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发布时间:

2024-05-21 16:43

来源:中南幕墙  作者:梁曙光 梁书龙 胡博 吴跃扩 

摘要: 本文按照光伏面板布置,发电量计算,构造设计三个在设计阶段经常遇到的要点分析,具体在光伏幕墙形式,分格设计,倾角优化、阴影遮挡、发电量计算、构造的避位、布线、调节面板角度等维度展开细节分析。得出不同类型建筑光伏幕墙的优选安装形式、晶硅及薄膜光伏组件的尺寸推演过程、安装倾角和发电功率的关系、简单发电量计算方法、光伏幕墙构造设计原理等设计参考依据,给初步接触光伏幕墙的建筑和幕墙设计师以及相关单位人员提供设计参考。

关键词: 光伏幕墙;倾角;分格;阴影;发电量;构造 

0 引言

光伏幕墙是含有光伏构件并具有太阳能发电功能的幕墙。为了应对气候危机,设置光伏幕墙的建筑数量呈现上升趋势,所以光伏幕墙设计技术亟待普及。光伏幕墙的设计通常理解是在传统幕墙的设计基础上,额外再考虑的光伏发电面板布置倾角、分格优化,龙骨构造,减碳量计算等工作。设计出的光伏幕墙要实现效果美观、发电效率优异,施工安装、拆卸、维护方便。本文按照光伏面板布置,发电量计算,构造设计三个在设计阶段经常遇到的要点展开分析。

1 光伏面板布置

1.1 光伏幕墙形式

光伏幕墙的形式按照安装位置可分为大面幕墙、层间幕墙,光伏栏杆,光伏采光顶,光伏遮阳构件;按照安装材料可分为晶硅板发电幕墙和薄膜发电幕墙;按照安装效果不同可分为透光幕墙和非透光幕墙。因为光伏的安装形式的选择直接影响建筑外立面效果和发电效率,所以在建筑方案的前期阶段确定。根据建筑造型特点、使用功能需求,光伏幕墙形式选用的优先级也有区别。从透光效果方面考虑,薄膜发电组件一般优于晶硅组件。从发电效率方面考虑,晶硅组件一般优于薄膜发电组件。对常见建筑类型的光伏幕墙的可行性与优先级分析如下。

1)住宅建筑中,南立面由于窗户较多,实墙面小而分散,优先设置透光的光伏栏杆。山墙面实墙面积较大,优先安装不透光的光伏发电效率较大,经济型较高的大面幕墙。

2)大型商业建筑中,建筑的采光主要靠内部照明,自然采光的重要性比住宅建筑要低一些,立面多为玻璃幕墙或大面积的实墙面,玻璃幕墙考虑透光的大面幕墙,实墙面考虑不透光的大面幕墙。不能忽略的是商业建筑通常会设置大面积的采光顶,可考虑透光的光伏采光顶。

3)办公建筑中,主要使用空间对采光要求较高,而辅助空间采光要求不高,考虑立面效果统一,这些空间对应的幕墙可用于安装透光的光伏组件。在建筑的层间可设置不透光的光伏组件,此外,办公建筑对遮阳有一定要求,可结合遮阳功能,设置外置光伏遮阳构件。

4)文化建筑中,建筑形体整体性较强,立面元素较为规整,多为大面积墙面或玻璃幕墙;而室内采光主要靠电气照明解决,对自然采光的要求稍低,因此可充分利用立面资源安装不透光大面幕墙。

综上分析,不同类型建筑的光伏幕墙安装形式见表1:

1.2 分格设计

本文将幕墙分格设计以晶硅和薄膜两种不同材质的面板展开分析。因为光伏组件的尺寸并未强制规定,所以每个厂家的大批量生产的光伏组件尺寸均存在不同,所以具体设计时,应先从厂家获取待使用组件的尺寸,避免设计完成后,没有对应的可以购买的光伏组件产品。首先建议幕墙分格尺寸按照厂家的标准组件尺寸设计,因为加工工艺及加工方式等原因,加工定制不同尺寸的光伏组件,有时并不能得到想要的组件尺寸,可以生产,还可能对工程工期造成影响。因此了解光伏组件加工原理,对自我把握可定制尺寸有较大的意义。

对晶硅组件来讲,太阳能电池片是光电转换的最小单元,常见的尺寸有156mmx156mm、166mmx166mm、182mmx182mm、210mmx210mm。一般情况下,标准晶硅组件的尺寸约为2000mmx1000mm。定制光伏组件尺寸,首先确定电池片的规格,然后确定电池片之间的间隙尺寸及电池片与玻璃边缘的尺寸,经过简单的计算,组件尺寸就可以确定了,使用定制组件前务必与光伏组件厂家沟通交流。图1为定制晶硅光伏组件。

