毕业论文——太阳能光伏建筑构件的设计与分析

摘要硕士学位论文太阳能光伏建筑构件的设计与分析摘要太阳能利用目前主要分为光伏和光热两部分。本文前部分对太阳电池发电、太阳能集热器的基本原理、制造工艺，并概述了国内国际的太阳能建筑材料的发展情况。随后的四个章节设计了一些新型太阳能建筑材料并对光伏、光热建筑材料的设计提出了相应的看法。首先，对光伏建筑材料的总体设计进行了初步的探讨。提出了光伏建材的总体设计思想与原则；对光伏建材的各个设计环节进行了逐项说明，提出了针对不同情况下光伏建材的设计方法与安装结构；最后对光伏建筑材料进行了经济性分析，同时对比于当今普通建筑材料，分析光伏建筑材料的发展趋势与前景。其次，对中山大学太阳能实验室的光伏屋顶和光伏长廊并网发电系统的设计及安装进行了说明，通过上述两个光伏与建筑结合的示范工程说明我国已经具备了在城市中进行光伏建筑一体化建设的技术条件和一定的经济基础，在我国推广使用这种光伏屋顶与光伏长廊并网发电系统有着重要的现实意义和指导意义。再次，针对目前光伏建材在里面上的应用，开发了两种新型的光伏建材单元式光伏幕墙模块、光伏百叶。它们各具有不同的功能.通过特殊的结构设计，达到了与普通建材相同的建筑性能。为我国光伏建筑一体化建设提供了两种合格的光伏建筑材料。最后，介绍了光电主动循环雨蓬式平板太阳能热水器的结构设计、配件选型及其工作原理，包括集热器选型、面板玻璃、板芯、板芯涂层、保温材料等。并采用了光电主动循环设计，分析了这种循环方式的经济性。关键词：太阳能；光伏；光热；BIPV；建筑材料IIIAbstractAbstractThe utilization of solar energy is mainly divided into two partses (photovoltaic and photo-heat) currently. The forepart of text introduced the basic principle and making technics of solar cell generating electricity and solar energy heat gathering ,and also introduced the home and oversea development of solar building materials.The following four parts intrduced some new solar energy building materials,and bring forward some opinions about design of these building materials.At first ,some primary discusss about the whole design of photovoltaic building materials had been discussed. the main idea and principia in designing photovoltaic building materials had been brought forward; After discussing every designing tache, author brought forward some design methods and structures for different situations;At last, some economic analysis had been done,and at meantime, contrasted with the normal building materials , photovoltaic building materials were analysised the future development.Secondly,introduced the design and install methods of the photovoltaic roof and photovoltaic veranda building on the roof of the solar energy lab.These two demonstrate projects explained that we have owned some technic conditions and economic basic to develop BIPV in city.Extending the using of these projects in our country is very important,and has very important realistic and coaching meanings.Again,for extending the usage of photovoltaic building materials, two kinds of materials which are unit