二、结构安全性设计
任何一种材料与建筑结合的时候,都必须考虑其安全性能。当光伏电池作为一种建筑维护材料,我们必须首先对其强度和刚度做详细的分析检查。
对于非晶硅薄膜电池,我们都知道其基片为TCO玻璃(即附有透明导电氧化物薄膜的玻璃),也就是说非晶硅薄膜电池在结构上其实就是3.2mm(TCO浮法玻璃)+0.76PVB+3.2mm钢化玻璃。夹胶玻璃在承担平面外荷载时,内外两片玻璃将通过刚度分配法进行荷载分配,在内外玻璃厚度相同的情况下,它们将各自承受一半的荷载,因此,在超过极限荷载的情况下,外片浮法玻璃将会首先破损。通过计算,如果尺寸为1.245m*0.635m的电池直接作为面板材料使用,可以承受2.4kN/m2的平面外荷载;如果尺寸为1.3m*1.1m的电池直接作为面板材料使用,可以承受1.85kN/m2的平面外荷载。而沿海建筑或超高层建筑超过以上风荷载的情况很多,因此,不可盲目的直接将非晶硅薄膜电池作为建筑材料使用。
对于晶体硅电池,用于建筑材料的组件一般为双玻组件,内外玻璃的厚度可以通过实际计算得出。
整个系统的结构安全校核应包括但不限于以下方面:
1.电池组件(面板材料)强度及刚度校核;
2.支撑构件(龙骨)的强度及刚度校核;
3.电池组件与支撑构件的连接计算;
4.支撑构件与主体结构的连接计算。
三、光影分析
太阳电池与建筑相结合,有时不可避免的会受到遮挡,树、广告牌、女儿墙、其他建筑……。遮挡对于晶体硅电池发电量影响很大,对于非晶硅的影响会小得多。一块晶体硅电池组件被遮挡了1/10的面积,功率损失将达到50%;而非晶硅受到同样的遮挡,功率损失只有10%,这就是薄膜电池弱光发电性能的体现。如果太阳电池不可避免的会被遮挡,应当尽量选用非晶硅电池。同时,建议每一个BIPV项目都要经过专业的遮挡分析,长期处于阴影遮挡下的建筑,是不适合做BIPV的。
设计时我们采用专业生态环境分析软件(ecotect )对建筑所处环境模拟分析,合理布置电池板,使电池板始终在太阳的“光芒”下。 分析时对系统所处位置采用按春分、夏至、秋分、冬至四个时间点。冬至、夏至是太阳的南北回归线,对于地球来说是太阳运行距离最远的两个端点,如果建筑在这两个时间点上不被遮挡,那么我们布置的电池板将会长年接受阳光的照耀。比如以下截图是对于呼和浩特东站的遮挡分析(图中蓝色部分为光伏电池板):
夏至日下午17点太阳位置

冬至日早上9点太阳位置
四、散热分析
电池是怕热不怕冷的,当电池片吸收光照转化为电能时,电池板自身温度急剧升高,如果不考虑良好的通风散热,不但会直接影响到电池板的转化率,而且电池板背面的高温也会直接影响到室内的环境温度,也就是舒适度。其根本原因就是温度上升会影响电池板内部填充因子(FF——一个用来检测电池片性能好坏的指标)的数量,温度越高填充因子就越少,组件效率就越低。但不同的电池下降幅度是不同的,可以根据以下公式计算出电池高温下的转化率:
Pm effec = Pm×[1+a(T - 25℃)]
其中a ---为电池组件的功率温度系数(A-si、P-si最佳输出功率Pm的温度系数约为-0.19%,C-si电池最佳输出功率Pm的温度系数约为-0.5%)
可以看出非晶硅薄膜电池对于温度的敏感程度也是远低于晶体硅系列的电池。

非晶硅与单晶硅温度变化下的效率比较
一般来说对于环境温度有可能高于20度的BIPV来讲,如果缺乏散热思考就会影响系统发电量和建筑舒适度,因此建议中国大部分区域在建筑立面或屋顶使用BIPV的时候,要尽可能多的考到光电幕墙的散热问题。
五、透光率设计
从采光的角度上讲,建筑分为采光部分和非采光部分。采光部分就是常用的玻璃部分,非采光部分包括窗间墙、梁柱位、剪力墙等。如果我们将电池板铺在非采光部分,则不存在透光设计,但由于组件背后为实体墙则必须考虑通风散热,建议采用开缝式设计。如果将电池板铺在采光区域则应参照《建筑采光设计标准》GB/T50033-2001对建筑采光的要求进行设计。
非晶硅薄膜电池本身是可以透光的,透光率从1%--30%,但透光的代价则是转换率的加倍降低和成本的加倍升高。因此在工程实践中我们通常采取设计采光带或间隔布置电池板的方法换取透光率。非晶硅薄膜电池具有优越的遮阳性能,电池板的G值可以低至11%。
晶体硅系列则可以通过电池片之间的间距来获得透光率,如下表:

夏季遮阳性能(G值):太阳光谱中能量的传播是通过G值来决定,G值越小,遮光率越高。
六、不同的光伏电池对建筑的影响
对于不同的电池类型,室内外装饰效果截然不同,需初步方案设计时根据建筑功能、风格全面考虑,和谐统一,使其融入于建筑中,浑然一体,避免后期确定带来的设计败笔。同时采用电池板类型不同,相同面积下的电池板安装功率不同,即最终发电量也不同。如果按相同电池板安装功率,所需数量(面积)也各不相同。故需在建筑初步设计时确定电池板的选型及数量。
非晶硅薄膜电池会有暗红色、深褐色、深灰色、深蓝色等多种颜色的选择,透光度也有从1%到30%的选择,甚至从薄膜的镀膜花纹上也可以有条状、点状、网状等的选择。较能够满足建筑师对建筑风格多元化的要求。

多种颜色及花纹

多种透光度
而晶硅系列也可以有多种颜色的选择,主要通过二氧化氮的用量控制来改变表面颜色。但换成其他颜色的话会影响电池片的效率,一般电池片表面采用蓝色或黑色是因为这两种颜色对可见光波长的吸收最佳,如果换成其他颜色的话对其波长的范围就会反映不敏感,也就是吸收率降低.所以一般不建议客户改用除蓝色和黑色以外的颜色。
晶体硅的颜色
下图为类似建筑选用不同电池的效果对比:

可以看出,非晶薄膜电池色泽均匀,投影柔和,较能够被建筑师所接受。但晶体硅电池的高转换率是非晶薄膜电池尚未能达到的。因此,可以总结,如果建筑追求的是发电量或装机功率,则建议选用晶体硅电池,如果建筑追求的是建筑效果,则建议选用非晶薄膜电池。
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