光伏建筑一體化中光伏組件安裝方式的影響

趙思真，張麗瑩，胡文俊，胡長冬

（上海太陽能科技有限公司，上海 201108）

近年來，國外推行的光伏建筑一體化（BIPV）極大地推動(dòng)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。在城鎮(zhèn)建筑物上安裝的光伏系統(tǒng)，通常采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式。由于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力。光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要。夏天是用電高峰季節(jié)，也正好是日照量最大、光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多的時(shí)期，對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用。光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。

但建筑中的光伏發(fā)電具有更多的限制因素，需要進(jìn)行深入的分析和設(shè)計(jì)。電池板的方位角和傾斜角，光伏陣列的通風(fēng)和間距等都是影響光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的重要因素。與光伏發(fā)電廠相比，BIPV設(shè)計(jì)中的光伏系統(tǒng)受到氣候、環(huán)境、建筑功能、造型等因素的限制，需要綜合考慮在建筑中光伏系統(tǒng)的安裝位置和安裝方式的可能性［1］。

BIPV技術(shù)要求建筑設(shè)計(jì)有一定的前瞻性。如果在建筑策劃階段、建筑方案設(shè)計(jì)階段就能夠考慮到光伏應(yīng)用，其產(chǎn)生的效益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于建筑設(shè)計(jì)后期再介入［2］。影響B(tài)IPV的發(fā)電量的因素有很多，組件的安裝方式只是其中之一。本文對不同組件類型、安裝方式、成本和發(fā)電量進(jìn)行分析和比較，總結(jié)了優(yōu)化組件安裝的一些因素、措施與需要解決的問題。

1 光伏組件與安裝方式

1.1 常規(guī)晶硅組件

常規(guī)晶硅組件指的是有框單晶／多晶光伏組件，即將鋼化玻璃、EVA膠膜、晶硅電池片、背板材料層壓后，由邊框材料（一般為鋁合金）包覆的光伏組件。由于受到降低光伏系統(tǒng)成本需求的推動(dòng)，現(xiàn)已從多個(gè)方面著手降低光伏組件的制造成本，包括提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率、通過電池片排布優(yōu)化提高組件單位面積的發(fā)電量、使用價(jià)格較高材料的替代材料等。此外，目前已出現(xiàn)雙玻無框的晶硅組件，是在組件背面粘貼兩條支撐梁，然后通過緊固件將組件固定于支架上。這種組件的結(jié)構(gòu)形式跟雙玻BIPV組件一樣，只是安裝方式不一樣。

常規(guī)組件的安裝方式有安裝孔、壓塊和滑槽等。不同的安裝方法將匹配不同的外部載荷要求。無論哪一種方式，光伏組件安裝在屋頂時(shí)（與建筑結(jié)合時(shí)一般都是安裝在屋頂，但是也有極少數(shù)的立面及遮陽的應(yīng)用）都需要結(jié)合屋頂?shù)某休d能力、防水性能等進(jìn)行考慮。在屋頂安裝光伏系統(tǒng)會(huì)增加屋頂?shù)暮爿d荷，這需要建筑的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行承載能力的校核。在屋頂附加的光伏系統(tǒng)可在一定程度上降低建筑的冷／熱負(fù)荷，從而降低建筑能耗。

1.2 雙玻晶硅BlPV組件

雙玻晶硅BIPV組件由玻璃—膠膜—太陽電池—膠膜—玻璃5層組成。其中，膠膜可以是EVA，也可以是PVB。作為普通光伏組件，只要通過IEC 61215的檢測，滿足抗風(fēng)壓（130km／h，2 400Pa）和抗25mm直徑冰雹（23m／s）的沖擊要求。用做幕墻面板和采光頂面板的光伏組件，不僅需要滿足光伏組件的性能要求，還要滿足幕墻的三性實(shí)驗(yàn)要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。根據(jù)安裝位置的不同，可將雙玻晶硅BIPV組件分為光伏幕墻、光伏頂棚和光伏遮陽3種方式（見圖1）。

圖1 雙玻晶硅BIPV的3種安裝方式

（1）光伏幕墻

除發(fā)電功能外，要滿足幕墻所有功能要求，包括外部維護(hù)、透明度、力學(xué)、美學(xué)、安全等，組件成本高，光伏性能偏低；要與建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工和安裝，光伏系統(tǒng)工程進(jìn)度受建筑總體進(jìn)度制約；光伏陣列偏離最佳安裝角度，輸出功率偏低；發(fā)電成本高。

