□ 深圳金粤幕墙装饰工程有限公司 王春 万树春 董米丘
光伏建筑一体化概念的普及推广促使光伏幕墙（屋面）系统的技术近年来得到了迅速的发展。光伏幕墙（屋面）系统通过建筑物屋顶和墙面等围护结构与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用太阳能资源产生电能。光伏幕墙（屋面）系统除了具备光伏发电功能之外，同时还具有建筑外围护所必需的性能和独特的装饰功能。集光伏发电、建筑围护、建筑节能和建筑装饰于一体，充分体现了发展循环经济和可持续发展的建筑理念与发展潮流。
光伏幕墙（屋面）系统的技术概述
光伏幕墙（屋面）系统是光电转换技术、光伏幕墙构造技术、电能储存和并网技术等多学科结合的综合集成系统。
光电转换技术是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。以此技术为基础，人们研发了各种太阳能电池。目前用于光伏幕墙（屋面）系统的主要为晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
光伏幕墙构造技术结合光伏发电技术与建筑幕墙技术，研究、开发适用于不同建筑的光伏幕墙，使建筑幕墙在满足人们“景观、采光、通风”等使用功能的基础上，实现使建筑物自身利用太阳能生产电能。根据不同地区、不同建筑物的结构特点以及受光条件等情况，选择适宜的光伏玻璃组件设计构成光伏幕墙（屋面）系统。光伏幕墙（屋面）系统除了具有抗风压性能、水密性能、气密性能、隔音性能、保温和遮阳性能等建筑外围护所必需的性能和独特的装饰功能之外，同时还具备发电功能。达到建筑围护、建筑节能、太阳能利用和建筑装饰多种功能的完美结合。
光伏幕墙（屋面）系统供电方式有独立式和并网式两种。
光伏幕墙（屋面）系统的技术特点和适用范围
光伏幕墙（屋面）系统最大的特点在于，它集太阳能利用和建筑功能于一体。它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染。所发电力可供建筑使用，减少了建筑的用电费用。光伏建筑一体化为太阳能在城市中的大规模应用提供了一个非常适宜的平台，是最适合我国城市应用的太阳能利用方式。
光伏幕墙（屋面）系统可用于建筑物的外围护幕墙、遮阳系统、建筑屋面和采光顶等。
系统、建筑屋面和采光顶等。
光伏幕墙（屋面）系统的设计和性能要求
光伏幕墙（屋面）系统用光伏组件替代传统的建筑幕墙和屋面组件，将光伏发电与建筑围护融为一体，在设计时会带来许多需要考虑和解决的新问题。需要在系统设计时更多的考虑技术和美观这两个方面，才能有效的兼顾建筑立面的围护功能、室内环境的舒适、建筑外观效果和光伏发电等要素。
光伏幕墙（屋面）系统作为建筑外围护结构，首先必须具有防风雨、保温、 隔热、隔声、防雷、防火、采光、通风等多种使用功能，才能为人们提供安全舒适的室内环境。为满足这些要求，光伏幕墙（屋面）系统必须具备必要的物理性能。光伏幕墙（屋面）系统的物理性能主要有抗风压性能、水密性能、气密性能、热工性能、空气声隔声性能、平面内变形性能、抗震要求、耐撞击性能、采光性能等。目前，我国尚未出台相关的光伏建筑一体化产品标准，光伏幕墙（屋面）系统作为围护结构方面相关的物理性能要求，可参照国家标准《建筑幕墙》（GB/T21086） 的相关要求确定。
光伏幕墙（屋面）系统的性能要求和建筑物所在地的地理、气候条件有关，如在沿海台风多发地区，幕墙的抗风压性能和水密性能就需达到较高的等级。同时性能等级要求的高低还和建筑物本身的特点（建筑物体型、高度、造价）和使用功能有关。所以，光伏幕墙（屋面）系统的性能设计应根据建筑物所在地的气候、环境、建筑物体型、高度和建筑物的功能等要求通过设计计算合理确定。