photovoltaic faade module and photovoltaic shutter had been designed .they have different functions and achieved the same building performance by special structure design.These job offered two kinds of regular photovoltaic building materials for the BIPV construction in our country.At last, the flat solar water heater as canopy with photovoltaic circle had been introduced.The introduction concluded the design of structure, choice of fittings and working principle of heat gathering、faceplate glass、board core、the coat on board core and heat preservation. The design of otovoltaic circle had been used,and analysis its economy.Key word:solar energy ,BIPV,building material,photovoltaic，photo-heat目录目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 光伏发电基本原理11.1.1 太阳电池原理11.1.2 光伏发电系统的组成21.2 光伏产业的发展现状以及问题31.2.1世界光伏产业的发展现状以及问题31.2.2 我国光伏产业的发展现状以及前景51.3 光伏建筑材料的发展概况61.3.1 光伏建筑材料概念及构成61.3.2 光伏建筑材料的发展形势61.3.3 光伏建筑材料发展展望91.4 我国光热利用发展状况91.5 光热建筑材料101.5.1 光热建筑材料的优点101.5.2 光热建筑材料设计中存在的问题101.6 本论文的研究内容11第二章 光伏建筑材料设计方法132.1 光伏建筑材料设计理论与方法132.2 光伏建筑材料的设计142.2.1基本原则142.2.2 电池板设计152.2.3 边框材料的选择152.2.4 安装构件设计162.2.5 电池材料的选择162.2.6 组件的基本物理与电性能考虑172.3 光伏建筑材料的安装设计182.3.1安装结构192.3.2 倾角设计202.3.3 电路设计222.3.4 接地防雷设计222.3.5 通风设计232.3.6 防火设计232.4 光伏建筑材料的经济性分析242.5 本章小结26第三章 光伏屋顶设计、性能测试及经济性分析273.1 光伏屋顶设计273.1.1 系统介绍283.1.2 系统原理图283.1.3 光伏组件及安装283.1.4 逆变器工作方式、特点以及参数313.1.5 系统监测333.1.6 理论发电量分析333.2 光伏长廊系统成本经济性分析343.3 社会环境效益分析363.3.1 是解决能源危机的重要手段363.3.2 促进能源的多样化、提高国家的能源安全373.3.3 产生良好的社会效益和环境效益373.4 系统工作情况373.5 本章小结40第四章 单元式光伏幕墙模块、光伏百叶系统的设计以及性能测试414.1 南玻科技大厦光伏幕墙改造工程414.1.1 方案介绍414.1.2 结构设计414.1.3 光伏阵列设计424.1.4 光伏系统配置设计424.1.5 经济、社会和环境效益分析434.2 单元式光伏幕墙模块设计444.2.1 光伏幕墙材料的分类444.2.2 单元式光伏幕墙模块材料的选择与性能参数454.2.3 单元式光伏幕墙模块方案的特点和创新点484.3 光伏遮阳百叶设计494.3.1 光伏遮阳百叶介绍494.3.2 光伏遮阳百叶的主要设计思想494.3.3 材料的选择和性能参数504.3.4 本光伏遮阳百叶的特点和创新点534.3.5 性能测试544.4 本章小结56第五章 光电循环平板雨篷式太阳能集热器设计575.1 集热器结构设计说明575.1.1 集热器形式的选择585.1.2 玻璃盖板的选择595.1.3 板芯材料的选择605.1.4吸热涂层的选择615.1.5结构框架与保温材料的选择625.2 光电主动循环设计方案625.3 经济性分析和前景展望645.4 本章小结65结论67参考文献69致谢73第一章 绪论第一章 绪论自从上世纪末，本世纪初以来，由于化石燃料的日趋枯竭，造成能源形势日趋紧张。加之与日俱增的化石燃料的燃烧所造成的环境污染，已经对地球生态平衡和人类的生存带来严重的危害。太阳能是已知的最原始的能源，具备清洁、可再生的特点，丰富而且遍布全世界，几乎所有已知的其它能源都直接或间接地来自太阳能。