深入了解BIPV光伏建筑一體化的設計規(guī)范、設計過程、影響因素

本文通過分析 BIPV 系統(tǒng)的設計規(guī)范、已建成項目的特點、BIPV 產(chǎn)品的特點，提出 BIPV 系統(tǒng)設計中應特別注重的影響因素。

建筑光伏一體化系統(tǒng)是建筑專業(yè)與電氣專業(yè)相結合的新型專業(yè)，要滿足建筑專業(yè)、電氣專業(yè)的雙重要求，作為建筑的一部分時還特別需要注意滿足建筑的安全性和功能性。從設計標準的角度而言，隨著太陽能工程建設經(jīng)驗的逐年增多，光伏行業(yè)標準、國家標準等已日益健全，下面分別從國內(nèi)和國外標準兩個方面介紹。

?國內(nèi)標準

迄今為止，國內(nèi)與建筑光伏一體化相關的標準可分為國家標準、行業(yè) 、地方標準和團隊標準，根據(jù)應用對象的不同可分為工程建設標準和產(chǎn)品應用標準。

地方標準和行業(yè)標準則側重于約定相關產(chǎn)品研發(fā)、設計、安裝和功能性標準，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試辦法。其中中國建筑裝飾協(xié)會在 2020 年組織研究并制定了《光電建筑技術應用規(guī)程》明確系統(tǒng)設計應包括光電建筑圍護系統(tǒng) 設計和光伏發(fā)電系統(tǒng)設計兩個部分，指出光電建筑使用的光電建筑應具有功能：外圍護功能、發(fā)電功能，為建筑安全、可靠的電力來源。

? 國外標準

國外相關標準主要制定者主要是國際電工委員會（International Electro technicalCommission ，簡稱 “ IEC”）、歐盟 European Union ，簡稱 “ EU”）和國際標準化組織International Organization for Standardization ，簡稱 “ ISO”），已制定的標準包括產(chǎn)品標準和工程 設計標準， 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)品應滿足建筑材料的要求，并至少具備如機械剛性或結構完整性、能夠保護建筑主體結構不被外部環(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)設計應綜合考慮建筑系統(tǒng)的可靠性、抗風、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保方便的設計功能，并給出 了參考的計算公式。

建筑光伏一體化系統(tǒng)的設計主要可分為光伏系統(tǒng)的設計和建筑系統(tǒng)的設計。光伏系統(tǒng)的設計是 結合 現(xiàn)場 的具體場景 匹配用電側的用電要求 基于項目地點的太陽能資源、溫度等環(huán)境因素下 計算出合適的太陽能組件 方陣， 匹配相應設備容量，達到整體 系統(tǒng)的 經(jīng)濟性和合理性 。建筑系統(tǒng)的設計是其作為建筑結構的一部分需要滿足使用性能的要求，其次需要滿足結構穩(wěn)定、經(jīng)濟、美觀的要求。

? 光伏系統(tǒng)設計原理

太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設計過程主要包括電氣專業(yè)、熱力專業(yè)、屏蔽靜電專業(yè)和機械專業(yè) 等，其中關鍵的過程是分析現(xiàn)場的環(huán)境資源情況、匹配用電量需求和平衡系統(tǒng) 。

系統(tǒng)總的設計原則是在達到發(fā)電量**化的前提 下，確定 經(jīng)濟性最高的系統(tǒng)組合 。系統(tǒng)配置的設計主要考慮兩種因素：

1）分析用電量需求 、環(huán)境資源和主要設備選型 。

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

—安裝地點的日照輻射

—方陣傾斜面的日照輻射

—環(huán)境溫度參數(shù)

—系統(tǒng)電壓

—負荷能量需求

—控制器調(diào)節(jié)特性與參數(shù)

—太陽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

用計算機仿真方法計算出結果參數(shù)，主要有：

—太陽電池方陣的傾斜角和方位角

—太陽能光伏電池組件的數(shù)量

? 太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計步驟

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?shù)氐臍庀筚Y料：主要有逐月平均太陽總輻射量，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 、**風速及 冰雪 等特殊氣候情況。一般選取過去20年內(nèi)的累計氣象數(shù)據(jù) 。

2）計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 ，需要結合項目的傾角折算 成傾斜面上的太陽輻射量。

3）估算太陽電池方陣

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

4）確定太陽電池方陣功率容量

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

? 太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計步驟建筑結構系統(tǒng)方面的設計

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結構，為廠房屋頂增加發(fā)電功能，按照產(chǎn)品結構的不同將主流產(chǎn)品分為：建筑物太陽能光伏夾層玻璃、構件型、導水架和金屬背板型。

1）建筑物太陽能光伏夾層玻璃

面板材料使用的是雙層玻璃，玻璃的型號、尺寸及相關參數(shù)可以根據(jù)建筑要求進行個性化設計，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合，也能夠以基本單元復合成性能更好的 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 ，簡稱 “ PVB 主要由樹脂、增塑劑和其他材料組成，具有透明、耐熱、耐寒、耐濕、高機械強度等特點，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 ，簡稱 “ 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，同時外力導致的電池變形幅度更低 組件支撐結構由過去傳統(tǒng)的四點式支撐 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程由于外界受力導致的組件隱裂 實現(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 的鍍鋁鋅鋼板通長版型，也就是屋脊到屋檐采用通長的整塊鋼板（最長可做到單坡 105 米），無需搭接，可有效降低因搭接縫導致的漏水風險。壓型鋼板縱向搭接采用360 度直立鎖邊技術，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，可以有效防止毛細現(xiàn)象導致的滲漏。

