光伏系統與貴州山地民居一體化研究

張騰元 楊孫煒*

（1、六盤水師范學院，貴州 六盤水553004 2、水城區應急管理局，貴州 六盤水 553000）

1 貴州地區區域特征

貴州的土地以山地丘陵為主，基本沒有平原，早些時候交通不便利，所以貴州民居，特別是山地民居，在很大程度上都保留了其民法族文化特色。獨具個性的民族文化與地域文化，貴州山地民居大部分都是依山而建，以山為基石的吊腳樓，或者以山為原材料臨水而建的石板房，民居在建設過程中，充分利用自然條件的同時也大量應用其當地特有的建筑材料，建造出了一個個獨具民族風格的建筑族群[1]。

圖1 貴州地區特有的吊腳樓

從太陽能資源來看，根據相關資料[2]可知，從貴州省集中開發區的輻射站收集到的數據分析可知，其太陽總輻射量及太陽能資源穩定度按照《太陽能資源等級總輻射》(GB/T 31155－2014)中的相關等級劃分標準來看，全省資源處于豐富等級，盤州處于資源很穩定等級，水城、普安、興仁、興義、安龍處于資源穩定等級，其余地區在一般或欠穩定等級。穩定度等級自西向東逐漸降低，適合太陽能資源開發利用。

對于現在的貴州民居來說，應該在保留其原有的建筑理念的基礎上，與當代節能綠色的建筑理念相結合。貴州省蘊藏著豐富的太陽能資源，如果利用建筑技術，將光伏系統與貴州民居相結合，在改善居住環境的基礎上，還能起到減少建筑能耗，保護環境的作用。

2 貴州山地光伏民居建筑設計研究

根據對貴州省地理環境，氣候條件，人文特色及太陽輻射量綜合分析，對于現在的貴州山地民居來說，應該在保留其原有的建筑理念的基礎上，與當代節能綠色的建筑理念相結合。貴州省所在地區蘊藏著豐富的太陽能資源，如果利用建筑技術，將光伏系統與貴州山地民居相結合，不僅能改善居住環境，還能有效減少建筑能耗，保護環境。

根據對貴州省地理環境，氣候條件，人文特色及太陽輻射量綜合分析，擬在貴州省水城某地建造一座二層高度為6.39m，屋頂采用封閉式雙坡屋面，屋面傾角為30°的光伏民居一體化建筑，由于建筑屋頂位于建筑最高部位，接受日照條件最好，時間最長且幾乎不受遮擋，可以充分發揮光伏系統的優勢擬用光伏屋頂來進行光伏系統與貴州民居一體化設計研究。

圖2 硅太陽電池組件

光伏屋頂和普通屋頂相比，其承受的荷載除了風荷載、雪荷載以外，還包含光伏組件的自重、由于太陽電池組件需要經常清洗以保證其發電效率，故不存在積灰荷載。

按《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)[3]計算:

（1）永久荷載標準值計算

永久荷載主要包括太陽電池組件和零配件的自重，太陽電池組件的重量一般在30kg/m2左右，零配件按0.05kN/m2來算，可以得出永久載荷組合值0.35kN/m2。

（2）風荷載標準值計算

其中

wk-作用在建筑上的風荷載標準值(kN/m2)；

βz-風振系數；

μs-風荷載體型系數；

μz-風壓高度變化系數；

w0-基本風壓。

計算可得作用在其上的風荷載標準值wk=0.04kN/m2。

（3）雪荷載標準值計算

其中

sk-雪荷載標準值(kN/m2)；

μr-屋頂積雪分布系數；

s0-基本雪壓(kN/m2)；

計算可得雪荷載標準值sk=0.30kN/m2。

（4）荷載效應組合設計值計算

其中

S-荷載效應組合的設計值；

γG-永久荷載分項系數，取1.2；

2.4.3 Spearman相關分析 受訪者的醫院級別(ρ=-0.416，P<0.001)、職稱(ρ=-0.135，P<0.05)、最高學歷(ρ=0.386，P<0.001)與其對指南的認知情況相關；受訪者的醫院級別(ρ=-0.303，P<0.001)、最高學歷(ρ=0.261，P<0.001)與其對指南的應用情況相關。受訪者對指南的認知與應用情況相關(ρ=0.593，P<0.001)。

