屋顶支架式光伏组件与幕墙光伏玻璃组件的比较研究

1、屋顶支架式光伏组件与幕墙光伏玻璃组件的比较研究    关键词:建筑节能;光伏建筑一体化;光伏幕墙;光伏玻璃组件文章编号:1009-2374 #8197;(2010)21-0115-04 建筑物消耗的能量大约占总能耗的三分之一。化石能源日益枯竭和化石能源消耗所带来的气候变暖,导致人类赖以生存的环境污染越来越严重,在国际及国内节能减排,低碳经济日趋重要的日趋紧迫的局势下,减少建筑能量消耗越来越重要,意义非常深远且迫在眉捷。 建筑节能可分为被动式和主动式节能。被动式是提高围护结构的热功性能和用电器效率,在不影响人们舒适度情况下,减少能量的消费。随着科技提高及国

2、家相关强制政策的实施,新建建筑的能耗比老式建筑已经下降了一半。主动式节能是通过建筑本身附加装置,通过利用其它清洁能源来达到减少外部电网电能需求。建筑与太阳能的结合来解决建筑所需的部分能耗是建筑节能非常重要的途径。 建筑光伏发电具有省地、节材、直接使用、削峰填谷等优点,是国家重点扶持的低碳经济的重点项目。 1建筑光伏发电的基本形式 建筑光伏发电基本为三种形式:支架式;构件式;建材式。屋顶电站是第一种形式及支架式,其主要是利用建筑屋顶这块地,与地面电站比较接近。构件式是利用建筑的雨棚、遮阳板、栏板构件增加了光伏发电功能。建材式是将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合成在一起成为不可分割的建

3、筑构件,光伏幕墙是其中的形式之一。 从2009年国家统计资料及申请资料上看,第一种形式占据了绝大多数,第二种及第三种尚少,真正意义上的光伏幕墙产品尚属于起步阶段。 光伏产品如何融入建筑,保持建筑风格,具备建筑围护功能,保证建筑水密性能、气密性能、抗风压性能,抗震、采光、隔声、耐撞击及热工性能、美观耐久,避免光伏产品给建筑带来的不利影响,如温度升高、电流危害等,最大限度提高光伏幕墙的产能,降低制造安装成本、提高投资回报率、容易维护、检修、保养,是光伏幕墙面临的急待解决的技术难题。屋顶光伏电站是光伏建筑的起步阶须,随着技术进步将会朝着兼顾发电和建材功能的方向发展。 屋顶光伏电站的成功经验值得总结与

4、借鉴,特别是比较屋顶支架式光伏组件与光伏幕墙光伏玻璃组件之间不同与相同(为了便于两者之间比较,本文光伏幕墙特指垂直立面),采取相应对策,非常有利光伏幕墙水平提高与发展。 2光伏电池选型比较 幕墙光伏玻璃组件的光伏电池选型,对提高光伏玻璃组件的电性能,提高电产能,保证其作为建材必须具备的功能,如抗风、防雨、隔热、绝缘透光、美观、力学性能(足够强度和刚度),不易破损,便于降低成本,施工安装、运输、检修有着非常重要的作用,是光伏幕墙必须解决的技术难题。 光伏电池选用及电性能要求比较。 为了便于论述,本文仅对市场上常见的、产业化的产品进行列表 类别 晶体硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 单晶硅 多晶硅 非

5、晶硅 铜铟锡 碲化隔 光电转换率 12%16% 12%16% 6%9% 11% 9%12% 其中非晶硅薄膜电池是市场主流产品,碲化隔由于会对环境产生二次污染,需要采取相应的回收保证措施。 光电转换率是衡量太阳能电池性非常重要的指标,但不是唯一的指标,设计中如果片面地采用高转换率的太阳能电池,而不进行使用条件分析、成本分析,则会适得其反。 太阳能电池的光电转换率,是在标准测试条件下的转换率: 光源辐照度为1000 W /m2; 测试温度25; AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。 太阳能电池实际使用条件与标准测试条件下的以上三个条件都会产生很大差别,应针对不同环境、不同条件进行分析,并有针对地采取

6、措施。 2.1辐照度差别 光伏工作中采用的太阳常数值是一个衡定值即1367±7W/m2,是指地球大气层之外,平均日地距离处,垂直于太阳光方向单位面积上所获得太阳能辐射能。阳光穿过地球大气层时,至少衰减了30%,加上空气污染云层影响,即使采用最佳倾角安装的太阳能组件也很难达到1000W/ m2的太阳辐射能,况且太阳辐射能随日出与日落和季节不同、云层变化不断变化。 下图为太阳辐射能分布以及发生频率分布图: 表1中国部分城市太阳辐照量统计表 城市 纬度 (°) 最佳倾角 (°) HtKw·h(m2·d 垂直和最佳倾角比值 最佳倾角安装 垂直安 装(南