图1 定制晶硅光伏组件

对薄膜组件来讲,标准薄膜组件的尺寸为1200mmx600mm。小于1200mmx600mm的尺寸可以通过裁切薄膜获得,大于1200mmx600mm的尺寸,则发电薄膜需要拼接,例如想获取1500mmx800mm的组件,则可以选用3部分800mmx500mm的发电薄膜拼接获得。因为工艺要求限制,拼接位置往往会有一道明显的黑色拼缝。同样使用定制组件前务必与光伏组件厂家沟通交流。图2为定制薄膜光伏组件。

图2 定制薄膜光伏组件

1.3 倾角优化

光伏倾角优化主要考虑两方面的因素。一方面是保证光伏组件尽可能多的接收到太阳辐射,另一方面要考虑建筑整体的效果,保证光伏组件与建筑结合的协调性。对于每一种形式,在设计时需要充分挖掘其特点来平衡优势与不足,获得最佳的平衡点。光伏幕墙朝向和倾角与发电功率的关系可参考下图3。

图3 光伏幕墙朝向和倾角与发电功率的关系

从图3可以看出在北半球光伏组件朝南时,获得最大的太阳辐射量。倾斜角对于光伏组件获得太阳辐射量的差异非常大,倾斜角为90度时的太阳辐射值仅为最佳倾斜角度的70%。因此,在光伏幕墙设计中,对于层间幕墙、光伏采光顶、光伏遮阳构建等可以调节倾斜角度的项目,尽可能设计成最佳倾斜角度使光伏组件获得最大的光照辐射量。对于东、西两个朝向的光伏系统,可以选用弱光性较强的非晶硅组件来确保延长发电时间,以提升发电量。

最佳倾角的获得方法,以杭州为例,采用PVsyst软件计算,根据组件在不同倾角下年平均太阳辐射量,得出年平均太阳辐射量最大的角度作为最佳倾角。不同角度倾斜面上年平均太阳辐射量数据,见下表:

从上表看出,倾角为20-24°时全年接收到的太阳能辐射量最大。采光面最优安装角度最大辐射量为1266 kwh/m²。放大角度范围,见图4,可以分析得到,角度从0°趋于最优角度时,倾斜面得到总辐射量缓慢增长,角度大于最优角度之后,太阳辐射量的损失开始较大幅度减少。

图4 杭州地区不同角度阵列面年平均太阳辐射量相对于水平面的比值

光伏幕墙的安装角度,需要建筑方案设计师和光伏幕墙设计师们反复打磨,最终确定。

1.4 避免阴影遮挡

在光伏组件中,被阴影遮蔽的部分将会变成负载,导致组件局部温度过高,严重的会烧坏组件,甚至引起重大火灾,这就是光伏组件的光斑效应。因此,光伏面板的任何部分遮蔽源都将在很大程度上导致输出功率的降低。Deline的研究表明,对于串联系统,一处阴影遮挡可造成相当于其30倍物理面积所产生的功率损耗。对于晶体硅太阳电池,小遮挡即可引起大功率损失。所以,在光伏幕墙设计时,受阴影影响较大的场景,要运用相关的非晶硅薄膜电池,因为薄膜组件的电流密度较小,阴影遮挡的影响要比晶体硅电池小得多。设计师需采用阴影分析专业工具,充分考虑环境遮挡物和安装构件产生的阴影,精确计算光伏组件全年接受的太阳辐射量。阴影分析的工具非常多,国内外大部分的软件只能分析屋面,或者地面电站的阴影遮挡,建筑立面的的复杂阴影分析可以采用Solar PV软件,见图5。

图5 Solar PV软件辐照分析图

另外,要充分考虑光伏幕墙的清洗方案,及时清理光伏发电面板表面的鸟粪、树叶、灰尘等。

2 发电量计算

发电量的计算是建筑开发单位和设计单位很重视的参数,因为建筑和光伏的结合根本目的是发电,发电越多,能够节省更多的能源,减少更多的碳排放。在建筑设计的前期方案阶段,发电量可以粗估计算,光伏幕墙具体设计阶段,要详细准确计算系统的发电量。发电量计算的公式通常采用《光伏发电站设计规范》GB50797-2012,发电量计算章节中提供的公式:

式中:          

HA为水平面太阳能总辐射量(kW·h/m²,峰值小时数);          

EP为上网发电量;          

ES为标准条件下的辐照度(常数=1kW·h/m²);          

PAZ为组件安装容量(kWp);

K为综合效率系数。

综合效率系数K包括:光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。

1)水平面太阳能总辐射量可以去气象站购买,也可以通过专业的气象软件模拟,如NASA,Solargis,Meteonorm等。对于没有软件的人员,可以通过整理好的经验表格进行粗略查询。

2)组件安装容量公式:

式中:为每块组件的峰值功率,N为组件的数量。

3)综合效率系数与很多参数有关,一般通过专业软件计算,在发电量估

算时,光伏方阵倾角之外的系数可以按照80%-82%取值。因为光伏幕墙角度变化较大,光伏方阵倾角系数单独考虑。从图4可以粗估,90°立面的幕墙损失量大概在40%左右。

浙江中南幕墙设计院针对光伏设计流程及设计常见问题开发的软件、PVsyst、Solar PV、archelios、Solar edge等光伏相关软件提供较为精准的发电量计算服务。          

3 构造设计

幕墙作为建筑的外围护结构,是实现建筑功能,表达建筑造型很重要的组成。幕墙设计是一个涉及面非常广的学科,设计幕墙的时候往往要考虑材料、结构、构造、热工、光照、防雷、防火、功能、美观等等要求。光伏幕墙作为幕墙的一个下分种类,设计的时候不仅要满足普通幕墙设计的要求,同时在构造方面还要满足避位、布线、调节面板角度等的要求。

3.1 避位

光伏组件会设置接线盒,幕墙构件的组装要避开接线盒,避免干涉。太阳能电池组件接线盒在太阳能组件的组成中非常重要,主要作用是将太阳能电池产生的电力与外部线路连接。接线盒根据放置位置的不同分为背部接线盒和侧边接线盒。背部接线盒位于光伏幕墙组件背面端部或中部,侧边接线盒位于光伏幕墙组件前后或左右端部玻璃切割面。不同厂家设置的接线盒尺寸不一,不同幕墙系统接线盒优先选用的位置不同,见表3。

表3 不同幕墙系统接线盒优先选用的位置

光伏面板设置接线盒的一侧与幕墙构件的的距离要大于接线盒的尺寸,横梁上安装光伏幕墙组件时所用垫块应高于光伏幕墙组件的接线盒高度。

3.2 布线

幕墙具有装饰属性,光伏电缆的走线应当隐藏处理,传统的幕墙构造很难做到隐藏线缆的效果。而且因为没有预留线仓,走线需要在幕墙构件打孔,破坏了幕墙原本的构造,也给构件加工和现场安装增加了难度。所以在光伏幕墙设计初期就应当将布线考虑到构造设计中。

隐藏线缆的方式有三种,一种是部分幕墙自身结构满足隐藏线缆的要求,比如隐框幕墙的面板附框中可以走线,见图6,此种走线方式,不便于线缆维修;一种是幕墙龙骨自身设置线仓,见图7,布线完毕后,采用压盖将线仓封闭,这样保持原幕墙的效果,并且便于检修。需要维修的时候,拆开压盖即可;另外一种是额外设置线仓,见图8,将线缆隐藏到线仓里面,用于对于效果要求不高的位置,或者对于非透光的幕墙部位,线缆采用绑扎的方式梳理后放置到线仓中。

图6 龙骨自身构造隐藏线缆

图7 龙骨自身设置线仓(嘉兴光伏科馆)

图8 额外设置线仓

3.3 调节面板角度

满足大众对艺术美的追求,异形建筑的建造使用率在国内的建筑中占比率越来越多。异形建筑对构造的最主要要求就是幕墙面板可以实现任意角度拼接。一般采取设置可以旋转的铝合金附框转接框的方式吸收角度变形,如图9。做出的光伏幕墙每块幕墙面板的角度和方位角均存在差异,在角度、方位角差异不大的情况,电气部分的逆变器采用器具有MPPT(最大功率点跟踪)功能,采用多路MPPT组串式逆变器可解决光伏幕墙组件因安装位置或环境影响所造成电路并联。在角度、方位角差异大的情况,每个光伏幕墙组件可以单独设置微型逆变器,使每块可组件的输出功率都在最大功率点附近,大大削弱短板效应,减少发电量损失。

图9 具有角度调节的光伏幕墙系统

4 结论

本文具体在光伏幕墙形式,分格设计,倾角优化、阴影遮挡、发电量计算、构造的避位、布线、调节面板角度等维度展开细节分析。得出不同类型建筑光伏幕墙的优选安装形式、晶硅及薄膜光伏组件的尺寸推演过程、安装倾角和发电功率的关系、简单发电量计算方法、光伏幕墙构造设计原理等设计参考依据。在方案设计初期,方案设计师根据此设计过程可以判断设计建筑的安装位置及形式,判断安装角度,调整磨合出相对完善、考虑周全的方案图纸,避免后期对方案进行大的改动。在幕墙设计阶段,幕墙设计师可以根据此设计过程,在前期考虑周全幕墙分格,倾角,构造以及发电量的经济计算。

参考文献

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[4]鲁永飞,鞠晓磊,张磊,设计前期建筑光伏系统安装面积快速估算方法[J];建设科技,2019,02.

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