深入了解BIPV光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)過(guò)程、影響因素

本文通過(guò)分析 BIPV 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、已建成項(xiàng)目的特點(diǎn)、BIPV 產(chǎn)品的特點(diǎn)，提出 BIPV 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注重的影響因素。

建筑光伏一體化系統(tǒng)是建筑專(zhuān)業(yè)與電氣專(zhuān)業(yè)相結(jié)合的新型專(zhuān)業(yè)，要滿(mǎn)足建筑專(zhuān)業(yè)、電氣專(zhuān)業(yè)的雙重要求，作為建筑的一部分時(shí)還特別需要注意滿(mǎn)足建筑的安全性和功能性。從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的角度而言，隨著太陽(yáng)能工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的逐年增多，光伏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等已日益健全，下面分別從國(guó)內(nèi)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面介紹。

?國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

迄今為止，國(guó)內(nèi)與建筑光伏一體化相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè) 、地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同可分為工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則側(cè)重于約定相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、安裝和功能性標(biāo)準(zhǔn)，主要包括建筑光伏組件或材料、建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)和建筑光伏組件的測(cè)試辦法。其中中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)在 2020 年組織研究并制定了《光電建筑技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括光電建筑圍護(hù)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)和光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，指出光電建筑使用的光電建筑應(yīng)具有功能：外圍護(hù)功能、發(fā)電功能，為建筑安全、可靠的電力來(lái)源。

? 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要制定者主要是國(guó)際電工委員會(huì)（International Electro technicalCommission ，簡(jiǎn)稱(chēng) “ IEC”）、歐盟 European Union ，簡(jiǎn)稱(chēng) “ EU”）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織International Organization for Standardization ，簡(jiǎn)稱(chēng) “ ISO”），已制定的標(biāo)準(zhǔn)包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工程 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， IEC63092 1:2020 [ 和 EN50583 1 :2016 [ 給出了建筑用光伏組件的定義、與建筑附件光伏系統(tǒng)的區(qū)別，要求建筑光伏產(chǎn)品應(yīng)滿(mǎn)足建筑材料的要求，并至少具備如機(jī)械剛性或結(jié)構(gòu)完整性、能夠保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)不被外部環(huán)境影響、節(jié)能環(huán)保、防火、降噪音、安全等功能。

IEC 63022:2020和 EN 50583 2:2016是建立在原有太陽(yáng)能成熟的行業(yè)規(guī)范中而新增了建筑行業(yè)的要求，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮建筑系統(tǒng)的可靠性、抗風(fēng)、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保方便的設(shè)計(jì)功能，并給出 了參考的計(jì)算公式。

建筑光伏一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要可分為光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是 結(jié)合 現(xiàn)場(chǎng) 的具體場(chǎng)景 匹配用電側(cè)的用電要求 基于項(xiàng)目地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源、溫度等環(huán)境因素下 計(jì)算出合適的太陽(yáng)能組件 方陣， 匹配相應(yīng)設(shè)備容量，達(dá)到整體 系統(tǒng)的 經(jīng)濟(jì)性和合理性 。建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分需要滿(mǎn)足使用性能的要求，其次需要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、美觀的要求。

? 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括電氣專(zhuān)業(yè)、熱力專(zhuān)業(yè)、屏蔽靜電專(zhuān)業(yè)和機(jī)械專(zhuān)業(yè) 等，其中關(guān)鍵的過(guò)程是分析現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境資源情況、匹配用電量需求和平衡系統(tǒng) 。

系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)原則是在達(dá)到發(fā)電量**化的前提 下，確定 經(jīng)濟(jì)性最高的系統(tǒng)組合 。系統(tǒng)配置的設(shè)計(jì)主要考慮兩種因素：

1）分析用電量需求 、環(huán)境資源和主要設(shè)備選型 。

2）用專(zhuān)業(yè)仿真軟件進(jìn)行模擬仿真，并比對(duì)校核 。輸入數(shù)據(jù)主要包括（不限于）：

—安裝地點(diǎn)的日照輻射

—方陣傾斜面的日照輻射

—環(huán)境溫度參數(shù)

—系統(tǒng)電壓

—負(fù)荷能量需求

—控制器調(diào)節(jié)特性與參數(shù)

—太陽(yáng)能光伏電池組件的特征參數(shù)

