光伏幕墻建設技術要點分析
隨著全球氣候變化的加劇和“雙碳”目標的提出，建筑光伏一體化（BIPV）技術作為一種綠色建筑解決方案，正逐漸成為行業(yè)關注的焦點。光伏幕墻作為BIPV技術的重要組成部分，不僅具有美學價值，還能有效實現(xiàn)太陽能發(fā)電，降低建筑能耗。本文從光伏幕墻的形式選擇、分格設計、傾角優(yōu)化、陰影遮擋、發(fā)電量計算、構造設計等方面，對光伏幕墻建設技術要點進行分析，為BIPV行業(yè)和光伏幕墻行業(yè)人士提供參考。
▲ 采用碲化鎘透光發(fā)電玻璃的光伏幕墻
光伏幕墻的形式選擇
根據(jù)建筑造型特點、使用功能需求，光伏幕墻形式選用的優(yōu)先級也有區(qū)別。從透光效果及美觀度方面考慮，碲化鎘薄膜發(fā)電組件一般優(yōu)于晶硅組件。對常見建筑類型的光伏幕墻的可行性與優(yōu)先級分析如下：1、住宅建筑中，南立面由于窗戶較多，實墻面小而分散，優(yōu)先設置透光的光伏欄桿。山墻面實墻面積較大，優(yōu)先安裝不透光或者仿建材光伏產(chǎn)品，經(jīng)濟型較高的大面幕墻。2、大型商業(yè)建筑中，建筑的采光主要靠內(nèi)部照明，自然采光的重要性比住宅建筑要低一些，立面多為玻璃幕墻或大面積的實墻面，玻璃幕墻考慮透光的大面幕墻，實墻面考慮不透光的大面幕墻。不能忽略的是商業(yè)建筑通常會設置大面積的采光頂，可考慮透光的光伏采光頂。3、辦公建筑中，主要使用空間對采光要求較高，而輔助空間采光要求不高，考慮立面效果統(tǒng)一，這些空間對應的幕墻可用于安裝透光的光伏組件。在建筑的層間可設置不透光的光伏組件，此外，辦公建筑對遮陽有一定要求，可結(jié)合遮陽功能，設置外置光伏遮陽構件。4、文化建筑中，建筑形體整體性較強，立面元素較為規(guī)整，多為大面積墻面或玻璃幕墻；而室內(nèi)采光主要靠電氣照明解決，對自然采光的要求稍低，因此可充分利用立面資源安裝不透光大面幕墻。
分格設計
光伏幕墻的分格設計需考慮光伏組件的尺寸和加工工藝。由于光伏組件尺寸并非強制規(guī)定，每個廠家的標準組件尺寸可能存在差異，因此設計時需先獲取待使用組件的尺寸。建議幕墻分格尺寸按照廠家的標準組件尺寸設計，以避免加工定制帶來的工期延誤和成本增加。現(xiàn)在光伏幕墻大多采用碲化鎘薄膜光伏發(fā)電玻璃。現(xiàn)階段，行業(yè)標準薄膜組件的尺寸為1200mmx600mm（未來會有更大尺寸產(chǎn)品下線）。小于1200mmx600mm的尺寸可以通過裁切獲得，大于1200mmx600mm的尺寸，則發(fā)電基板玻璃需要拼接，例如想獲取1500mmx800mm的組件，則可以選用3部分800mmx500mm的發(fā)電薄膜拼接獲得。因為工藝要求限制，拼接位置往往會有一道拼縫。所以，在項目設計階段，務必與光伏組件廠家溝通交流。
▲ 透光碲化鎘光伏幕墻的應用效果
傾角優(yōu)化
光伏幕墻的傾角優(yōu)化是確保發(fā)電效率的關鍵。設計時需平衡光伏組件接收太陽輻射量和建筑整體效果的關系。在北半球，光伏組件朝南時能獲得最大的太陽輻射量。傾斜角對光伏組件接收太陽輻射量的影響非常大，傾斜角為90度時的太陽輻射值僅為最佳傾斜角度的70%。因此，在光伏幕墻設計中，對于層間幕墻、光伏采光頂、光伏遮陽構建等可以調(diào)節(jié)傾斜角度的項目，盡可能設計成最佳傾斜角度使光伏組件獲得最大的光照輻射量。最佳傾角的獲得可通過專業(yè)軟件如PVsyst進行計算，根據(jù)組件在不同傾角下年平均太陽輻射量來確定。
避免陰影遮擋
陰影遮擋會嚴重影響光伏組件的發(fā)電效率，甚至導致組件損壞。因此，在光伏幕墻設計時需充分考慮陰影遮擋問題。對于受陰影影響較大的場景，多選用碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃，因其電流密度較小，陰影遮擋的影響較小，安全性更高。陰影分析的工具非常多，國內(nèi)外大部分的軟件只能分析屋面，或者地面電站的陰影遮擋，建筑立面的的復雜陰影分析可以采用Solar PV軟件。另外，要充分考慮光伏幕墻的清洗方案，及時清理光伏發(fā)電面板表面的鳥糞、樹葉、灰塵等。
發(fā)電量計算
發(fā)電量是評估光伏幕墻系統(tǒng)性能的重要指標。發(fā)電量計算需考慮水平面太陽能總輻射量、組件安裝容量和綜合效率系數(shù)等因素。綜合效率系數(shù)包括光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)等。設計時可通過專業(yè)軟件進行發(fā)電量計算，確保系統(tǒng)發(fā)電效率滿足設計要求。
綜合效率系數(shù)K包括：光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。
水平面太陽能總輻射量可以去氣象站購買，也可以通過專業(yè)的氣象軟件模擬，如NASA，Solargis，Meteonorm等。對于沒有軟件的人員，可以通過整理好的經(jīng)驗表格進行粗略查詢。
綜合效率系數(shù)與很多參數(shù)有關，一般通過專業(yè)軟件計算，在發(fā)電量估算時，光伏方陣傾角之外的系數(shù)可以按照80%-82%取值。因為光伏幕墻角度變化較大，光伏方陣傾角系數(shù)需單獨考慮。以浙江地區(qū)為例，從圖5可以粗估，90°立面的幕墻損失量大概在40%左右。也可以通過Perez模型、HDKR模型或者Hay模型計算傾斜面太陽輻射量。
構造設計
光伏幕墻的構造設計需滿足普通幕墻設計的要求，同時在避位、布線、調(diào)節(jié)面板角度等方面還需滿足光伏系統(tǒng)的特殊要求。避位設計時需避開光伏組件的接線盒，避免干涉；布線設計時需考慮隱藏線纜，保持幕墻的美觀性；調(diào)節(jié)面板角度設計時需考慮異形建筑的需求，設置可旋轉(zhuǎn)的鋁合金附框轉(zhuǎn)接框等。
光伏幕墻建設技術要點涉及多個方面，包括形式選擇、分格設計、傾角優(yōu)化、陰影遮擋、發(fā)電量計算、構造設計等。在設計過程中需綜合考慮建筑造型特點、使用功能需求、太陽輻射量、陰影遮擋等因素，確保光伏幕墻系統(tǒng)既美觀又高效。隨著綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，光伏幕墻作為一種創(chuàng)新型的建筑集成太陽能解決方案，其市場前景廣闊，將成為未來建筑行業(yè)的重要組成部分。
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