月第 14 届中国光伏大会（ CPVC14 ）论文集351 完成安装调试。安装完成后幕墙整体透光率约为 45%。3 系统构成3.1 BIPV 组件当光伏幕墙系统用于风压高的地区或建筑高层时，就需要光伏幕墙系统具有较高的抗风压性能，此时用做幕墙面板和采光顶面板的光伏玻璃组件就需要有更高的力学性能，应按照幕墙工程技术规范及相关的标准规范通过设计计算来确定光伏玻璃组件的厚度和强度要求 [1] 。 本系统是将幕墙建立在大楼南立面，面积较大，在综合考虑了透光率，发电量等因数后，采用双玻组件：采光面为 6mm 超白钢化玻璃，中间为 2.28mm PVB，背板玻璃为 6mm 普通钢化玻璃，电池片为 125× 125 单晶高效电池片。 组件由 64 片单晶硅太阳电池片串联构成，其规格见表 1，组件透光率为 47%。表 1 双玻太阳电池组件参数表序号参数名称 具体参数1 尺寸结构 1985*1038*13.52mm 2 组件透 光率 47% 3 在 AM1.5 、 1000W/㎡的辐照度、 25℃的电池温度下的峰值参数3.1 标准功率 170Wp 3.2 峰值电压 33.2V 3.3 峰值电流 5.12A 3.4 短路电流 5.65A 3.5 开路电压 39.6V 4 组件效率 8.25% 5 框架结 构 超白钢化平面玻璃 (6mm)+PVB(2.28mm)+125*125 单晶高效电池片 +普通钢化平面玻璃（ 6mm）双玻组件如下图：第 14 届中国光伏大会（ CPVC14 ）论文集352 图 1 双玻组件3.2 组件安装BIPV 太阳能光伏发电系统太阳电池组件铺设在大楼南立面的钢架上构成玻璃幕墙。建筑高 24 米，要求高出楼顶女儿墙 2 米，总高为 26 米，幕墙与墙夹角为 5 度，用于安装玻璃幕墙尺寸为 26.076× 60 米（面积为 1560 平方米），安装双玻组件离地高 80cm，共安装 720 块组件，构成 24× 30 的阵列，如图 2 所示：图 2 幕墙结构示意图组件用驳接爪固定在钢架龙骨上，以保证固定强度和美观性 [2] ，如图 3所示：图 3 驳接爪3.3 组件连接本系统采用顶端接线的连接方式进行组件之间连接，组件接线盒如图 4 所示：图 4 组件接线盒采用这种连接方式可以很好地隐蔽接线盒，使整个光伏阵列的外观受导线连接的影响最小，见图 5。由图可以看出，幕墙内几乎看不到任何的连接线及接线盒，隐蔽效果明显。图 5 顶端接线效果3.4 电气连接第 14 届中国光伏大会（ CPVC14 ）论文集353 图 6 系统连接示意图整个光伏阵列由 24 块双玻组件串联构成子串， 每个子串峰值功率 4080W， 峰值电压 796V。 整个阵列由 30 个子串构成，其中 25 个子串经两个 13 汇一的汇流箱汇流后送入一台 100KW 的并网逆变器中，而另外 5 个子串经 5 汇一的汇流箱汇流后送入一台 20KW 并网逆变器中， 如图 6 所示：在系统防雷方面，所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、架构、电缆支架和其它可能事故带电的金属物都可靠接地。接地网充分利用建筑物接地网作为本项目的接地网。此外系统配置的光伏阵列防雷汇流箱、光伏交流防雷配电柜均有防雷装置。4 系统外观整个系统由 720 块 170W 双玻组件构成 1560 平方米的幕墙，幕墙与水平面的倾角为 85 度，面向正南方，如图 7 所示：图 7 建成后的幕墙外立面照片BIPV 建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果 [3]。在 BIPV 建筑中，我们可通过相关设计将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中。这样既可防阳光直射和雨水侵蚀，又不会影响建筑物的外观效果，达到与建筑物的完美结合，实现建筑大师们的构想。