—系統(tǒng)供電可靠性和供電電源可用率

用計(jì)算機(jī)仿真方法計(jì)算出結(jié)果參數(shù)，主要有：

—太陽(yáng)電池方陣的傾斜角和方位角

—太陽(yáng)能光伏電池組件的數(shù)量

? 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

1）列出基本數(shù)據(jù)

—地理資料 主要有地址 、經(jīng)緯度、海拔等。

—當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料：主要有逐月平均太陽(yáng)總輻射量，直接輻射及散射量，年平均氣溫及 最高、最低 氣溫，連續(xù)陰雨天 情況 、**風(fēng)速及 冰雪 等特殊氣候情況。一般選取過(guò)去20年內(nèi)的累計(jì)氣象數(shù)據(jù) 。

2）計(jì)算日輻射量和方陣傾斜角

氣象站一般只提供水平面輻射總量 、直接輻射量及散射輻射量 ，需要結(jié)合項(xiàng)目的傾角折算 成傾斜面上的太陽(yáng)輻射量。

3）估算太陽(yáng)電池方陣

利用歷年逐月平均水平面上太陽(yáng)直接輻射及散射輻射量 折算出 逐月輻射總量，然后計(jì)算 全年平均日太陽(yáng)輻射總量 以及 太陽(yáng)電池方陣發(fā)電量。

4）確定太陽(yáng)電池方陣功率容量

根據(jù)太陽(yáng)能光伏方陣的電流、 電壓及功率數(shù)據(jù) ，參照主機(jī)設(shè)備的性能參數(shù) ，選取合適的 設(shè)備型號(hào)及數(shù)量 。

? 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)

建筑光伏一體化系統(tǒng)可安裝在工業(yè)廠房屋頂替換原有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為廠房屋頂增加發(fā)電功能，按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同將主流產(chǎn)品分為：建筑物太陽(yáng)能光伏夾層玻璃、構(gòu)件型、導(dǎo)水架和金屬背板型。

1）建筑物太陽(yáng)能光伏夾層玻璃

面板材料使用的是雙層玻璃，玻璃的型號(hào)、尺寸及相關(guān)參數(shù)可以根據(jù)建筑要求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，可以是普通鋼化玻璃、超白鋼化玻璃、低輻射玻璃、著色玻璃等原片的復(fù)合，也能夠以基本單元復(fù)合成性能更好的 單層中空、加膠真空玻璃型。中間層封裝材料宜選用聚乙烯醇縮丁醛（ Polyvinyl Butyral ，簡(jiǎn)稱(chēng) “ PVB 主要由樹(shù)脂、增塑劑和其他材料組成，具有透明、耐熱、耐寒、耐濕、高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，并具有同建筑物的 50 年使用壽命   。

2）晶硅光伏與壓型鋼板一體化構(gòu)件式

該系統(tǒng)核心的光伏屋面自上而下主要依次是：檁條、保溫棉、防水透氣膜、可滑移支座、壓型鋼板和光伏組件，兼容常規(guī)工業(yè)廠房的檁條暗藏型和露明型保溫系統(tǒng)及安裝方式 。

光伏組件選用2mm 的鋼化玻璃、正面 EVA 膜、高效單晶 Perc 電池片、聚烯烴彈性體封裝絕緣膠 膜（ Polyolefin Insulating Encapsulation Film ，簡(jiǎn)稱(chēng) “ POE”）和鋼化玻璃組成，光伏組件為尺寸為 2089mm*698mm*5mm ；（單塊面積約為 1.464 ㎡），正面可承受載荷 5400Mpa 以上的沖擊，同時(shí)外力導(dǎo)致的電池變形幅度更低 組件支撐結(jié)構(gòu)由過(guò)去傳統(tǒng)的四點(diǎn)式支撐 改變?yōu)槊扛?30cm 的跨距提供條狀支撐 使得組件受力更加均衡大幅度降低使用過(guò)程由于外界受力導(dǎo)致的組件隱裂 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電量的可靠保證。

金屬屋面系統(tǒng)選用厚度為0.6mm 的鍍鋁鋅鋼板通長(zhǎng)版型，也就是屋脊到屋檐采用通長(zhǎng)的整塊鋼板（最長(zhǎng)可做到單坡 105 米），無(wú)需搭接，可有效降低因搭接縫導(dǎo)致的漏水風(fēng)險(xiǎn)。壓型鋼板縱向搭接采用360 度直立鎖邊技術(shù)，保證鋼板之間連接可靠不漏水；另外鎖邊間隙也采用了丁基膠填充，可以有效防止毛細(xì)現(xiàn)象導(dǎo)致的滲漏。