3 )導水支架式

4 )金屬背板式

綜上所示，現(xiàn)行適用于工業(yè)廠房屋頂類建筑光伏一體化系統(tǒng)主要分為建筑物太陽能光伏夾層玻璃、一體化構件式、導水 架和金屬背板型四類，隨著技術進步，各類產(chǎn)品均有已建成的案例供研究。對比各類產(chǎn)品的結構特點和性能參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)一體化構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、抗風揭的特性，表面采用無邊框設計，更方便運維、不易積灰，同時光伏部分使用并且采用先進的高效單晶電池片，發(fā)電效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強，可適用于工商業(yè)廠房替代原有屋頂結構，達到可靠穩(wěn)定、提高能源效率等作用。

建筑光伏一體化系統(tǒng)的設計是太陽能發(fā)電系統(tǒng)和建筑設計的綜合成果，應根據(jù)建筑的使用功能、結構形式等因素，考慮太陽能發(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能組件可以接受到的理論**太陽輻射強度。太陽輻射是來自太陽的輻射（電磁）能。它為地球提供光和熱，為光合作用提供能量。太陽輻射光譜上的三個相關波段或范圍是紫外線、可見光和紅外線。在到達地球表面的光中 ，紅外線輻射占 49.4%而可見光占 42.3% 。紫外線輻射僅占太陽輻射總量的 8% 以上。

1) 經(jīng)緯度

由于地球呈球形，赤道地區(qū)周圍的太陽光線強度更高。遠離赤道時，能量密度會隨著太陽光線分布在更大的地理區(qū)域周圍而降低。

2) 溫度

太陽能電池板測試的行業(yè)標準是在標準測試條件 進行測試，即輻射為 1 kW/m 2電池溫度 25℃，無風。而溫度系數(shù)百分比說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 50℃，長時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)，太陽光線必須穿過大氣層的距離更短。因此，隨著海拔的增加，大氣吸收較少，因此太陽輻射增加。有專家通過實驗驗證了不同海拔地區(qū)對發(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

雨雪風暴多云天氣都會直接影響太陽輻射資源，而影響系統(tǒng)的發(fā)電量。對于建筑光伏一體化系統(tǒng)，更應該關注作為建筑結構在惡劣天氣如臺風、暴雨、冰雹等條件下的運行安全可靠性。

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 對太陽輻射有阻擋的作用，太陽輻射總量隨著空氣污染程度的嚴重而增大。專家研究了沈陽2013~2017 年空氣質(zhì)量與地面太陽輻射的關系，發(fā)現(xiàn)太陽能直接輻射在空氣質(zhì)量三級比空氣質(zhì)量二級情況平均衰減 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

太陽能組件直接從太陽、天空以及從地面或光伏電池板周圍區(qū)域反射的陽光中吸收太陽輻射。兩個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。因此當太陽光線與太陽能電池面板形成 90° 夾角時，太陽能發(fā)電效率達到**值。在給定的環(huán)境條件下捕獲**輻射強度可以通過為設計支架固定**傾斜角度來實現(xiàn) 。有專家研究了光伏組件的**效率、功率和短路電流隨著太陽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）。如果太陽輻射的入射角與法向入射反射有很大不同，損失會變得很大，進而減少發(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，因此也必須要滿足作為建筑材 料所需的安全性、防火、抗風揭、耐候性等要求。

1) 防火

有專家研究發(fā)現(xiàn)，熱斑效應、高串聯(lián)電阻、和電弧事故是導致光伏組件熱度過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，作為建筑結構的一部分，燃燒后將嚴重影響建筑通風系統(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 級不燃產(chǎn)品降低燃燒風險。

2) 散熱

太陽能組件工作時會產(chǎn)生大量的熱量，如果建筑光伏一體化系統(tǒng)未設置通風通道，熱量可能會進入建筑內(nèi)部，影響建筑的實際能耗。因此應設計散熱風道等 通風散熱方式 利用空氣對流等方式帶走組件產(chǎn)生的熱量。有專家研究了上海虹橋機場建筑光伏一體項目散熱與組件效率的關系，發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)夏季太陽輻射最高條件下電池板下表面溫度最高可達到 65℃，過高的溫度將嚴重降低發(fā)電量并影響電池板壽命。

3) 防水

防水是建筑重要功能，應充分設計、試驗、測試建筑光伏一體化產(chǎn)品的防水性能，結合實際施工工藝、鏈接點技術、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

建筑光伏一體化產(chǎn)品應結合建筑和光伏的共同美學設計，實現(xiàn)外觀一致、色彩統(tǒng)一、整體協(xié)調(diào)，同時在施工時需統(tǒng)籌考慮接線的美觀性。

5) 維護保養(yǎng)

建筑光伏一體化系統(tǒng)在遇到組件損壞時無法輕易的直接拆除或者替換，所以應設置合理的檢修維護通道、運維方案進行定期檢修保養(yǎng)，同時更應選用高效可靠的設備材料降低故障率。