第三代太阳能光伏建筑一体化———光伏建筑一体标准化.doc

第三代太阳能光伏建筑一体化光伏建筑一体标准化董磊 尤尼索拉津能（天津）能源有限责任公司 摘要：第一代光伏建筑一体化是通过利用量身定做的支架把组件安装在民用住宅或商用建筑上；第二代光伏建筑系统中组件慢慢取代了建筑物屋顶的封皮；随着商用柔性组件的出现，第三代光伏建筑系统采用的是与标准建筑能够完美结合的柔性光伏组件。本文的第一部分将描述柔性光伏产品组件是由非晶硅为主要原料制成，并且将对柔性光伏产品的特殊性能和其优势做详细说明，这些组件是利用三结非晶硅太阳电池在不锈钢衬底上制造完成。在本文的第二部分将会叙述PV组件在光伏建筑上的进化过程。可实施的光伏建筑组件新突破的成为光伏建筑一体化发展进化先决条件，这种新发明克服了传统光伏产品的缺陷。现代光伏产品的目标是通过利用柔性非晶硅薄膜太阳组件在标准建筑上的粘合，为现代工业建筑的屋顶板打造一个稳定、功能性强、性价比高以及寿命久的光伏组件。 一 柔性组件的原理和工艺 经过研发改良利用卷到卷的工艺把三结非晶硅合金沉积在不锈钢衬底上。在2.6KM长，0.36M宽，厚度0.125毫米的不锈钢带上以1cm/s的速度生产加工，以下是生产流程： 1.清洗不锈钢衬底 2.在反射器上沉积 3.非晶硅在合金上沉积 4.表面加防反光涂层（ITO）图一 25兆瓦生产机械设备 图1这台机器大约是100米长，平均产量是25兆瓦。9层的A-SI和A-SiGE合金将在这里被沉积。蓝、绿、红电池对应不同的光谱波段：底电池吸收红光，中电池吸收黄或绿光，顶电池吸收蓝光，这样的光谱分波段吸收性能是提高电池效率的关键，在低光照水平和散射光下，也是如此。 到此电池沉积完成，接下来的步骤是： 1.切割不锈钢金属材料 2.钝化 3.电极 4.切割电池 5.电池和旁路二级管的连接 6.层压 7.对组件进行湿漏电、电性能参数和外观的模拟检测 ETFE、EVA、电池等材料封装组件，并且为每张电池两端都加装了旁路二极管，组件的背面是一层丁基胶的设计，成品组件厚度只有4MM。常规组件的规格是5.5M*0.4M和2.85M*0.4M分别是136峰瓦和68峰瓦。 利用这种先进的技术层压的组件优势在于： 柔性 轻便（3.4kgs/m）l 高温性能好l 可行走的组件ll 容易与建筑曲面结合 耐阴影l 遮挡、污染损失更小l 每年发电量受阵列倾斜角度和方位的影响小l 二 光伏建筑一体化的演化进程 随着客户的需要太阳能组件逐渐演化为建筑光伏产品。在现在看来，发现不是所有的建筑都适合安装组件。接下来列举出一些针对光伏建筑一体化（BIPV）负面的评论，主要是针对如何让安装在屋顶的光伏产品遵守标准建筑要求防水。 2.1 第一代光伏建筑体系 第一代光伏建筑体系是将光伏产品安装在建筑物的屋顶上。在当时现有的技术下，组件方阵只能被平行的安装在屋顶的表面：图二 第一代光伏建筑 商业建筑的屋顶通常是平坦的，安装光伏系统的时候需要用精心设计支架，架起一定的倾斜角度，在当时这样是最合理的解决方式。然而，这些支架在屋顶整体外观上遭到了质疑，以及在其材质和工艺上提出疑问。 2.1.1 支架具有不寻常的重量 在居民住宅建筑上安装太阳电池的支架不是一个问题，因为典型的住宅结构是为了防积雪，那么它同样也能承受框架结构的电池组件。然而，在商业建筑屋顶上这些不寻常的支架的重量被评论为一个很重要的问题，特别是在一些老型建筑上和轻型农业建筑上，这些附加的重量背负在屋顶上是显而易见的。举个例子，在商业屋顶上安装太阳电池支架的常用办法是用沙子或等质量的物质去填充塑料槽来固定屋顶的支架。这项工艺可以避免钻孔来固定支架带来的损害。这产生的重量通常最大达到100千克每平方米，也就是说屋顶结构需要达到这个承受范围。 2.1.2风阻 当过重的支架被安装在屋顶上时，在通常情况下，风阻是存在的。甚至在太阳组件被平行安装在屋顶时，风阻也是显而易见的，这种情况可能会影响到建筑屋顶的结构。为了避免对静态建筑的影响，相关联的定时风力需要被仔细测量出来。