屋顶支架式光伏组件与幕墙光伏玻璃组件的比较研究

- -1152010 年第 21 期（总第 156 期）NO.21.2010（ CumulativetyNO.156 ）摘要： 文章通过比较屋顶电站用支架式光伏组件与幕墙用光伏玻璃组件的相同点与不同点， 总结了幕墙用光伏玻璃组件应注意的技术问题， 对合理选择光伏电池、 组件分格、 色彩要求、 透光性能、 隔热性能、 力学性能等提出了解决方案和建议。关键词： 建筑节能； 光伏建筑一体化； 光伏幕墙； 光伏玻璃组件中图分类号： TU524 文献标识码： A 文章编号： 1009-2374 （ 2010 ） 21-0115-04建筑物消耗的能量大约占总能耗的三分之一。化石能源日益枯竭和化石能源消耗所带来的气候变暖， 导致人类赖以生存的环境污染越来越严重， 在国际及国内节能减排， 低碳经济日趋重要的日趋紧迫的局势下， 减少建筑能量消耗越来越重要， 意义非常深远且迫在眉捷。建筑节能可分为被动式和主动式节能。被动式是提高围护结构的热功性能和用电器效率， 在不影响人们舒适度情况下， 减少能量的消费。随着科技提高及国家相关强制政策的实施， 新建建筑的能耗比老式建筑已经下降了一半。主动式节能是通过建筑本身附加装置， 通过利用其它清洁能源来达到减少外部电网电能需求。建筑与太阳能的结合来解决建筑所需的部分能耗是建筑节能非常重要的途径。建筑光伏发电具有省地、 节材、 直接使用、 削峰填谷等优点， 是国家重点扶持的低碳经济的重点项目。1 建筑光伏发电的基本形式建筑光伏发电基本为三种形式： 支架式； 构件式； 建材式。屋顶电站是第一种形式及支架式， 其主要是利用建筑屋顶这块地， 与地面电站比较接近。构件式是利用建筑的雨棚、 遮阳板、 栏板构件增加了光伏发电功能。建材式是将太阳能电池与瓦、 砖、 卷材、 玻璃等建筑材料复合成在一起成为不可分割的建筑构件， 光伏幕墙是其中的形式之一。从 2009 年国家统计资料及申请资料上看， 第一种形式占据了绝大多数， 第二种及第三种尚少， 真正意义上的光伏幕墙产品尚属于起步阶段。光伏产品如何融入建筑， 保持建筑风格， 具备建筑围护功能， 保证建筑水密性能、 气密性能、 抗风压性能， 抗震、 采光、 隔声、 耐撞击及热工性能、 美观耐久， 避免光伏产品给建筑带来的不利影响， 如温度升高、 电流危害等， 最大限度提高光伏幕墙的产能， 降低制造安装成本、 提高投资回报率、 容易维护、 检修、 保养， 是光伏幕墙面临的急待解决的技术难题。屋顶光伏电站是光伏建筑的起步阶须， 随着技术进步将会朝着兼顾发电和建材功能的方向发展。屋顶光伏电站的成功经验值得总结与借鉴， 特别是比较屋顶支架式光伏组件与光伏幕墙光伏玻璃组件之间不同与相同 ( 为了便于两者之间比较， 本文光伏幕墙特指垂直立面 )，采取相应对策， 非常有利光伏幕墙水平提高与发展。2 光伏电池选型比较幕墙光伏玻璃组件的光伏电池选型， 对提高光伏玻璃组件的电性能， 提高电产能， 保证其作为建材必须具备的功能，如抗风、 防雨、 隔热、 绝缘透光、 美观、 力学性能 ( 足够强度和刚度 )， 不易破损， 便于降低成本， 施工安装、 运输、 检修有着非常重要的作用， 是光伏幕墙必须解决的技术难题。光伏电池选用及电性能要求比较。为了便于论述， 本文仅对市场上常见的、 产业化的产品进行列表类别 晶体硅太阳能电池 薄膜太阳能电池单晶硅 多晶硅 非晶硅 铜铟锡 碲化隔光电转换率 12％～ 16% 12％～ 16% 6％～ 9% 11% 9%~12%其中非晶硅薄膜电池是市场主流产品， 碲化隔由于会对环境产生二次污染， 需要采取相应的回收保证措施。光电转换率是衡量太阳能电池性非常重要的指标， 但不是唯一的指标， 设计中如果片面地采用高转换率的太阳能电池， 而不进行使用条件分析、 成本分析， 则会适得其反。