目前太阳能利用方式主要有热利用和光电利用两种，而利用的趋势就是将太阳能利用与建筑结合起来，发展太阳能建筑材料，既能作为一种建筑材料替代常规材料，降低太阳能利用的成本，又能充分节省空间利用太阳能。太阳能建筑材料按光、热两种利用方式可以分成：光伏建筑材料和光热建筑材料。1.1 光伏发电基本原理1.1.1 太阳电池原理太阳电池的基本原理是光生伏特效应1，如图（11）所示，在光照下PN结附近产生大量的电子、空穴对，它们如果在PN结附近的一个扩散长度范围内，就有可能在复合前扩散运动到PN结的内建电场区域。在内建电场的作用下P区的光生电子漂移到N型区，N区的空穴漂移到P型区，使N区带负电，P区带正电，如同一化学电池。图11 太阳电池的基本原理图（图片来源：张臻硕士论文太阳电池组件封装材料、工艺及其应用研究）Fig1-1 The basic principle of solar cell 1.1.2 光伏发电系统的组成 典型的光伏发电系统是由太阳电池组件阵列，充放电控制器，逆变器，蓄电池组，负载，配电箱等组成的。目前光伏发电系统主要分独立光伏发电系统，并网光伏发电系统2。1.1.2.1 独立光伏发电系统独立光伏发电系统相对于并网光伏发电系统而言，属于孤立的发电系统见图（1-2）。孤立系统主要用于西部偏远无电地区，其建设目标是解决无电问题。其供电可靠性受气象、负荷等因素影响很大，供电不稳定，另外还要加装更多的能量储存设备，成本大。独立光伏电站又分户用光伏系统、独立光伏电站以及风光柴一体化混合发电系统。图12 独立运行的光伏发电系统框图（图片来源：自绘）Fig1-2 The alone photovoltaic power system1.1.2.2 并网光伏发电系统与孤立光伏发电系统相比，并网给光伏发电带来很多好处图（1-3）。首先，不必考虑供电质量和稳定性问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再其次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行和维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。图13 并网运行的光伏发电系统框图（图片来源：自绘）Fig1-3 The grid connected photovoltaic generating electricity 1.2 光伏产业的发展现状以及问题1.2.1世界光伏产业的发展现状以及问题近年来世界上太阳能电池总产量以每年超过30%的速度增长，2005年世界光伏系统总装机容量达2200MW，年发电量约为30亿kWh。随着国际太阳能市场的兴起，各大国际太阳电池生产企业的年产能也在不断扩大，而且新的投资商纷纷加入太阳电池工业的行列。到2005年，世界上主要晶体硅太阳电池生产厂家的情况见表（11）。表11 世界上主要太阳电池厂商情况统计（来源：自己统计）Table1-1 The main solar cell manufacturers around the world公司名国家2005年产量（MW）晶体硅种类Sharp日本400单晶和多晶BP Solar英国240单晶、多晶京瓷日本200多晶三洋日本160单晶三菱日本135多晶RWE Schott solar德国110带硅Isofoton西班牙150单晶尚德中国100多晶Solarworld德国80单/多晶Q-cells德国130单/多晶合计1705见上表格，其中Solarworld最近收购了Shell的晶硅电池部门，产能扩张了80MW，而shell由于其开发的染料电池效率达到了13%，因此专门转向染料电池的开发。但是太阳能仍然昂贵，由于世界各个发达国家都分别制定了雄心勃勃的光伏产业扩产计划如图1-4，欧盟内的光伏发电装机容量到2010年将达到3700兆瓦。按照目前欧盟接近1000兆瓦的装机为基准，需要接近50%年装机增速。光伏产业近5年的迅猛发展已导致满足太阳能级硅料呈现出供不应求的局面，由于满足太阳能电池生产需要的高纯度硅生产的核心技术掌握在西方发达国家少数几家企业手中，加之高纯度硅料也可用于军事工业，从而使引进此项核心技术非常困难。高纯硅市场价格更是一路高涨：2003年每公斤24美元，2004年涨到32美元，2005年底更是蹿升至80美元左右。图1-4 世界光伏产业发展状况（来源：石定寰我国光伏产业发展报告）Fig1-4 The worldwide development of photovoltaic industry1.2.2 我国光伏产业的发展现状以及前景2005年，我国太阳电池组件的封装能力已达400兆瓦见图（1-5）， 但是惟独整个产业链的源头，高纯度多晶硅的生产能力只有12兆瓦。我国光伏产业已经面临严重的硅材料短缺危机。并且我国国内光伏应用市场并没有发展起来，主要应用也是在偏远地区，和通信中间站等。因此目前光伏产业的存活已完全依赖于国外市场，受制于人见图（1-6）。