特别在商用建筑平坦的屋顶上装有一定倾斜角度的组件支架与风阻产生的影响就将更为明显。风阻给建筑带来的压力的大小取决于建筑物的高度和当地的平均风速，根据建筑物代码和标准参照，有些建筑物是要被静态评估是否能安装。但是，即使是最精确的计算也无法阻止突如其来的不寻常的风速。通过对组件的改良，他们研发了挡风蓬去遮挡风。生产支架的工厂需设计一种装置是能够在强大的风力下防止组件被风刮走后，而且仍然能够固定住屋顶不被风掀翻，屋顶掀翻带来的经济损失远远超过了丢失组件的损失。图三 第一代光伏建筑一体化 2.1.3 对屋顶的损害 现在大多数的建筑都是具有防水功能的屋顶，以防止水渗入到建筑物内。然而钻孔安装组件与屋顶不透水功能却相互抵触。 2.1.4建筑物和支架安装时协调原则 当遭遇重大损失的时候，以下问题就显得尤为重要了： 谁做的？ll 他被授权做这个工作了吗？ 他是否接收到正规的培训？l 建筑工人建造了屋顶，而安装系统的工人把光伏系统安装在屋顶上。针对水渗入屋内事件中，以下问题是： 谁造成了损害？ll 谁来维修屋顶？ 谁来承担修理费用？l 谁来承担室内修理费用，例如被损害的室内物品？l 2.1.5 维修 通常商用建筑屋顶的倾斜角度是2-5度。如果支架被倾斜安装在屋顶上，那维修工作变得复杂，排水或积雪的路径也变得狭窄，甚至在发生起火事件时难以展开施救。 2.2 第二代光伏建筑体系 第二代光伏建筑一体化的特征是组件取代了部分房屋的屋顶，具备其功能。图四 第二代光伏居民建筑一体化图五 第二代商业建筑一体化 组件变得多功能化降低他们的成本费用这是十分有益的。组件作为部分屋顶，这项发明优点是与建筑完美结合，美观一组件多用，可以通过用不同的玻璃封装，使其既能发电又具有隔音或隔热等不同作用；缺点是受位置角度等条件的制约，发电效率受影响，分组、布线等相对复杂。如果不能解决这些问题，那么这一代光伏系统不会在市场上占有很多份额。 2.2.1采用非标准材质 一个减少成本费用的关键是采取标准建筑解决方案。这对于光伏建筑一体化同样适用，但是在第二代光伏建筑一体化中大部分采用量身制定组件。这项在建筑原则上导致不合标准的建筑材料并且成本费用高。 2.2.2 学科间的工程学说 现已被注意到一些组件安装设计单位并没有足够的建筑学背景，未能考虑把光伏产品结合到部分建筑物中。组件在基本功能上的要求上还是面临挑战，比如防水性、隔音效果、防寒排热的性能。 2.2.3 温度性能 更高的环境温度会降低组件的输出功率：组件的峰值功率是在25摄氏度的条件下测得的，以晶体硅组件为例温度每升高1摄氏度，组件峰值功率损失0.135-0.145%，这样的话也就是说在100摄氏度的温度时组件的功率降低10%。所以这方面在设计系统时应该特别以免充电工作点严重偏移。 2.3第三代光伏建筑体系 1998年尤尼索拉公司开始大规模商业化生产柔性光伏组件。图六 尤尼索拉柔性组件 通过对建筑材料工厂的材质挑选，这些封装材料被结合到现代建筑物中。标准工业建筑对于屋顶材质要求是由不同的金属做成，例如钢、锌钛铜合金、铝和柔性非金属材质的屋顶薄膜。这是在基于屋顶标准材质的原则下，再配合上尤尼索拉的层压材料，根据IEC61646审核被认证这一产品是耐用并且坚固的。这种组件的优势是： 柔性设计 轻便l 风阻更小l 根据建筑代码和规章制度采取传统带认证的建筑材质确保其防水性能ll 在高温情况下，比晶体硅电池输出的功率大 屋顶可以行走以便维修l 不理想摆放方向和倾斜角度对于发电效率影响极小。ll 电池组件的安装和屋顶搭建程序一样简单 以下几张图片展示了柔性组件实施的几个例子。所有项目中有个共同点就是组件完美地融入到建筑屋顶上，屋顶结构保持了原有的外观。l 图七展示了ThyssenKrupp的太阳电池产品，一个绝缘金属板，1米宽24米长。 图八展示了Alwitral Evalon的太阳电池产品，单一的屋顶夹层薄膜。 图九展示了铝制永久性夹层，同样可以贴合曲面上。ll 图十展示了用太阳电池为材质的屋顶薄膜。图七图八图九图十 3. 小结 随着柔性组件的发