太阳能电池的光电转换率， 是在标准测试条件下的转换率：光源辐照度为 1000 W /m 2;测试温度 25℃；AM1.5 地面太阳光谱辐照度分布。太阳能电池实际使用条件与标准测试条件下的以上三个条件都会产生很大差别， 应针对不同环境、 不同条件进行分析， 并有针对地采取措施。2.1 辐照度差别光 伏 工 作 中 采 用 的 太 阳 常 数 值 是 一 个 衡 定 值 即1367± 7W/m2， 是指地球大气层之外， 平均日地距离处， 垂直于太阳光方向单位面积上所获得太阳能辐射能。阳光穿过地球大气层时， 至少衰减了 30%， 加上空气污染云层影响， 即使采用最佳倾角安装的太阳能组件也很难达到 1000W/ m2 的太阳辐射能， 况且太阳辐射能随日出与日落和季节不同、 云层屋顶支架式光伏组件与幕墙光伏玻璃组件的比较研究杨江华（ 深圳金粤幕墙装饰工程有限公司， 广东 深圳 518029）- -116变化不断变化。下图为太阳辐射能分布以及发生频率分布图：表 1 中国部分城市太阳辐照量统计表城市 纬度 ( ° ) 最佳倾角 ( ° )Ht[Kw· h(m 2· d]垂直和最佳倾角比值最佳倾角安装垂直安装 ( 南向 )海口 20.02 10 3.8915 2.0771 0.53广州 23.10 18 3.1061 1.8398 0.59昆明 25.01 25 4.4239 2.6973 0.61福州 26.05 16 3.3771 1.8991 0.56贵阳 26.35 12 2.6526 1.4715 0.55长沙 28.13 15 3.0682 1.7156 0.56南昌 28.36 18 3.2762 1.8775 0.57重庆 29.35 10 2.4519 1.3345 0.41拉萨 29.40 30 5.8634 3.6935 0.63杭州 30.14 20 3.183 1.8853 0.59武汉 30.37 19 3.1454 1.8536 0.59成都 30.40 11 2.4536 1.3863 0.57上海 31.17 22 3.5999 2.1761 0.60合肥 31.52 22 3.3439 2.0351 0.61南京 32.00 23 3.3768 2.0804 0.62西安 34.18 21 3.3184 2.0009 0.60郑州 34.43 25 3.8807 2.4450 0.63兰州 36.03 25 4.0771 2.5495 0.63济南 36.36 28 3.8241 2.4754 0.65西宁 36.43 31 4.558 3.0242 0.66太原 37.47 30 4.1961 2.7699 0.66银川 38.29 33 5.0982 3.4324 0.67天津 39.06 31 4.0736 2.7473 0.67北京 39.56 33 4.2277 2.9121 0.69沈阳 41.44 35 4.0826 2.8643 0.70乌鲁木齐 43.47 31 4.2081 2.7818 0.66长春 43.54 38 4.4700 3.2617 0.73哈尔滨 45.45 38 4.2309 3.0740 0.73屋顶支架式光伏组件的安装角度不受建筑约束， 可以采用最佳倾角安装。而光伏幕墙受建筑约束， 从上表可以看出， 接受太阳光的辐射强度较低， 特别是低纬度地区， 差别更明显。因此幕墙的光伏玻璃组件其低光强度 ( 即弱光下 )180 ～ 500W/ m2 辐射强 下的光电转换率高低， 对其更重要、 更关键， 决定了光伏幕墙发电效率。因此其采用的光伏电池必须具备良好的弱光性能。垂直立面获得太阳能辐射强度比最佳倾角的辐照强度会大幅降低， 甚至有的立面会没有太阳光直射， 只会存在散射光， 大约占总辐射量的 10%~20%。因此， 对于北半球而言，光伏幕墙应分布在南立面上， 装机容量不够时， 可以适当考虑西立面、 东立面。北立面建议不要采用。