图1-5 国内一些大规模太阳能电池企业（来源：可再生能源网）Fig1-5 The main domestic solar cell manufacturers图1-6 世界（左）、我国（右）光伏产业应用分布状况比较（来源：可再生能源网）Fig1-5 The abroad(left) and domestic(right) photovoltaic power applycations1.3 光伏建筑材料的发展概况1.3.1 光伏建筑材料概念及构成光伏建筑材料是指通过把标准光伏组件制作成标准建筑材料与建筑相结合，其本身就是整个建筑材料的一部分。它组成的光伏系统可以作为独立电源供电或者以并网的方式供电，而并网发电是当今光伏应用的新趋势。将现成的光伏建筑材料安装在住房或建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器及逆变器与公共电网相连接，由光伏方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。目前世界光伏建筑材料发展的很快，不但大部分世界知名电池生产厂家开始推出其研发的光伏建筑材料，还出现了大批专业的光伏建筑材料厂商。光伏建筑材料一般分为以下：光伏屋面瓦，光伏天窗，光伏幕墙，光伏遮阳篷以及光伏百叶等，这些光伏建材不但降低了夏天建筑的得热，还充分利用太阳能转化为电能，实现建筑能源完全自给。1.3.2 光伏建筑材料的发展形势光伏（PV）技术除传统的单独用户及特殊领域应用外，正在向高水平和大规模方向发展。BIPV（Building Integrated Photovoltaic)的联网发电已成为近年来PV应用的主要方向和热点。随着世界太阳电池价格的持续走高，造成了光伏组件一直居高不下。太阳电池的昂贵价格一直是阻碍光伏产业发展的主要原因，同时由于太阳能密度低，如果要建立集中电站大量发电的话必将占用大量的土地面积，而主要缺电的地方却在寸土寸金的城市，因此将太阳电池和建筑结合是最好的解决方法。太阳电池和建筑结合不但解决了光伏系统的安装地点问题，而且还可以通过特殊的结构设计替代普通的建筑材料，转移普通建材的成本，降低光伏系统的安装成本。联合国能源机构最近发布的调查报告显示，BIPV将成为21世纪的市场热点，太阳能建筑业将是世纪最重要的新兴产业之一。各国一直在通过各项政策，国家示范项目来推动光伏建材的发展，大力降低光伏电池的制造成本和提高其发电效率。1.3.2.1 美国1993年6月，美国能源部和国立再生能源实验室签定五年合同，实施“PV：BONUS”计划，耗资2500万美元发展与建筑相结合的光伏产品，即建筑幕墙光伏器件和大型屋顶光伏组件等。1997年6月26日在联合国环境与发展特别会议上宣布美国将实施“百万太阳能屋顶”计划。今年1月12日，美国加利福尼亚州公共电力委员会，通过了对安装太阳能发电设备用户实施补贴计划。计划在20072016年未来的10年内，对购买和安装太阳能源发电设备的用户给予相应的资金补贴。新泽西最近也通过了一项光伏计划，即到2020年新泽西的光伏发电量要达到总发电量的2%，达到1500MV【3】。除了这些推动计划，美国还对光伏企业推出了减免税收的政策。在这些计划、政策的推动下，美国出现了很多专业光伏建筑材料以及安装公司。1.3.2.2 日本 日本很重视光伏与建筑相结合的技术。早在20世纪90年代，政府资助一些大学、研究所和公司进行开发研究。1998年，日本三家公司（清水建筑、夏普、川崎制铁）合作研制一种新型建筑材料，即把太阳能电池安装在建筑材料里，并按需要做成三种，用做屋顶和外墙。日本于1992年启动了“新阳光计划”，同时颁布了新的净电计量法，要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量，并实行补贴政策，居民安装太阳能发电设备所花费的投资由政府补贴50%，太阳能所发的电并入电网，政府高价收购，居民用电的价格则低于收购价格。由于居民从中感受到使用太阳能电力的好处，仅去年一年，日本就有8万个屋顶新装了太阳能发电设备。在“新阳光计划”中，每年拨款300多亿日元用于新能源技术开发。日本居民光伏屋顶系统最近5年平均年增长率为96.7%，日本光伏产业2002年生产能力增长了47%，2003年增长了45%。2003年底，日本总共安装887兆瓦，政府计划2010年总计安装4 820兆瓦。这些政策促进了日本光伏建筑材料的发展，夏普、三洋等知名企业纷纷推出了自己的光伏建筑材料，并得到了极大的发展。1.3.2.3 德国德国政府宣布从1999年1月起实施“十万太阳能屋顶计划”。为了推动和保证光伏能源为核心内容的新能源计划的实施，作为1991年的“电力费返退法”（Electricity Feed Law）的延续和拓展，德国政府颁布的“可再生能源法”（REL）于2000年4月1日正式生效。这些政策使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。由于投资回报率高达10%，远高于其它产业，因此光伏产业快速发展。从1999年到2003年德国光伏市场增加了10倍，成本下降20%。2004年新安装的并网发电系统大约200兆瓦，总销售额超过10亿欧元，就业人数约1.5万人。 