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光伏幕墙在工程中的应用及研究
蒋传星 叶莹莹
宁波市工业建筑设计研究院有限公司
摘要
近几年国家提出的双碳目标又让清洁能源成为大家关注的焦点。光伏作为清洁能源中的重要一员，全国的装机容量越来越大，而光伏在幕墙中的应用也是逐年提高。光伏建筑一体化，光伏屋顶防水一体化，这样的工程案例越来越多。本文分析光伏幕墙的特点，提出在工程应用中的注意事项，对推广光伏幕墙在工程的应用具有重要的意义。
关键词
清洁能源;光伏;幕墙;建筑一体化
1引言—双碳目标
2021年10月，国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》，该方案指出我国要在2030年前碳排放达到峰值。2020年9月，我国提出2060年前实现碳中和，就是要通过节能减排，发展新能源，达到相对“零排放”。光伏就是其中的一种高效的清洁能源。
当前光伏幕墙是光伏行业中的一个热点，聚集了行业内的大量关注，在一些大中型城市，高层建筑外表皮，大型公建的外表皮，都有光伏幕墙的应用。
2光伏幕墙特点分析
光伏幕墙就是把指将太阳能光伏发电技术与建筑工程融为一体的技术，不仅可以作为主体建筑的外围护结构，还可以将太阳能转化为电能。光伏幕墙一样的可以美化城市外立面，而且是能发电的一种幕墙形式。光伏幕墙应用优势有以下几个方面：①美观的外立面，光伏图案可以任意组合，丰富外立面的表现形式；②节能减排，白天光伏幕墙工作时可为大楼提供电能，减少大楼对其他能源的消耗；③节约土地资源，相比较其他形式的光伏，立面幕墙应用光伏不占用土地资源。
光伏幕墙在工程中的应用，我们还要解决以下几个问题。①光伏幕墙与整体设计是否协调一致。光伏幕墙部分通常是不透明区域，不透明的光伏与其他幕墙材料在表现形式上以及建筑功能实现上要做到协调一致。我们在光伏幕墙设计时，可选择不同类型的光伏模块，然后通过选择性设计将其定向排列，当阳光照射进光伏幕墙时，形成不同的光影艺术效果，既实现了建筑节能，又不失建筑外观新颖，满足人们对建筑美学的要求。从室外看，要求材料、风格、颜色和建筑物协调统一，造型创新，避免光污染；从室内看，室内明亮，光线柔和而不杂乱，符合建筑功能的要求。②光伏幕墙要满足建筑安全性能要求。一个是光伏组件自身的安全。在高层建筑结构中，风荷载的作用很大，要充分考虑光伏面板在高风压下是否会变形，从而影响发电效率和结构安全。另一方面涉及到它的使用寿命，在设计过程中考虑新材料或新工艺，尽可能延长光伏组件的使用寿命，争取达到与建筑物相同或更长的使用寿命。再一个是电气安全，光伏发电后会形成电流，应当避免漏电事故的发生。③光伏幕墙要满足节能环保的要求。光伏幕墙发电的核心环节是太阳能光电转换，无粉尘、无废气等污染，且发电过程无噪声，同时，应用新材料、新技术可以吸收阳光照射玻璃表面而产生的反射光，缓解光污染现象。合理利用建筑外表皮，节约土地资源，利用太阳能光电转换作用，产生的电力资源在保障自给自足的情况下，还可以补给城市电网，满足节能环保要求。
3光伏幕墙构造分析
光伏幕墙包含光伏部分及幕墙部分，光伏部分的功能是发电输电储电，光伏部分主要由面板、太阳能电池、电池组、充放电控制器、DC/交流逆变器、电线电缆设备等组成。