（2）光伏頂棚

要求組件透明（透光率根據(jù)建筑的需求進(jìn)行調(diào)整，光伏組件透光率越大，電池片的排布就越稀，其發(fā)電功率也會(huì)越小），組件效率較低；除發(fā)電和透光外，頂棚構(gòu)件要滿足一定的力學(xué)、美學(xué)、結(jié)構(gòu)連接等建筑方面要求，組件成本高；發(fā)電成本高。在用作采光頂時(shí)，除具備常規(guī)采光頂?shù)幕竟δ苤猓€能起到降低熱負(fù)荷、減弱眩光、增強(qiáng)美觀性等作用。最重要的是，在白天電力負(fù)荷的高峰時(shí)段，光伏頂棚在常規(guī)采光頂?shù)幕A(chǔ)上，還可以發(fā)出一定的電力供建筑物使用，可在一定程度上起到電網(wǎng)削峰的作用。

（3）光伏遮陽

在建筑上需要遮陽的地方無論是立面還是采光頂，無論在室內(nèi)還是室外，一定是受陽光照射最強(qiáng)烈的地方，也正好是最需要太陽輻射的光伏系統(tǒng)的最佳安裝位置。加入光伏元素的遮陽系統(tǒng)稱之為光伏遮陽系統(tǒng)，由于附加光伏系統(tǒng)后對建筑性能的影響較小，光伏遮陽系統(tǒng)成為建筑光伏一體化最佳的集成方式之一。

1.3 非晶硅薄膜組件

非晶硅太陽能電池有多種不同結(jié)構(gòu)，并且其結(jié)構(gòu)各有不同。非晶硅太陽能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造。在一個(gè)平面上，可以用適當(dāng)?shù)难谀９に嚕淮沃谱鞫鄠€(gè)串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。

盡管非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，非晶硅光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S—W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池。疊層太陽能電池是在制備的pi-n單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)p-i-n子電池制得的（即兩層及三層結(jié)構(gòu)的疊層電池）。

由于非晶硅薄膜組件對弱光的響應(yīng)性能較好，因此即使存在部分遮擋，組件也能照常發(fā)出電力，不存在晶硅電池組件的“熱斑”效應(yīng)。除粘貼的安裝方式外，該組件還可用連接件固定的方式進(jìn)行安裝。相對于粘貼法，此法安裝可為背面提供一定的通風(fēng)空間，有利于組件的散熱，從而提升組件的發(fā)電量。但是，作用于組件的載荷集中在連接點(diǎn)處，因此此方法安裝的組件的抗載荷能力有所下降。

2 成本比較

通過對光伏組件多種安裝方案進(jìn)行初略的成本估算，并結(jié)合發(fā)電量進(jìn)行分析，來比較不同安裝方式之間的區(qū)別。假設(shè)各方案的建設(shè)地點(diǎn)均為上海（N 31.2°，E 121.5°），其他系統(tǒng)配置信息如表1所示。

表1 不同安裝方式的方案配置

根據(jù)表1所示配置，對不同組件的安裝材料費(fèi)、人工費(fèi)以及設(shè)備費(fèi)進(jìn)行了初步估算，如表2所示。表2中的費(fèi)用僅包含安裝光伏組件的材料費(fèi)、人工費(fèi)及設(shè)備租賃使用費(fèi)，安裝人工費(fèi)為25元／（小時(shí)·人）。表2中的估算費(fèi)用與市場價(jià)可能存在一定偏差，僅作參考。

由表2可知，柔性薄膜非晶硅組件的安裝成本最低；BIPV組件的安裝成本較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于附加型安裝方式（包括常規(guī)組件的安裝及非晶硅薄膜組件的安裝），但是BIPV組件可直接取代常規(guī)的建筑構(gòu)件。

表2 對不同組件的安裝成本進(jìn)行估算

3 發(fā)電量分析

通過PVsyst軟件的模擬分析，獲得4個(gè)方案的發(fā)電量數(shù)據(jù)如圖2至圖5所示。該結(jié)果是在除配置不同的組串外，其他的系統(tǒng)參數(shù)均一致的環(huán)境下獲得的。由于軟件不能對組件散熱能力進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，故不能比較其工作環(huán)境溫度對發(fā)電量的影響。各方案的年發(fā)電量數(shù)據(jù)見表3。