在光伏器件与建筑相结合方面，ASE所属几家公司分别推出了多种光伏组件，其中有大尺寸（1.5M2.5M）的无边框非晶硅组件，每块组件功率可达360Wp，可用于垂直外墙和倾斜屋顶；也推出了尺寸为1M1.6M的非晶硅不透明组件，可分别用于屋面、垂直幕墙和窗户。1.3.2.4 英国英国于2002年也制定了可再生能源法，该法强制所有电力供应商在3年内，至少提供3%的可再生能源的电力，2010年可再生能源电力要达到总电力的10.4%。1.3.2.5 中国中国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模。早在年，我国已完成并正常使用的太阳能光伏发电系统装机容量为，但主要用于边远地区居民的供电。随着光伏发电领域的转变，我国的系统的研究与开发已取得了很大的发展。政府花费数亿元来支持BIPV系统得推广，投资兴建了许多的光伏建筑项目。近年来，上海也正大力推进太阳能产业的发展，上海“十一五”太阳能发展规划正在筹备论证中，争取2010年上海太阳能发电装机达到30万千瓦，相当于目前上海发电总装机容量的2%。另外政府还投资了1亿元，即将在上海交通大学风雨操场屋顶兴建一个兆瓦级太阳能光伏发电屋顶项目，它并将成为亚洲最大的太阳能发电站。另外在上海东海之滨的临港新城，中国首个太阳能综合利用项目上海电气临港太阳能综合利用项目正式启动，临港新城因此也将成为中国首个太阳能城区。在深圳，国际园林花卉博览园里已经建成国内第一座兆瓦级太阳能发电站。该电站建于2004年，投资6600万元，发电总装机容量达到1兆瓦，是目前中国总装机容量第一的并网光伏发电系统。同时，也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏发电系统之一。该电站采用与市电直接并网的运行方式，投入运营以来，共发电200多万度，全部供园博园使用。江苏一些光伏企业联合体也正在申请筹备实行一千个光伏屋顶计划，同时广东省的一万光伏屋顶计划也正在筹备中。香港特区政府为支持环保工业，香港工业署拨款万港元给香港理工大学，建立第一座“光伏建筑”实验系统，以太阳能为大厦提供部分电力。去年，我国通过了可再生能源法细则，并在今年开始实施，这对我国的光伏发展起了很大的推动作用，但是，光伏发电并没有像风电，生物质能电一样，规定具体的上网电价，这对我国的光伏建筑的发展大大不利。如果光伏发电绿色上网电价的问题得到解决，那么中国的光伏建筑将出现飞跃式发展。1.3.3 光伏建筑材料发展展望目前紧紧围绕降低光伏发电成本的各种研究开发工作一直在发达国家积极地进行。在光伏系统方面，目前已开发出带微型逆变器的光伏组件，这将给光伏系统安装及与建筑集成带来革命性的变化。 建筑材料的开发是目前世界上大规模利用光伏技术发电的一大研究热点，西方发达国家都在作为重点项目积极进行。除了在屋顶安装光伏电池板外，已推出了能替代普通瓦片的光伏屋面瓦。可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。由于价格、法规等因素，系统在我国短期内还难以大规模普及，但随着常规能源的日益枯竭、人们环保意识的日益提高，以及由此促进的制造工艺的革新和技术的发展，一定会展现出强大的生命力。1.4 我国光热利用发展状况 中国太阳热利用产业在近几年得到了快速发展，主要表现在：太阳热利用产量和产值快速增长，年销售量和累计拥有量都已居世界首位；制订并实施了一批国家标准和行业标准，产品质量正在不断提高；技术进步取得可喜的成绩，生产装备和生产手段都在不断完善；随着人民生活水平的提高，太阳热利用市场在全国范围内得到培育和扩大。但同时中国太阳热利用产业也面临一些问题，目前用的太阳热水器连体水箱均放置在屋顶上，严重影响城市风貌，造成了二次环境污染。国内大部分地区都已意识到利用太阳能资源的重要性，许多用户都安装了太阳热水器。另外在城市的高层建筑中，由于太阳能热水器管道保温，以及对屋顶防水层的影响担心，目前只有住在顶楼的住户才能自由的安装太阳能热水器，但是对于一般中下层的住户则根本无法使用。1.5 光热建筑材料1.5.1 光热建筑材料的优点太阳能热水器与建筑一体化概括起来讲，就是将太阳能热水器与建筑充分结合并实现整体外观的和谐统一，形成一种建筑材料。具体来讲包括下面几个优点：1.建筑的使用功能与太阳能热水器的利用有机的结合在一起，形成多功能的建筑构件，巧妙高效的利用空间，使建筑可利用太阳能的部分向阳面或屋顶得以充分利用；2.同步规划设计，同步施工安装，节省太阳热水系统的安装成本和建筑成本，一次安装到位，避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑以有结构的损害；3.综合使用材料，降低了总造价，减轻建筑荷载；4.综合考虑建筑结构和太阳能设备协调和谐，构造合理，使太阳热水系统和建筑融合为一体，不影响建筑的外观；5.如果采用集中式系统，还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率；6.太阳的利用与建筑相互促进、共同发展，使其节省能源，为民众受益。