太阳能光伏板市场上有两种主流面板，一种是晶硅薄膜系列（图1），还有一种是碲化镉薄膜系列（图2）。
图1 太阳能光伏板 晶硅薄膜系列
图2 太阳能光伏板 碲化镉薄膜系列
晶硅薄膜类太阳能电池的主要材料是硅基材料，包括非晶硅和微晶硅，电池硅层厚度约1μm，是硅晶电池的0.5??%。硅基薄膜类太阳能电池具备优良的弱光特性，可在阴雨天等低紫外线条件下仍保持较好的光吸收效率和高温特性。相较于晶片型电池，硅基薄膜类太阳能电池热斑效应低，受局部光线遮挡影响小，透光率可调范围大，可靠性高。
碲化镉薄膜类太阳能电池是在玻璃基片或其他衬底基片上，依次沉积多层薄膜制备而成的光伏组件。碲化镉是一种高吸收系数的化合物半导体材料，其吸收系数约是硅的100倍。碲化镉薄膜类太阳能电池也具备极佳的弱光特性，对全光谱都有较好的吸收。相比硅基薄膜类太阳能电池，碲化镉薄膜类太阳能电池在阴雨天等低紫外线条件下光吸收效率和高温特性更优异，整体性能更好。碲化镉薄膜类太阳能电池不存在本征光致衰减效应，可保证25年80%的输出功率。碲化镉薄膜类太阳能电池外观多彩多变，可适用任何建筑的外立面表达方式，亦可组成多种图案，丰富外立面选型。
幕墙部分的功能就是把光伏面板纳入幕墙体系，以实现光伏发电的目的。幕墙部分主要由转接件、主龙骨立柱、交龙骨横梁、防水保温系统等组成。光伏幕墙典型构造如图3。
图3 光伏幕墙构造节点
光伏幕墙主龙骨立柱是承受幕墙竖向支撑的主受力组件，是整个幕墙结构体系的安全保障。幕墙结构体系在受到重力荷载、地震荷载、风荷载等外部荷载作用时，可通过立柱将荷载传递至混凝土主体结构，进而确保整个结构体系的安全。光伏幕墙次龙骨横梁将其接收的荷载通过连接件传递至立柱，进而形成完整的光伏幕墙支撑体系。
各组件的作用如下：①主龙骨立柱：光伏幕墙主受力组件，除承担光伏玻璃等构件的自重荷载外，还要承担外部环境施加的震动荷载、风荷载等。同时，还要通过连接组件把光伏幕墙固定在建筑物外墙上，并在其后部布设光伏电缆。②次龙骨横梁：光伏幕墙次受力组件，除承担光伏玻璃等构件的自重荷载外，还要将横向荷载传递至立柱，与立柱等组件共同构成了光伏幕墙支撑体系，并在其上下侧布设光伏电缆。③光伏玻璃、光伏电缆：光伏玻璃将接收的光能转化为电能，然后通过光伏电缆将电能传输到用电设备或城市电网，是光伏幕墙系统光电转换和电能传输的主要组件。④转接件及其他防水保温系统：连接件是立柱横梁之间，立柱与主体结构之间的传力装置。光伏幕墙还要有严密的防水系统，以确保在光伏幕墙工作状态下不漏水。保温系统是建筑功能要求，也是光伏幕墙的组成之一。
4工程应用实例
图4 宁波申洲19#楼光伏幕墙（面积600㎡，装机容量35KW）
图5 深圳华为安托山总部大楼（面积28000㎡，装机容量1500KW）
5结语
光伏幕墙因为多彩多变的表现形式，越来越多的被建筑师接受。并且其具备节能减排、合理利用资源、保护环境及清洁能源的优点，已逐渐应用于建筑行业，并将成为现代建筑行业的发展趋势。同时，随着智能建筑的发展，逐渐呈现出智能化和多样化的特点，其应用具有广阔的发展前景。
参考文献
[1]玻璃幕墙技术规范JGJ102-2003
[2]朱尔立．光伏建筑一体化（BIPV）在绿色建筑中的应用[J]．绿色环保建材，2018（12）
[3]龙文志．太阳能光伏建筑一体化[J]．中国建筑金属结构，2009（07）
[4]浙江省建筑幕墙工程技术标准DB33/T1240-2021