圖2 方案一每千瓦發(fā)電量和發(fā)電效率

表3的數(shù)據(jù)表明，通過方案二與方案三的比較可知，BIPV組件立面安裝和3°傾角安裝將給發(fā)電量帶來很大的差異，達(dá)到40%；通過方案三與方案四的比較可知，在相同安裝傾角的情況下，由于非晶硅薄膜組件的弱光性能更優(yōu)，其發(fā)電量較BIPV組件提高約20%；通過方案一與方案四的比較可知，非晶硅薄膜組件屋頂安裝的發(fā)電量優(yōu)于最佳傾角安裝的常規(guī)晶硅組件，高出約6.5%。

表3 各方案發(fā)電量數(shù)據(jù)匯總

4 結(jié)論

通過對不同安裝方式的成本及發(fā)電量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，不同安裝方式對應(yīng)的指標(biāo)變化趨勢不盡相同。雖然方案二（南立面幕墻安裝）的安裝成本高，但是其每瓦年發(fā)電量卻是4個(gè)方案中最低的，其主要原因是受組件安裝傾斜角度的影響；方案四安裝簡便、快捷、成本低，但是由于采用了非晶硅薄膜電池，其發(fā)電量較同等安裝條件下的BIPV組件更高，甚至比最佳安裝傾角下常規(guī)晶硅組件的發(fā)電量更高。

圖3 方案二每千瓦發(fā)電量和發(fā)電效率

圖4 方案三每千瓦發(fā)電量和發(fā)電效率

圖5 方案四每千瓦發(fā)電量和發(fā)電效率

因此，對于不同類型的光伏組件，并不存在一種最佳的安裝方式適用于所有的安裝環(huán)境，只是在不同的安裝環(huán)境下，結(jié)合組件的具體特點(diǎn)而存在一種最優(yōu)化的安裝方案。唯有充分認(rèn)識(shí)不同類型組件的特點(diǎn)，才能結(jié)合實(shí)際的工程環(huán)境來選擇最優(yōu)化的安裝方案。

雖然BIPV系統(tǒng)有眾多的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ泊嬖谝恍﹩栴}需要解決。如何平衡其優(yōu)缺點(diǎn)，是在項(xiàng)目決策階段需要綜合考慮的問題。

（1）強(qiáng)度和韌性的要求

建筑物作為遮擋物，需要日曬雨淋，光伏材料作為建筑材料也需滿足一定強(qiáng)度的要求。此外，建筑物一般使用壽命長達(dá)幾十年，甚至上百年，而目前光伏材料壽命最長20多年，故需要提高光伏建筑材料的使用時(shí)限。

（2）外觀問題

當(dāng)太陽能電池作為幕墻或者天窗時(shí)，考慮到美觀以及電池板的反光造成光污染現(xiàn)象，需要對太陽能電池的顏色和反光性提出要求。另外，當(dāng)太陽能電池作為天窗或者窗戶時(shí)，會(huì)將陽光擋住從而影響室內(nèi)的亮度，因此對太陽電池的封裝材料的透光性也有一定的要求。

（3）建后維護(hù)問題

由于光伏材料處于建筑物的外表面，長期暴露在空氣中，久了必會(huì)堆積灰塵，阻擋陽光的射入，從而影響光電轉(zhuǎn)換效率。故對光伏建筑材料的建后維護(hù)頻率有一定的要求。

（4）成本問題

BIPV組件的安裝成本較常規(guī)組件的安裝成本高出很多，這也是其還未成為主流安裝方式的主要原因之一。但是，隨著對BIPV安裝方式研究的深入，相信在將來此形式的光伏組件的應(yīng)用會(huì)得到推廣，成本也會(huì)逐漸降低。

［1］ 任建波，王一平，田瑋，等.城市環(huán)境下的光伏建筑一體化［J］.太陽能，2007（3）：36-38.REN Jian-bo.BIPV in cities［J］.Solar Energy，2007（3）：36-38.

［2］ 匡蕘，柳孝圖.建筑的形態(tài)、環(huán)境與光伏系統(tǒng)輸出功率差異［J］.華中建筑，2004（5）：84-85.KUANG Rao，LIU Xiao-tu.Configuration and environment of building and the difference of output power of photovoltaic system［J］.Hua Zhong Architecture，2004，22（5）：84-85.