比较普通幕墙，在进行光伏幕墙性能设计时应着重注意以下几个方面：
1、光伏系统设计与建筑设计密切配合：光伏幕墙（屋面）系统的设置要考虑最佳日照角度、日照量。选择没有遮挡、光照充足的建筑墙面（屋面）设计安装光伏系统。当光伏幕墙分布在建筑物不同的立面朝向时，其各个不同面的光照强度也不同，这将会造成组件间的电压、电流不同，影响整体的发量效率。这时可以考虑对建筑立面按光照度进行分区设计。有时，建筑立面常常会是由大小、形状不一的几何图形所组成，这也会造成组件间的电压、电流不同，这时也需要依据实际情况进行分格调整，使各光伏组件接近标准组件电学性能，以使各组件更好的匹配，从而达到最佳的整体发电效率。
2、光伏组件选用：光伏玻璃组件应依据不同位置、照度选取合适的类型，如用于建筑物墙面部分时，由于安装倾角往往不能达到最佳角度，光伏组件经常处于低光照度下，则宜选用弱光性能较好的光伏玻璃组件。建筑物的使用寿命一般在50年以上，因此，用于光伏幕墙（屋面）系统的光伏玻璃组件应选用转换效率满足要求、质量好的产品，一般应满足单晶硅光伏玻璃组件光电转换效率大于16%，多晶硅光伏玻璃组件光电转换效率大于14%，非晶硅薄膜电池光伏玻璃组件光电转换效率大于6%的要求。同时，光伏玻璃组件的使用寿命应大于20年，在设计使用年限内的最大输出功率衰减应不超过规定的要求。
3、光伏幕墙（屋面）系统的抗风压性能：当光伏幕墙（屋面）系统用于风压高的地区或建筑高层时，就需要光伏幕墙（屋面）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。同时光伏组件夹层玻璃胶片也宜选用（PVB）胶片。另外，在进行玻璃挠度控制方面，还需考虑不同种类的太阳能电池对玻璃组件挠度适应性方面的差异，而采取相应的挠度控制值来进行设计计算。
4、系统散热、降温要求：光伏幕墙（屋面）系统在发电时会产生热量，这时系统会因其负温度效因而导致发电效率的下降，此外还会将大量的热量带入室内，造成建筑耗能的上升。因此，在进行光伏幕墙（屋面）系统设计时，要采取相应的散热、降温措施，保证光伏电池温度不高于85℃。在需要时也可采用外循环双层幕墙形式，利用双层幕墙的烟囱效应带走双层幕墙中间通道内的热空气，在提高发电效率的同时降低能耗，同时营造更舒适的室内环境。
5、幕墙采光性能：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。太阳能光伏玻璃组件依据所采用的不同产品类型，为满足建筑透光要求而采用的方法各不相同。单晶硅和多晶硅光伏玻璃组件可以通过控制硅片电池间隙和边缘空隙来实现所需的透光率，同时电池片排列可设计成不同的组合形式，以满足不同建筑设计风格及各种不同的采光需要。光伏组件透光率要求越大，电池片的排布就越稀，其发电功率也会越小。所以，提高透光率是以牺牲发电量为前提的，因此在进行系统设计时要权衡考虑，在满足室内采光性能的同时达到尽可能大的发电量。同样非晶硅光伏玻璃组件的透光率也要根据不同建筑物的实际需要进行合理选取。
6、幕墙绝缘性能：在BIPV系统中，光伏幕墙直接安装在建筑墙面，人与其接触频繁，因此幕墙有良好的绝缘性能是十分重要的。光伏玻璃组件电池引出端必须有良好的绝缘性密封，光伏幕墙引出线在设计时应尽可能在幕墙框架内走线，并加上绝缘套管。对幕墙金属框架进行有效的接地连接。安装完的组件应通过相关的绝缘性能检测。
