長春地區居住建筑太陽能構件適配性設計研究

趙 暉 謝偉雙 郭格靜 佟子睿

/長春工程學院建筑與設計學院

長春地區居住建筑太陽能構件適配性設計研究

趙 暉 謝偉雙 郭格靜 佟子睿

/長春工程學院建筑與設計學院

構建適配問題是太陽能建筑一體化的技術關鍵，在分析太陽能組件的設計特點的基礎上，結合長春地區示范工程的建設特點及要求，提出建設性意見。

太陽能構件；適配性；調研

1.太陽能電池板與建筑屋頂適配性設計的特點

太陽能電池板是由太陽能電池組件組合而成的。太陽能電池板在建筑屋頂設計一體化的應用上比太陽能集熱器優勢更大。

首先，太陽能電池板重量輕、厚度薄、建材化的太陽能電池板對屋頂的荷載小。因此，在屋頂上預先預埋支架便能有效的將太陽能電池板成功的安裝。

其次，太陽能電池板是由很多個片狀形式的太陽能電池組件組合而成，其在工程項目應用中可以根據實際需求靈活定制。

最后，太陽能電池片根據制作材料不同，其力學性能、電學性能和顏色均有變化。比如多晶硅太陽能電池片多個組合而成的太陽能電池板表現出來的顏色為綠色、藍色、金色和紅色等多種顏色，可根據建筑各自的性質適當選擇，以豐富屋面的色彩，本試點工程選擇藍色太陽能電池板。

2.太陽能電池板與建筑屋頂適配性設計的形式

理想的太陽能光伏屋頂系統首先必須具有防風避雨以及審美的功能，這表明它應具有以下基本要求：

第一，能較容易與其它建筑屋結構設計合成一體，保證建筑自身必須的防水，與普通瓦的成本接近并同樣具有持久性能。

第二，太陽能光伏系統與普通建筑屋頂安裝做法相同或接近，同時必須符合建筑標準規范。

第三，理想的太陽能光伏系統可以由傳統的建筑屋面安裝工完成。

第四，太陽能光伏系統線路連接必須符合相關規范，避免由于電線、接線盒以及安全性不同而導致的系統復雜化。

第五，太陽能光伏系統留有簡便的維修空間。

太陽能電池板與住宅屋頂設計一體化的形式主要體現在以下幾方面：

第一，在坡屋頂建筑的屋面結構上附加太陽能電池板的支架，保證其與屋面之間保持一定的架空層，架空層不小于100mm，這樣有利于太陽能電池板背面的降溫和通風。合理選擇太陽能電池板的形式、功率和顏色，在坡屋頂協調布置，使建筑整體具有美觀性。

第二，太陽能電池板安裝于整個坡屋面的南向、西向和東向坡面，其節省和替代了普通瓦的安裝，每組太陽能電池板之間用鋁合金框與屋面結構固定，太陽能電池板之間用黑色塑料密封，起防水作用，保證該屋頂太陽能光伏系統有25年的壽命。

第三，建材化屋面太陽能光伏瓦，其外觀形狀、安裝形式與普通屋面瓦相似。例如：Star Unity AG生產的陽光瓦（Sunny Tile），瓦片長440mm，寬260mm，厚35mm。1m2的屋面需要13塊陽光瓦，每塊重量約為1kg。

3.吉林省長春市朝陽區52.25kW太陽能光伏發電項目調研

筆者在論文創作期間對吉林省長春市當地的太陽能光伏發電項目做了調研，該項目位于長春市朝陽區修正路與震宇街交匯南200米，地理位置為北緯43.825°，東經125.295°，項目設計單位是中電電氣光伏電站事業部，該光伏發電項目的發電系統采用用戶側并網發電系統技術方案，該項目的總裝機容量52.25kW太陽能光伏發電項目，太陽能電池板順支架平面安裝。光伏發電站的優點是無污染、建設周期短、維護簡單、能源質量高、穩定性好、使用壽命長和不受太陽能資源分布地域性的限制。

通過國際通用衛星數據庫得到以下氣象信息，該項目采用的太陽能電池板的規格是1640mm*990mm*40mm，最大額定功率P為250W，選用了陽極氧化的抗腐蝕的鋁合金材質邊框作為剛性支撐，傾角為30°，每塊太陽能電池板由60個規格為156mm*156mm的太陽能電池片組成，把電流和電壓都很小的單片太陽能電池片經過串聯獲得高電壓，再經過并聯獲得高電流，把它們封裝在一個鋁合金邊框上，上面依次安裝光伏鋼化玻璃，封裝EVA，太陽能電池片背面的背板、充入氮氣、密封，整體稱為太陽能電池組件，俗稱太陽能電池板，接著通過二極管（防止電流回輸）輸出，當太陽能電池板局部產生熱斑現象的時候，二極管將工作，讓主電流不再從有熱斑的太陽能電池片上通過，從而限制太陽能電池板發熱和性能損失，再通過逆變器將光伏產品在光照情況下產生的直流電能轉變為日常能使用的交流電，將交流電儲存在光伏配電柜里，供日常使用或賣到公用電網。該項目屋頂總計有200塊太陽能電池板，板與板間隔20mm，經板底接線盒串連共同發電，其中單晶硅太陽能電池板共計90塊，每塊單晶硅太陽能電池板功率為275W，型號為275W-60M，多晶硅太陽能電池板共計110塊，每塊多晶硅太陽能電池板功率為250W，型號為250W-60P，經技術人員計算，其日平均發電量1kWh，即1度電，國家補助為0.14元/kWh，并網賣電價格為0.88元/kWh，按市場價格每4元/瓦的價格，太陽能電池板的價格約為1000元/塊，太陽能電池板標準條件發電為25℃，可承受的最低溫度為零下50℃，屋頂每天的總發電量最大為350kWh，年平均每天的總發電量為200kWh。

4.結語

綜合長春海外學人創業園住宅試點工程的地理位置，建筑設計狀況等因素，筆者采用嵌入式瓦屋面光伏電池與坡屋面的結合應用方案，屋面多晶硅太陽能電池板發電，為住戶日常所需的電視、電燈、空調等供給電力，多余的電用太陽能蓄電池儲存，或者余電上網，到公共電網賣掉，與建筑一體化的太陽能熱水方面，住宅采用集中集電，分戶供水的綜合系統，綜合住戶的電熱水器，因為考慮到電熱水器儲熱水水量有局限性，為保證住戶突然的熱水需求以及維修管理簡單方便，因此在住宅屋頂為每為住戶設置獨立的儲熱水箱，綜合試點工程分析了工程最佳適配的太陽能建筑一體化系統，同時調研了長春當地屋頂安裝的太陽能工程，獲得了長春地區多晶硅太陽能電池板的具體發電數據，經濟效益，為當地太陽能建筑設計提供數據參考。

[1]鄧曉敏，沈輝．屋頂計劃催生光伏瓦．太陽能，2005年．第六期：24-25.

[2]Maria Cristina Munari Probst, Christian Roecker.Towards an improved architectural quality of building integrated solar thermal systems(BIST).Solar Energy, 2007(81): 1104-1116.

[3]王麗穎，王智宇．嚴寒地區居住類建筑節能75%的關鍵技術研究[J]．長春工程學院學報（自然科學版），2015，02：65-67+108.

1.趙暉（1967.04-）,男,漢,長春工程學院建筑與設計學院副教授（碩導）,研究方向：建筑設計及其理論、建筑技術。

2.謝偉雙,郭格靜,佟子睿均為長春工程學院建筑與設計學院研究生。