还要考虑周边建筑的影响， 低层采用时还应与园林绿化协调， 免受较大树林影响、 遮蔽。2.2 环境温度的差别标准测试条件， 室温 +25℃。太阳能电池在实际使用时，环境温度会大于 25℃， 且受太阳辐射工作时， 其太阳能电池温度会上升， 温度最高会达到 70℃。太阳能电池温度上升， 会导致转换效率的下降， 从而影响光伏系统的产能。光伏幕墙玻璃组件有隔热性能的要求， 且不如屋顶支架式光伏组件散热好。因此， 设计必须考虑散热， 选择受光后温升幅度小和温度升高而转换率降幅小的太阳能电池。非采光部位安装的光伏玻璃组件与建筑物墙面要留一定间隙， 且须设置通风口， 以便夹层空气与外部交换， 消除积热。空气间隙 (mm) 损失率无 10%50 5%150 以上 最小2.3 AM1.5 地面太阳能光谱辐照度与实际太阳能光谱辐照度分布标准测试条件： AM1.5 地面太阳能光谱辐照度分布。不同季节、 不同时间、 不同地点、 不同方位角、 不同倾角、 不同城市环境， 其太阳能光谱辐照强度分布也在变化， 这涉及太阳能电池结构和光谱响应， 总之， 选择太阳能电池时必须与考虑使用环境下的太阳能光谱辐照度分布情况。屋顶支架式光伏组件， 由于安装在屋顶， 可以选择最佳倾角、 不易受阴影阻挡影响， 而幕墙的光伏玻璃组件， 可能受到周围环境、 建筑物装饰构件的阴影影响。综上所述， 幕墙用光玻璃组件的光伏电池， 必须选择良好弱光性能， 良好温升降幅性能及良好遮蔽影响性能的光伏电池， 具有良好装饰效果。各种太阳能电池的比较：- -117非晶硅薄膜电池弱光效应好， 短波响应优于晶体硅太阳电池；非晶硅薄膜电池温度系数低；非晶硅的温度系数为 0.2% 左右， 是晶体硅电池 (0.5%)的一半， 非晶硅薄膜电池因温度升高而引起的输出功率下降比晶体硅好很多， 尤其在气候炎热地区和夏天日照强烈的时候尤为明显。同等功率的非晶硅薄膜电池和晶体硅太阳能电池相比，非晶硅薄膜电池平均全年发电量会比晶体硅太阳能电池高出8％ ~10%晶体硅太阳能电池因单片 Cell 被遮挡引起的组件效率损失% of One Cell Shaded Loss of Power0 025 2550 5075 66100 753 Cells Shaded 93非晶硅薄膜电池因遮挡引起的组件功率下降比晶体硅少很多。外观一致性好， 适合建筑使用， 不影响建筑美观。通过以上比较， 结合市场情况， 建议非晶硅太阳能薄膜电池作为光伏玻璃组件电池的首选。对于高纬度和年日照时数较大地区可选用其它类型的光伏电池。3 物理特性比较3.1 尺寸规格比较屋顶支架式光伏组件， 面板尺寸规格比较统一。晶体硅组件规格有：1400mm× 700mm、 1800mm× 900mm1600mm× 800mm、 2100mm× 800mm薄膜电池根据生产线不一致， 大致可分为小板尺寸和大板尺寸。小板尺寸： 1245mm× 635mm、 1397mm× 635mm大板尺寸：1100mm× 1400mm、 1100mm× 1300mm 1200mm× 2100mm、 1000mm× 1600mm 1000mm× 2000mm、 2200mm× 2600mm幕墙用光玻玻璃组件， 根据建筑分格需要， 尺寸不统一，一般分格比较大。 这也是限制光伏幕墙发展的一个重要因素，需要建筑师、 规划师、 幕墙企业及光伏电池企业的共同努力，需要制定相应规范及标准。采用晶体晶硅电池可以调整电池片间隙， 来满足面板尺寸要求。采用薄膜电池应根据电池原片尺寸合理调整尺寸大小， 保证薄膜电池片能尽量利用， 降低组件成本。玻璃厚度应根据地理位置、 尺寸大小、 支承条件、 风压等经计算后采用不同厚度玻璃封装。