总之，经过一体化设计和统一安装的太阳能热水系统，在外观上可达到和谐统一，特别是在集合住宅这类多用户使用的建筑中，改变使用者各自为政的局面，易于形成良好的建筑艺术形象。1.5.2 光热建筑材料设计中存在的问题目前我国许多热水器厂商都纷纷推出了自己的建筑一体化产品，但是市场反映却很平淡，主要原因在于设计上的各种缺陷，以及建筑本身限制所造成的，在设计安装的过程中应该综合考虑地区资源条件、住宅类型、居民的经济能力、平面布局、建筑外观、热水用量与使用工况、集热气形式与性能、系统配置、运行方式、安装方法、接口形式与尺寸、安全性、维修以及经济技术等因素。设计中存在的主要问题包括：1. 所使用的集热器种类应用不合理，在不同的地方，由于其太阳辐射，环境温度都不同，应该采用何种集热器更加合理，方案众多，其经济性与实用性尚未被确切证实；2. 设计中并没有对安装倾角、管道散热等进行相关的计算，造成集热器设计不合理、吸热效率偏低等一系列问题。同时安装支架的结构强度、美观以及安装方式很随意，这样容易造成安全隐患，不够美观，影响用户的使用信心；3. 太阳能热水器产品生产与建筑设计之间的脱节。太阳能热水器与建筑一体化结合技术方案与使用性能还不能满足城市规划及用户的要求，造成太阳能热水器系统没有成为建筑的部件来设计和安装，与建筑的结合不紧密，其外观与造型难以适应现代建筑物的要求。4. 缺乏必要的规范、标准。由于太阳热水系统与建筑一体化结合工作，往往需与房屋的建造、改造同时进行，这就涉及到房屋设计、建造标准以及太阳能热水器本身的生产标准的问题。上述因素使得目前许多房屋开发商在城市成片住宅小区中不愿意主动大规模采用太阳能热水器系统。另外由于安装热水器在建筑外立面，而且表面多为玻璃，容易被高空坠物砸坏，威胁下面行人的安全，使得大多数用户担心其安全问题而对安装太阳能热水器存在疑虑。1.6 本论文的研究内容1.光伏建筑材料设计与安装研究；2.光伏屋顶系统方案设计、性能测试及经济性分析；3.光伏幕墙模块、百叶系统的方案设计、性能测试分析；4.光电-热混合太阳能雨篷式平板热水器的方案设计。75第二章 光伏建筑材料设计方法第二章 光伏建筑材料设计方法光伏建筑一体化(BIPV)的发电潜力十分巨大。将光伏发电与建筑结合是一种很好的解决电力需求缺口的方式。特别是在欧洲、日本等发达国家，资金充足、政策优越，但土地供应紧张、能源匮乏，在平地上安装太阳能将占用大量土地34。对于光伏建筑材料来说，其节省的常规建筑材料和安装费用约占总费用的10%40%35，各方面经济性研究资料显示：随着PV电路技术以及电池效率的提高以及政府相关优惠措施的出台，BIPV系统在经济上是可行。对于长期投资者，只要设计合理（主要考虑辐射率和电池效率），20年内BIPV系统产生的利润还是挺可观的，BIPV将有机会具有强大的市场竞争力【4】。目前对于光伏建筑材料的总体设计，国内相关研究很少。特别是光伏组件和建筑一体化的安装问题，不但需要有专业的光伏系统设计知识，同时还要求设计者具有较高的建筑设计水平。因此，国内还很缺乏对这方面设计方法有系统的阐述，对它的设计方法进行研究是有必要的。以下本文将对这方面问题做了一些初步的探讨。2.1 光伏建筑材料设计理论与方法光伏建筑材料的设计应该从以下几个方面考虑：1. 建筑材料应用性；2. 建筑材料经济性；3. 安装设计（安装方式、结构计算、倾角设计）；4. BIPV建筑附加安装（电路电气、通风设计）；任何朝向阳光的建筑面都可以应用光伏建筑材料。目前大多数建筑都在建筑立面以及屋顶上的一些附加建筑材料，如遮阳篷、百叶、天窗以及栅栏。在这些系统中，PV材料作为遮风挡雨的建筑材料来替代普通昂贵的建筑材料。就目前来说，玻璃板PV组件比较容易和现存的建筑相结合起来。金属板PV组件37正在发展当中，它极有可能替代现在金属板屋面及外墙装饰材料。由于较低的价格以及较好的性能，目前的研究重点是在玻璃板PV组件上。BIPV系统可以应用在新建筑上也可以安装在改造的建筑上。改造以存建筑存在许多无法预知的额外成本和约束因素。对于已存建筑来说，走线可能会非常复杂甚至有漏电的危险，结构可能无法达到安装光伏建筑材料的要求。因此必须特别注意原建筑的电路以及结构情况。2.2 光伏建筑材料的设计2.2.1基本原则在光伏建筑材料应用设计中，首要考虑的应该是组件的基本物理与电性能，包括：光伏组件边框材料类型、电池材料、可承受的荷载、绝缘性能、温度系数、额定工作温度及性能、低辐照度下的性能以、热斑耐久性能以及湿热-湿冷性能。这些性能都是光伏建筑材料基本需要满足的，一般只有在满足了基本物理和电性能的情况下才能考虑其他。其次光伏建筑材料必须考虑到材料具体建筑功能，是否能达到替代普通建筑材料的功能，各种性能是否能达到普通建筑材料的功能标准。作为一种建筑材料它的防火、防水、结构强度是否能达到设计要求？再次在设计光伏建筑材料时应该还要考虑其美观性。因此，光伏建筑材料设计的目标如下：1. 容易和任何建筑结构设计合成一体，能够比较方便的安装在任何普通结构上，与一般建筑材料能够很方便的衔接。2. 通过特殊的结构设计，光伏建筑材料必须具有良好的防渗性能和防风性能，必须具有和普通建材一样的防风避雨的功能，3. 能有和普通建材一样的持久性能，这主要和安装光伏建材的构件选择材料有关。