此外，在 BIPV 系统中，选用光伏专用电线 (双层交联聚乙烯浸锡铜线 )，选用偏大的电线直径，以及选用性能优异的连接器等设备，都能延长 BIPV 光伏系统的使用寿命。第 14 届中国光伏大会（ CPVC14 ）论文集354 除幕墙正面外，系统的两个侧立面采用了普通双玻夹胶玻璃进行了封装，使幕墙内部形成了一个相对闭合的空间，如图8 所示。图 8 幕墙内部空间为使幕墙有比较好的通风散热环境，幕墙上下部采用留空（百页窗）的方法使空气流动，同时也为以后的通风系统打下基础。图 9 为侧面、下部进风口、上部出风口照片。图 9 顶部进风口及底部出风口5 幕墙透光性及对室内光照度的影响当光伏幕墙用于建筑物可视部分时，就会要求有一定的透光性能。本系统正是将幕墙建立在大楼南立面亦即采光面。对于单晶硅和多晶硅光伏玻璃组件通常通过控制硅片电池间隙和边缘空隙来实现所需的透光率，另外组件的结合方式亦可灵活设计，以满足建筑风格和采光需要。根据国家照度标准，室内照度有如下要求（表 2）。表 2 图书馆建筑照明的照度标准值类 别 参考平面及其 高度照度标准值(lx) 低 中 高一般阅览室、 少年儿童阅览室、 研究室、 装裱修理间、美工室 0.75m 水平面 150 200 300 老年读者阅览室、善本室和舆图阅览室 0.75m 水平面 200 300 500 陈列室、目录厅 (室 )、出纳厅 (室 )、视听室、缩微阅览室 0.75m 水平面 75 100 150 读者休息室 0.75m 水平面 30 50 75 书 库 0.75m 水平面 20 30 50 开敞式运输传送设备 0.75m 水平面 50 75 100 虽然 BIPV 组件的透光率在设计时为 47%，在整个幕墙安装后由于受到支架的第 14 届中国光伏大会（ CPVC14 ）论文集355 遮挡，幕墙的总体透光率约在 45%左右。由于幕墙的上部及侧面均为普通透光玻璃，故幕墙后的实际透光率还要更高，为了确定幕墙建成后对室内光照的影响，本文参照相关的标准对幕墙后的室内光照度进行了测试，结果如表 3 所示。表中数据为光伏幕墙向阳侧的照度值和观赏走廊即光伏幕墙后阴凉侧的照度值，以及阴天和晴天建筑内部照度值。表 3 幕墙内外及室内照度值时间 位置 照度值 Lux 时间 位置 照度值 Lux 8:00 幕墙外侧 18020 14:00 幕墙外侧 25000 幕墙内侧 3510 幕墙内侧 4000 10:00 幕墙外侧 10740 16:00 幕墙外侧 16850 幕墙内侧 5780 幕墙内侧 7070 12:00 幕墙外侧 52200 18:00 幕墙外侧 4510 幕墙内侧 13120 幕墙内侧 2310 时间 8： 00 12： 00 18： 00 晴天室内照度 Lux 478 973 774 阴天室内照度 Lux 300 371 453 由上表及视觉感受我们可以得到以下结论：从照度值上幕墙内只有幕墙外的25%-50%，但人眼感觉舒适，光线柔和，且室内光照强度依然在读书写字的中等光照标准之上，说明幕墙对室内光照强度影响较小，系统设计的透光率是合适的。6 结论云南师范大学 120kw 的光伏玻璃幕墙系统完美的体现了光伏建筑一体化的思想，它将建筑与光伏进行了很好的结合，是一件完美的艺术品，有令人震撼的外观效果。在这个 BIPV 项目中，我们将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中，使它们对系统外观的影响降到了最小。系统的透光性能将直接影响到在幕墙身后的室内光照强度，通过测试对比，该系统所设计的透光率对定内光照环境影响甚微，系统的建设为以后类似的项目提供了宝贵的经验。参考文献[1] 王春， 万树春， 董米丘 .光伏幕墙 (屋面 )系统技术应用 [J].建设技术， 2009.20 [2] 赵霖 .驳接爪点支式玻璃幕墙的安装施工 [J].广西城镇建设 ,2008.01. [3] 黄向阳，何清，谢涛 .光伏建筑一体化设计浅谈 [J].中外建筑， 2007.11. 邮 箱 ： iimagee@163.com ；Liaohua8@vip.sina.com.