7、便于维护、更换：相对于普通幕墙而言，光伏幕墙（屋面）系统在日后的运行中将会有更多的维护、清洁和检修工作。为了方便系统的维护和保养，光伏组件应便于拆卸和更换，并便于清洗、保养。多雪地区和空气质量较差的地区，光伏系统设计时还需要考虑设置便于人工融雪、清洗的安全通道和设施。另外，光伏幕墙（屋面）系统作为建筑外墙和室内装饰的一部分，其色彩、透光率、造型和立面分格尺寸等外观效果，对建筑外立面的美观协调和室内环境的舒适和谐有着十分重要的作用。需要在设计时兼顾诸多因素并协调许多有着相互影响的多方面要求。
从幕墙构造形式来说，光伏幕墙（屋面）系统一般可考虑设计为框架式结构，隐框式、明框式、半隐框式均可，但采用明框式光伏幕墙时不宜选用外突尺寸太大的型材，以免型材阴影影响发电效率。需要时也可设计为点支承式结构。当采用点支承方式时，需特别注重考虑电路引出线的设计，避免引出线影响视觉效果。同时在支撑孔周边应进行可靠的密封处理。
光伏系统的输配电和控制用缆线应统筹安排，集中布置，满足安全、隐蔽、美观的要求，并方便安装维护。光伏组件的电路引出线在设计中应注意将其巧妙的隐藏在幕墙结构中 。
光伏玻璃组件依据所采用的不同产品类型，其色彩效果也各不相同。单晶硅和多晶硅光伏玻璃组件通常颜色为深蓝、蓝色或古铜色。非晶硅光伏玻璃组件颜色常见的为棕色和黑色，但随着BIPV的发展所带来的光伏组件用量的增加和建筑的不同需求，目前已出现了多种其它颜色的光伏玻璃组件可供选择。同时为满足建筑装饰效果要求，晶体硅玻璃电池排布应合理、美观，满足设计要求；薄膜类电池玻璃不应有明显的的斑点、彩虹和色差。
光伏玻璃组件的尺寸规格也需要根据实际工程的幕墙分格方案进行设计制作，以满足不同建筑设计的需求。
光伏幕墙（屋面）系统主要技术性能指标注：因目前我国暂无光伏建筑一体化的相关标准，上表中光伏幕墙（屋面）系统的抗风压性能、水密性能和气密性能分级按现行国家标准GB/T21086-2007《建筑幕墙》的要求。
光伏幕墙（屋面）系统的技术应用：
下面通过深圳金粤幕墙装饰工程有限公司设计、施工的河北保定电谷大厦光伏玻璃幕墙作为具体的应用案例来阐述光伏幕墙（屋面）系统技术应用。
电谷大厦光伏玻璃幕墙面积约4490m2，建成后整体并网安装容量300KW。具体分布为：位于塔楼南立面4-24层的隐框双层光伏玻璃幕墙；塔楼西立面5-18层的隐框光伏玻璃幕墙；裙楼三层中庭采光顶和东、南面入口雨篷，是采用隐框构造的屋面光伏玻璃组件。
为了减小工作温度升高对光伏组件发电效率的不利影响。同时更好地实现能源的合理利用，提高居住者的舒适度，酒店5-24层南立面光伏玻璃幕墙采用了双层幕墙的构造形式，即非开启部位外层为光伏夹层玻璃，而内层幕墙采用了透明中空防火玻璃，幕墙从底部进气、顶部出气，利用烟囱效应带走双层幕墙中间通道内的热空气，同时减轻了外部恶劣环境对室内的影响。
在项目开发中，我们与建筑师及光伏技术依托厂家的工程师积极配合，充分沟通，共同完成了以下目标；1 、完成了太阳能光伏玻璃幕墙（屋面）系统在建筑立面、采光顶及雨篷等不同部位的应用技术研究；2 、设计、开发了光伏玻璃幕墙的专用型材； 3 、开发了隐框式专用的光伏玻璃组件；4、 双层光伏玻璃幕墙的构造及通风换气以及防火等性能的解决方案；5、 隐框及明框光电玻璃幕墙的安装与布线。
小结
在进行光伏幕墙（屋面）系统设计时应充分兼顾建筑立面的围护功能、室内环境的舒适和谐、建筑外观效果和光伏发电等诸多要素，才能使其建筑围护、光伏发电和建筑装饰等多项功能完美统一。随着光伏发电技术与建筑幕墙技术的日益发展和融合，极具发展潜力的光伏幕墙（屋面）系统将会得到快速的发展。