4. 光伏建材的安装必须符合建筑标准规范，并且和普通建材的安装用时相当。5. 安装工作能由传统安装工人完成。6. 线路连接应该符合相关规范，不能由于接线盒、电线以及安全性的不同而导致复杂化。7. 系统应该提供简便的维修通道。8. 对于晶硅电池光伏建材系统而言，由于其电池存在负温度效应，必须设计相关的降温结构。2.2.2 电池板设计电池板可分为非透光和半透光两种，一般采用双面玻璃封装，双面玻璃是由玻璃EVA胶膜太阳电池EVA胶膜玻璃共5层组成。可以通过控制双面玻璃之间的电池间隙和边缘空隙，来制成580透光率的电池板。理论上用于建筑上的光电池板尺寸越大越好，因为可以减少边框以及固定构件的使用，降低成本，并且可以真正替代大面积的玻璃幕墙，但受工艺方面的限制，目前尺寸大多在1.82.4m以下。电池板上表面玻璃要求要有较高的透过率，一般采用超白低铁钢化玻璃，厚度应当在46mm之间；底板玻璃由于起主要的承重、承压作用，厚度要求在419mm之间，具体厚度应该根据光伏建材安装的部位以及抗风压要求等决定。底层玻璃也应该尽量使用钢化玻璃以避免热应力的破坏。由于目前还没有关于用于建筑物上的光伏玻璃强度要求的国家标准，暂时可以按夹胶玻璃或实测数据来计算。 2.2.3 边框材料的选择光伏组件外框结构主要分成金属外框、塑料外框和无框结构三种。金属外框主要分铝合金外框和不锈钢外框两种，由于铝合金外框质量轻耐腐蚀，对电池板有很好的保护作用，是光伏建筑材料外框的理想材料，因此目前主要应用的是铝合金外框，可以作为任何形式的光伏建筑材料外框。但是铝合金不适合应用在碱性环境中，不能安装接触水泥等碱性环境中37；不锈钢外框比较重，但结构强度很好，主要应用在结构强度需求较大，安装环境条件恶劣或需要特殊材质要求的光伏组件。塑料外框结构强度不大，抗风抗腐蚀性能不是很好，但是结构更轻，目前一般应用在另有其他加固措施的光伏屋面瓦或玩具、灯具上面，工作环境要求不高。无框结构光伏组件不可以作为独立组件直接安装在户外恶劣环境中，它主要作为一种光伏玻璃和其他金属建材通过结构胶密封使用。目前主要直接应用于框架天窗、幕墙上，由于框架天窗、幕墙本身提供铝合金外框并且通过硅胶密封，因此相比铝合金框架组件并没有太大区别。但由于组件在运输、安装过程中容易受到损坏。2.2.4 安装构件设计光伏建筑材料通过特殊设计的构件安装在建筑物的外表面上，原则上要求安装的方式越简单越好，便于安装，方便拆卸，降低安装光伏建材的技术难度。因此光伏建筑材料与建筑物之间的连接构件的设计，对于推广使用光伏建材非常重要。目前有很多总针对光伏建筑材料的构件设计，根据不同的组件类型，总结下来主要有一下几种：1. 用螺丝紧固式，不需要对光伏组件框架进行特殊的设计，通过预先安装在建筑物外表面的型材，可以直接把标准组件固定，这种方式对原建筑结构的规整度要求较高，并且与其他常规建筑材料的兼容性不好；2. 直接钉铆式，即把电池板通过嵌入这种直接制作成一般建材的形状的构件中，按照一般建材的安装方式安装，安装简单，与其他普通建材相容性好，这将是未来光伏建材的发展方向。3. 勾挂式，即将电池板黏附在这种构件中，通过构件的挂钩或插销结构，直接挂接在建筑面结构上。2.2.5 电池材料的选择目前应用于建筑材料的光伏组件中的半导体材料主要包括晶硅电池和非晶硅太阳电池。他们各有优缺点，应用在建筑上的理想部位也不一样。1. 硅系列太阳能电池中，晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。但由于受晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使晶硅成本价格居高不下。同时由于晶硅材料存在的负温度效应【5】，使得晶硅太阳电池的通风降温非常重要，因此目前在建筑屋顶、天窗或遮阳棚等阳光辐射较强，发电能力较高而通风降温问题比较好解决的部位应用单晶硅太阳电池较多。2. 非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，对散射光的吸收比较理想，同时不存在负温度效应6，比较适合安装在太阳直接辐射少的地方。目前还有一些其他特殊的非晶硅薄膜电池，它们各有自己的特殊用途：（1）有些非晶硅薄膜电池可直接在任何形状的衬底上制作，特别是柔性衬底的硅基薄膜电池，可直接做成建筑材料，可极大地节省安装空间，减少系统成本38。（2）可以做成透射部分可见光的硅基薄膜太阳电池，这样的电池很适合做为太阳屋顶及房屋的窗玻璃。（3）在很薄的不锈钢和塑料衬底上制备的超轻量级的薄膜太阳电池39。这种电池具有很高的电功率重量比（300Wkg），应用在建筑上的支撑结构要求不高的地方。2.2.6 组件的基本物理与电性能考虑2.2.6.1绝缘性能绝缘性能是指光伏建筑材料中的载流元件与建材边框之间的绝缘是否良好。在光伏建筑一体化系统中，由于光伏建筑材料直接安装在建筑上面，人与其的接触比较多，因此其绝缘非常重要。1. 在光伏建材中电池板内电池正负极的引出端必须使用绝缘胶密封。2. 组件的引出线在金属框架内走线时，必须采用在外另加一层绝缘套管。3. 光伏组件与构件之间的金属接触部位应该用柔性绝缘垫片隔离。