3 )導(dǎo)水支架式

4 )金屬背板式

綜上所示，現(xiàn)行適用于工業(yè)廠房屋頂類(lèi)建筑光伏一體化系統(tǒng)主要分為建筑物太陽(yáng)能光伏夾層玻璃、一體化構(gòu)件式、導(dǎo)水 架和金屬背板型四類(lèi)，隨著技術(shù)進(jìn)步，各類(lèi)產(chǎn)品均有已建成的案例供研究。對(duì)比各類(lèi)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)一體化構(gòu)件式建筑光伏一體化產(chǎn)品具備良好的建材性能，有明確的防火、防水、保溫、抗風(fēng)揭的特性，表面采用無(wú)邊框設(shè)計(jì)，更方便運(yùn)維、不易積灰，同時(shí)光伏部分使用并且采用先進(jìn)的高效單晶電池片，發(fā)電效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，可適用于工商業(yè)廠房替代原有屋頂結(jié)構(gòu)，達(dá)到可靠穩(wěn)定、提高能源效率等作用。

建筑光伏一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和建筑設(shè)計(jì)的綜合成果，應(yīng)根據(jù)建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)形式等因素，考慮太陽(yáng)能發(fā)電組件的電池特性、效率、配比、安全以及其后等條件下，確定光伏系統(tǒng)的類(lèi)型、規(guī)格、數(shù)量以及施工工藝、施工位置、施工流程等綜合工序。

?環(huán)境因素

建筑物的地理位置對(duì)經(jīng)緯度、溫度、海拔高度、氣候和空氣質(zhì)量的變化影響了太陽(yáng)能組件可以接受到的理論**太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。太陽(yáng)輻射是來(lái)自太陽(yáng)的輻射（電磁）能。它為地球提供光和熱，為光合作用提供能量。太陽(yáng)輻射光譜上的三個(gè)相關(guān)波段或范圍是紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。在到達(dá)地球表面的光中 ，紅外線(xiàn)輻射占 49.4%而可見(jiàn)光占 42.3% 。紫外線(xiàn)輻射僅占太陽(yáng)輻射總量的 8% 以上。

1) 經(jīng)緯度

由于地球呈球形，赤道地區(qū)周?chē)奶?yáng)光線(xiàn)強(qiáng)度更高。遠(yuǎn)離赤道時(shí)，能量密度會(huì)隨著太陽(yáng)光線(xiàn)分布在更大的地理區(qū)域周?chē)档汀?/p>

2) 溫度

太陽(yáng)能電池板測(cè)試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件 進(jìn)行測(cè)試，即輻射為 1 kW/m 2電池溫度 25℃，無(wú)風(fēng)。而溫度系數(shù)百分比說(shuō)明了效率隨溫度升高或降低程度而發(fā)生的變化。例如，如果某種類(lèi)型的面板的溫度系數(shù)為 0.5%，那么每升高 10℃1，面板**功率將降低 0.5% 。而 BIPV 系統(tǒng)在工作的情況工作溫度通常超過(guò) 50℃，長(zhǎng)時(shí)間的高溫將受溫度系數(shù)的影響而降低系統(tǒng)的發(fā)電效率 。

3) 海拔

在高海拔地區(qū)，太陽(yáng)光線(xiàn)必須穿過(guò)大氣層的距離更短。因此，隨著海拔的增加，大氣吸收較少，因此太陽(yáng)輻射增加。有專(zhuān)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同海拔地區(qū)對(duì)發(fā)電量的影響，得出在同等條件下高海拔地區(qū)的發(fā)電量比地面布置的地面電站發(fā)電量高出7%~12% 。

4) 氣候

雨雪風(fēng)暴多云天氣都會(huì)直接影響太陽(yáng)輻射資源，而影響系統(tǒng)的發(fā)電量。對(duì)于建筑光伏一體化系統(tǒng)，更應(yīng)該關(guān)注作為建筑結(jié)構(gòu)在惡劣天氣如臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹等條件下的運(yùn)行安全可靠性。