3.2 组件构造比较支架式光伏组件， 采用晶体硅电池时， 一般为： 超白玻璃+EVA+ P V + EVA +PTP 或 超 白 玻 璃 +PVB+PV+PVB+玻璃的封装形式；采用非晶硅薄膜电池组件时为：超 白 玻 璃 +EVA+3.2(PV)+EVA+PTP 或 超 白 玻 璃+PVB+3.2(PV )+PVB+ 玻璃幕墙用光伏玻璃组件， 一般为两者构造形式夹胶玻璃组件、 夹胶中空玻璃组件 (有隔热要求时采用)采用晶体硅时：超白玻璃 +PVB+PV+PVB+玻璃超白玻璃 +PVB+PV+PVB+玻璃 +12A+玻璃采用非晶硅薄电池时：超白玻璃 +PVb+3.2(PV)+PVB+ 玻璃超白玻璃 +PVb+3.2(PV)+PVB+ 玻璃 +12A+ 玻璃3.3 透光性能比较幕墙光伏玻璃组件， 与支架式光伏组件不同之处， 对于需要采光的部分， 有透光要求。采用晶体硅电池玻璃组件， 一般调整晶体硅电池片之间的间隙来满足建筑物的采光要求。 薄膜电池组件采光有三种方式：(1) 间隔式。 用等厚的透明玻璃将薄膜电池片分隔开， 然后与内外片玻璃合成封装， 依靠透明玻璃的透光率来达到采光要求。如百叶式就是典型的间隔式采光；(2) 采用透光薄膜电池， 但目前由于技术原因， 透过光为茶色不自然， 很难满足舒适度要求；(3) 点透式。 点透光是将不透光的薄膜电池原片， 通过激光蚀刻， 形成透明小点， 来达到采光目的， 点透式工艺， 因为去掉了有用的光电转换膜层， 会导致效率的下降， 且对电池片带来负面影响， 因此透光率不能过高， 一般透光率应限至在30%以 下。 10% 的 透 光 率 效 果 率 降 低 20%， 20%的 透 光 率降 低 40%， 30%透 光 率 效 率 降 低 60%。 也 可 将 以 上 形 式 组合， 来达到采光性能与电光转换效率和经济成本的平衡。采光与电光转换是一对矛盾体， 高的转换率必须吸收大气光谱的光线， 可见光大约占可以转换为电能光线能量60%～ 70%， 而且采光部位组件， 绝大多数有隔热要求， 必须采用夹胶中空组件， 散热不佳， 组件温度升高， 导致效率下降。幕墙光伏玻璃组件在需要采光的部位， 在目前技术条件下， 尽量少采用 . 。3.4 色彩要求幕墙用光伏玻璃组件根据建筑及外观要求， 光伏玻璃组件色彩也与之相适应， 存在色彩要求。玻璃组件色彩一般由太阳能电池的颜色决定 ( 虽然可以将第一片玻璃选用其它颜色， 但会显著降低效率 )， 太阳能电池的颜色一般为蓝色、 深蓝色或者近乎黑色， 其它不同颜色有灰色、 绿色、 红色、 橘红色以及黄色也是有可能， 但这些颜色的太阳能电池不是按标准工艺生产， 它们可能比标准组件的价格更昂贵。深蓝色太阳电池有最高的转换效率。3.5 力学性能比较屋顶支架式组件和幕墙光伏玻璃组件的力学性能， 都必须满足与之相适应的刚度和强度要求。基本风压、 安全系数等， 可以根据不同的使用寿命， 不同可靠度进行选择。 幕墙光伏玻璃组件必须满足 《玻璃幕墙工程技术规范》（ JGJ 102-2003） 要求；作用在光伏玻璃组成的不同玻璃上的风荷载和地震作用可按等挠度理论进行分配。例如 t1+PVB+3.2(PV)+PVB+t2 夹层薄膜电池组件为例，- -118t1 外层玻璃厚度、 3.2(PV) 为薄膜电池导电玻璃厚度、 t2内层玻璃厚度。 WK= β gzμ S μ ZW0 qEK=β Eα maxGK/ AWK1= WK t13t13+3.2 3+t23qEK1= qEK t13t13+3.2 3+t2 3WK(3.2) = WK 3.23t13+3.2 3+t23qEK(3.2) = qEK 3.23t13+3.2 3+t23WK2= WK t23t13+3.2 3+t23 qEK2= qEK t23t13+3.2 3+t2 3根据不同的支承条件， 可按考虑几何非线性的有限元方法计算， 也可按公式计算最大应力与挠度框支承时 σ WK= 6mwka2t2η 四点支承时 σ WK= 6mwkb2t2ησ EK= 6mqEKa2t2η σ EK= 6mqEKb2t2ηdf= μ wKa4Dη ， df ≤ a60 df= μ wKb4Dη ， df ≤ b60D= Ete312(1- ν 2)te=( t13+ 3.2 3+ t23) 1/3β gz——阵风系数， 应按现行国家标准 《建筑结构荷载规范》 GB50009的规定采用；μ S——风荷载体型系数， 应按现行国家标准 《建筑结构荷载规范》 GB50009的规定采用；μ z——风压高度变化系数， 应按现行国家标准 《建筑结构荷载规范》 GB50009的规定采用；w0——基本风压 (kN/m 2)， 应按现行国家标准 《建筑结构荷载规范》 GB50009的规定采用；WK——作用于夹层玻璃上的风荷载标准值 (N/mm2)；WK1、 WK2——分别为分配到各单片玻璃的风荷载标准值(N/mm2)；WK(3.2) ——为分配到薄膜电池玻璃基片的风荷载标准值(N/mm2)β E——动力放大系数， 可取 5.0；α max——水平地震影响系数最大值，GK——玻璃幕墙构件 ( 包括玻璃面板和铝框 ) 的重力荷载标准值 (kN) ；qEK——作用于夹层玻璃上的地震作用标准值 (N/mm2)；qEK1、 qEK2——分别为分配到各单片玻璃的地震作用标准值 (N/mm2)；qEK(3.2) ——为分配到薄膜电池玻璃基片的地震作用标准值 (N/mm2)；A——玻璃幕墙平面面积 (m2)；D——玻璃的刚度 (Nmm)；te——夹胶玻璃的等效厚度 (mm)；ν ——泊松比；μ ——挠度系数， 可由玻璃板短边与长边边长之比 a/b ；η ——折减系数；df——在风荷载标准值作用下挠度最大值 (mm)；t1、 t2——分别为各单片玻璃的厚度 (mm)；a——矩形玻璃板材短边边长 (mm)；b——支承点间玻璃面板长边边长 (mm)。根据以上计算可以选择内、 外片玻璃厚度， 选择玻璃的热处状态及钢化玻璃或半钢化玻璃。 3.2(PV) 薄膜电池玻璃基片， 由于电池工艺及精度要求， 只能按浮法玻璃的强度取值。光 伏 玻 璃 组 件 耐 撞 击 性 能 应 符 合 《建 筑 幕 墙》 (GB/T21086-2007) 建筑幕墙耐撞击性能分级标准。屋顶支架式光伏组件与光伏幕墙玻璃组件都必须经过IEC 实验程序 ( 包括但不限于以下试验 )(1) 温—热试验 (4) 绝缘试验(2) 湿—冻试验 (5) 热斑耐久试验(3) 热循环试验 (6) 引出端强度试验4 结语光伏建筑一体化尚属于起步阶段， 应用技术标准缺乏， 产业链环节缺乏统筹管理， 发展方向不清晰， 光伏建筑设计、 光伏幕墙发展要规划得当、 设计要以产能最大化为目的。上游太阳能电池产业要适应光伏建筑发展趋势， 必须加大新产品开发力度， 适应建筑分格多变； 色彩丰富、 透光、 隔热的要求，提升产品弱光性能、 温升降幅性能。设计、 安装企业要认识光伏建筑的特殊性， 提高组件成品率， 减少材料浪费， 降低组件成本， 解决重点工艺难题， 确保组件质量。提高投资回报率，是产业健康发展必由之路。光伏建筑一体化， 任重道远， 前程无限。参考文献[1] 杨 金焕， 于化丛， 葛亮．太阳能光伏发电应用技术 [M]．电子工业出版社， 2009．[2] 崔 容强， 赵春江， 吴达成． 并网型太阳能光伏发电系统 [M]．化学工业出版社， 2007．[3] Stefan Krauter ． 太阳能发电—光伏能源系统 [M]． 机械工业出版社， 2008．[4] 玻 璃幕墙工程技术规范 （ JGJ102-2003） [S] ．[5] 建 筑幕墙 （ GB/T 21086-2007） [S] ．[6] 地 面用薄膜光伏组件设计鉴定和定型 （ GB/T18911-2002/1EC61646:1996） [S] ．作者简介： 杨江华 （ 1963- ） ， 男， 广东深圳人， 深圳金粤幕墙装饰工程有限公司工程师， 研究方向： 幕墙工程及光伏建筑一体化。