SGk-永久荷載效應標準值；

Swk-風荷載效應標準值；

Ssk-雪荷載效應標準值；

γw、γs-風荷載、雪荷載分項系數，為1.4；

ψw、ψs-風荷載、雪荷載組合值系數，分別為0.6 和0.7；

計算得S=0.75kN/m2

結合上述計算結果，對市面上常見的四種雙玻光伏組件在對邊簡支、四邊簡支、四點支撐的邊界條件下進行模擬，分析其彎曲性能是否能滿足建筑荷載規范要求。

3 雙玻光伏組件機械載荷試驗的有限元模擬

本文借助有限元軟件ANSYS 對太陽電池組件進行有限元分析。考慮到硅太陽電池組件中整體厚度遠小于其長寬且多層疊加這一特性，在進行數值模擬時，采用ANSYS17.0 中的Shell181 復合材料殼單元進行建模[4]。

采用相關文獻[5]-[6]中測試所得的材料力學性能參數。建立的矩形殼單元結構分為五層，自下而上分別是：背板玻璃，EVA，硅電池片，EVA，蓋板玻璃。盡管實際組件內部太陽電池片為不連續鋪設，但為簡化起見，此處將電池層視為連續一層鋪設的結構。計算模型如圖4 所示。

圖3 單晶硅雙玻光伏組件結構

圖4 計算模型

計算可知，在對邊簡支邊界條件下的硅太陽電池組件的應力云圖如圖5 所示，位移云圖如圖6 所示。

圖5 邊界條件為對邊簡支的硅太陽電池組件在0.75kN/m2荷載下第一主應力云圖(Pa)

圖6 邊界條件為對邊簡支的硅太陽電池組件在0.75 荷載下位移云圖(m)

4 結論

本文對在0.75kN/m2荷載下的四種不同尺寸的光伏組件分別在對邊簡支、四邊簡支、四點支撐這三種不同邊界條件下進行數值模擬，具體結果如表1 所示。

表1 各邊界條件下各尺寸組件第一主應力值(MPa)

從ANSYS 計算結果分析可知，對比表1 中的第一主應力值，四種尺寸，三種邊界條件下硅太陽電池組件的最大應力均位于組件的中間區域，大小均遠小于鋼化玻璃的最大強度，結合撓度云圖，可以得出，組件的中間區域是決定整個組件損傷情況的關鍵位置，在今后對BIPV 中硅太陽電池組件在該邊界條件下的安全性的研究中,應選擇組件中間段區域的最大應力為控制應力，其最大不能超過蓋，底板玻璃的極限應力。硅太陽電池組件其彎曲性能均滿足建筑荷載規范要求。但是，組件與建筑相結合時，還需要其承載時撓度變形不宜過大以保證該建筑的一體化美觀性。利用ANSYS 對該載荷下在三種邊界條件下的不同厚度尺寸組件的撓度進行計算，具體計算值如表2 所示。

表2 各邊界條件下各尺寸組件撓度值(mm)

對比表2 中的撓度值，可以得出，在四點支撐條件下，組件厚度偏小時，組件撓度變形較大，不僅影響建筑美觀性，還容易引起人們的恐慌心里，所以，當太陽電池組件與建筑屋頂一體化時，不建議使用四點支撐這樣的結合方式。綜合研究討論玻璃厚度，EVA 厚度及邊界條件這三種參數的不同對太陽電池組件彎曲性能影響，發現：在邊界條件不變的情況下，增大玻璃或EVA的厚度尺寸，都會降低太陽電池組件的撓度及應力，尤其是增加玻璃層的厚度，使太陽電池組件整體的撓度及應力出現大幅度下降。所以，在組件的設計中，應強化蓋，背板玻璃的性能，使組件撓度和應力降低，偏于安全。在玻璃或EVA的厚度尺寸不變的情況下，不同邊界條件的組件撓度和應力的分析中，在對邊簡支另對邊自由下和四邊簡支下的組件撓度幾乎相同，但是，四邊簡支的組件撓度和應力最小，采用四邊簡支的組件能承受較大的載荷，其變形較小且偏于安全。因此，安全性及經濟性的角度考慮，推薦使用厚度尺寸為3.2+1+3.2(mm)的硅太陽電池組件以四邊簡支的形式與貴州山地民居屋頂一體化。