5) 空氣質(zhì)量

漂浮在空氣中微粒和粉塵以及SO2 、NO2 、 CO、 PM10 、PM2.5 對(duì)太陽(yáng)輻射有阻擋的作用，太陽(yáng)輻射總量隨著空氣污染程度的嚴(yán)重而增大。專(zhuān)家研究了沈陽(yáng)2013~2017 年空氣質(zhì)量與地面太陽(yáng)輻射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能直接輻射在空氣質(zhì)量三級(jí)比空氣質(zhì)量二級(jí)情況平均衰減 18%，空氣中 PM 2.5 的削光作用大于 SO2 和 PM10 為首的環(huán)境污染。

?組件傾角因素

太陽(yáng)能組件直接從太陽(yáng)、天空以及從地面或光伏電池板周?chē)鷧^(qū)域反射的陽(yáng)光中吸收太陽(yáng)輻射。兩個(gè)主要角度用于定義陣列方向：傾斜角和方位角，其中傾斜角是水平面和陣列表面之間的垂直角。因此當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)與太陽(yáng)能電池面板形成 90° 夾角時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電效率達(dá)到**值。在給定的環(huán)境條件下捕獲**輻射強(qiáng)度可以通過(guò)為設(shè)計(jì)支架固定**傾斜角度來(lái)實(shí)現(xiàn) 。有專(zhuān)家研究了光伏組件的**效率、功率和短路電流隨著太陽(yáng)能組件收到的輻照量而增加，這主要取決于其方向（傾斜和方位角）。如果太陽(yáng)輻射的入射角與法向入射反射有很大不同，損失會(huì)變得很大，進(jìn)而減少發(fā)電量。

?建筑材料因素

由于建筑光伏一體化屋面除具有發(fā)電屬性外，還具備建筑屬性，因此也必須要滿(mǎn)足作為建筑材 料所需的安全性、防火、抗風(fēng)揭、耐候性等要求。

1) 防火

有專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，熱斑效應(yīng)、高串聯(lián)電阻、和電弧事故是導(dǎo)致光伏組件熱度過(guò)高而起火的主要因素。而常規(guī)光伏組件里的 EVA 膜和 TPT 背板屬于可燃燒材料，作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，燃燒后將嚴(yán)重影響建筑通風(fēng)系統(tǒng)、火焰蔓延路徑、產(chǎn)生有毒氣體等危害，因此建筑光伏一體化產(chǎn)品宜選用 A 級(jí)不燃產(chǎn)品降低燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

2) 散熱

太陽(yáng)能組件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果建筑光伏一體化系統(tǒng)未設(shè)置通風(fēng)通道，熱量可能會(huì)進(jìn)入建筑內(nèi)部，影響建筑的實(shí)際能耗。因此應(yīng)設(shè)計(jì)散熱風(fēng)道等 通風(fēng)散熱方式 利用空氣對(duì)流等方式帶走組件產(chǎn)生的熱量。有專(zhuān)家研究了上海虹橋機(jī)場(chǎng)建筑光伏一體項(xiàng)目散熱與組件效率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射最高條件下電池板下表面溫度最高可達(dá)到 65℃，過(guò)高的溫度將嚴(yán)重降低發(fā)電量并影響電池板壽命。

3) 防水

防水是建筑重要功能，應(yīng)充分設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、測(cè)試建筑光伏一體化產(chǎn)品的防水性能，結(jié)合實(shí)際施工工藝、鏈接點(diǎn)技術(shù)、材料等確保系統(tǒng)可在全生命周期內(nèi)有可靠的防水表現(xiàn)。

4) 建筑美學(xué)

建筑光伏一體化產(chǎn)品應(yīng)結(jié)合建筑和光伏的共同美學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)外觀一致、色彩統(tǒng)一、整體協(xié)調(diào)，同時(shí)在施工時(shí)需統(tǒng)籌考慮接線(xiàn)的美觀性。

5) 維護(hù)保養(yǎng)

建筑光伏一體化系統(tǒng)在遇到組件損壞時(shí)無(wú)法輕易的直接拆除或者替換，所以應(yīng)設(shè)置合理的檢修維護(hù)通道、運(yùn)維方案進(jìn)行定期檢修保養(yǎng)，同時(shí)更應(yīng)選用高效可靠的設(shè)備材料降低故障率。