一般要求在建材构件金属外壳于组件内元件之间加上1000V再加上两倍的系统最大电压下维持1min，组件无绝缘击穿或表面无破裂现象，同时绝缘电阻要求不小于50M。2.2.6.2 机械荷载设计机械荷载主要是指光伏组件抗风、雪或冰块等静态载荷的能力。用于建筑屋顶的光伏建筑材料以及安装在建筑立面的光伏组件经常要承受此类负荷。机械载荷的设计包括：组件的玻璃面板设计，边框设计和构件设计为主。1. 光伏玻璃表面强度的设计目前还没有确切的计算标准，目前可以参照夹层玻璃的设计标准强度设计，采用不同厚度的面板玻璃；2. 边框的设计强度可以根据材料的使用部位，国家规定的普通建筑标准，进行设计并相关进行试验；3. 构件强度设计主要依据的是光伏建材使用的部位，需满足的结构强度要求来选择不同的材料。因此必须要求组件在均匀承压2400Pa一小时的情况下，达到以下要求：无间歇断路或漏电、无外观缺陷、功率衰减不超过5%以及绝缘电阻应满足初始试验要求。2.2.6.3 温度系数组件的温度系数包括电流温度系数（）和电压温度系数（），即组件温度与电流和电压之间的关系。由于晶硅电池存在负温度效应，随着温度的升高效率会下降，光伏组件作为建筑材料安装在建筑表面，如果在通风条件不好的情况下，电池组件温度上升得很快，因此应尽量选择温度系数小的光伏组件。2.2.6.4低辐照度下的性能低辐照性能指在25和辐照度200Wm-2的自然光下，组件随负荷变化的电性能。光伏建筑材料特别是光伏幕墙玻璃，由于太阳辐射角很小，经常处于辐射光照不足的情况，因此对散射光的吸收就很重要了，在低辐射照度下的性能要求要高。2.2.6.5 热斑耐久性能热斑效应是指当组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时，工作电流超过了该电池降低了的短路电流，在组件中会发生热斑加热。此时受影响的电池或电池组被处于反向偏置状态，必定消耗功率，从而引起过热。热斑耐久性能是指组件经受热斑加热效应的能力，如焊点熔化或封装材料老化。电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引用这种缺陷。光伏建筑材料经常有可能会被其他建筑物或建筑材料、树木、鸟粪等的遮挡，因此光伏建筑材料的抗热斑耐久性能应该要求比较高。2.2.6.6 热性能光伏组件的热性能包括组件经受由于温度反复变化而引起的热失配、疲劳和不同的应力的能力；组件经受高温、高湿之后的零下温度影响的能力；组件经受长期湿气渗透的能力。2.3 光伏建筑材料的安装设计理想的BIPV组件既能替代建筑材料和支撑结构，又能不附加其他的安装或结构费用。但是BIPV组件同时也是一种电子器件，与普通建筑材料的安装方式相比，其必定有其他的特殊安装要求。2.3.1安装结构光伏建筑材料安装结构形式分为两种即明框、隐框式、无框式安装结构。除了一般的建筑安装标准要求外，光伏建材的安装还有以下特殊要求。1. 无框式结构主要通过两种形式的构件点式驳接抓和点式螺栓固定，都需要对电池板预先钻孔，因此对于光伏建筑材料的安装要求：1.在定制组件前应该详细规划好电池板需要钻孔的位置，以方便在焊接、层压电池板的时候，电池片和焊条远离这些区域。2.电池板的线路引出需经过仔细设计，尽量不显露在内外面可视范围内，影响美观。3.电池板边缘空白区域应稍微留多一点，一般以50mm以上为宜，以保护电池板内部不容易受腐蚀。4.在支撑孔周围应用硅酮建筑密封胶进行可靠的密封。2. 明框结构即金属框架的构件显露于面板外表面的框支承结构，在这种结构上安装只要按照普通玻璃建材安装即可，线路可以隐藏在型材结构内部，钻孔位尽量选择在凹槽内，并用硅酮建筑密封胶固定密封。同时由于对于幕墙来说，横向框架对太阳光线的遮挡，电池效率通常会降低3-5%。因此可以降低横向框架高度，或者甚至只用竖向框架。3. 隐框结构即金属框架的构件完全不显露于面板外表面的框支承幕墙，组件与组件之间用结构胶固定。这种结构的安装应注意以下几点：（1）在安装前应清除电池板和铝框架表面的灰尘、油污和其他污物，应分别使用带溶剂的擦布和干擦布清洁干净；（2）应在清洁后1小时内进行注胶；注胶前再度污染，应重新清洁；（3）采用硅酮建筑密封胶粘结板块时，不应使结构胶长期处于单独受力状况。硅酮建筑密封胶组件在固化并达到足够承受力前不应搬动。a.明框结构 b.隐框结构图21 框架式结构示意图（来源：自绘）Fig2-1 The sketch map of frame clsss structure明框式和隐框式结构都可以适用于BIPV中如图（21）。明框式更加普遍且更便宜，但是存在遮光。阳光照射在明框上会形成阴影，只要一小部分的阴影就能造成效率的大幅度下降7。不过这种影响在竖框结构和系统边缘组件上体现不明显。同时由于光伏玻璃表面的积灰通过雨水冲刷以后同雨水一起容易积累在底边框内侧。在隐框式结构中就不存在阴影作用，但也有其他的问题。安装组件之间的结构胶可能会和电池板中的EVA发生反应，破坏组件的结构和绝缘、密封性能。另外由于隐框式结构中，电池板的整个外观都是可见的，而大多数的组件在边缘处都会有缺陷，颜色会不同，组件边缘不得不再修饰