7、向) 海口 20.02 10 3.8915 2.0771 0.53 广州 23.10 18 3.1061 1.8398 0.59 昆明 25.01 25 4.4239 2.6973 0.61 福州 26.05 16 3.3771 1.8991 0.56 贵阳 26.35 12 2.6526 1.4715 0.55 长沙 28.13 15 3.0682 1.7156 0.56 南昌 28.36 18 3.2762 1.8775 0.57 重庆 29.35 10 2.4519 1.3345 0.41 拉萨 29.40 30 5.8634 3.6935 0.63 杭州 30.14 20 3.183

8、1.8853 0.59 武汉 30.37 19 3.1454 1.8536 0.59        成都 30.40 11 2.4536 1.3863 0.57 上海 31.17 22 3.5999 2.1761 0.60 合肥 31.52 22 3.3439 2.0351 0.61 南京 32.00 23 3.3768 2.0804 0.62 西安 34.18 21 3.3184 2.0009 0.60 郑州 34.43 25 3.8807 2.4450 0.63 兰州 36.03 25 4.0771 2.549

9、5 0.63 济南 36.36 28 3.8241 2.4754 0.65 西宁 36.43 31 4.558 3.0242 0.66 太原 37.47 30 4.1961 2.7699 0.66 银川 38.29 33 5.0982 3.4324 0.67 天津 39.06 31 4.0736 2.7473 0.67 北京 39.56 33 4.2277 2.9121 0.69 沈阳 41.44 35 4.0826 2.8643 0.70 乌鲁木齐 43.47 31 4.2081 2.7818 0.66 长春 43.54 38 4.4700 3.2617 0.73 哈尔滨 45.45 38

10、4.2309 3.0740 0.73 屋顶支架式光伏组件的安装角度不受建筑约束,可以采用最佳倾角安装。而光伏幕墙受建筑约束,从上表可以看出,接受太阳光的辐射强度较低,特别是低纬度地区,差别更明显。因此幕墙的光伏玻璃组件其低光强度(即弱光下)180500W/ m2辐射强 下的光电转换率高低,对其更重要、更关键,决定了光伏幕墙发电效率。因此其采用的光伏电池必须具备良好的弱光性能。 垂直立面获得太阳能辐射强度比最佳倾角的辐照强度会大幅降低,甚至有的立面会没有太阳光直射,只会存在散射光,大约占总辐射量的10%20%。因此,对于北半球而言,光伏幕墙应分布在南立面上,装机容量不够时,可以适当考虑西立面、东

11、立面。北立面建议不要采用。还要考虑周边建筑的影响,低层采用时还应与园林绿化协调,免受较大树林影响、遮蔽。 2.2环境温度的差别 标准测试条件,室温 25。太阳能电池在实际使用时,环境温度会大于25,且受太阳辐射工作时,其太阳能电池温度会上升,温度最高会达到70。 太阳能电池温度上升,会导致转换效率的下降,从而影响光伏系统的产能。 光伏幕墙玻璃组件有隔热性能的要求,且不如屋顶支架式光伏组件散热好。因此,设计必须考虑散热,选择受光后温升幅度小和温度升高而转换率降幅小的太阳能电池。 非采光部位安装的光伏玻璃组件与建筑物墙面要留一定间隙,且须设置通风口,以便夹层空气与外部交换,消除积热。 空气间隙(m

12、m) 损失率 无 10% 50 5% 150以上 最小 标准测试条件:AM1.5地面太阳能光谱辐照度分布。不同季节、不同时间、不同地点、不同方位角、不同倾角、不同城市环境,其太阳能光谱辐照强度分布也在变化,这涉及太阳能电池结构和光谱响应,总之,选择太阳能电池时必须与考虑使用环境下的太阳能光谱辐照度分布情况。 屋顶支架式光伏组件,由于安装在屋顶,可以选择最佳倾角、不易受阴影阻挡影响,而幕墙的光伏玻璃组件,可能受到周围环境、建筑物装饰构件的阴影影响。 综上所述,幕墙用光玻璃组件的光伏电池,必须选择良好弱光性能,良好温升降幅性能及良好遮蔽影响性能的光伏电池,具有良好装饰效果。 各种太阳能电池的比较:

13、 非晶硅薄膜电池弱光效应好,短波响应优于晶体硅太阳电池; 非晶硅薄膜电池温度系数低; 非晶硅的温度系数为0.2%左右,是晶体硅电池(0.5%)的一半,非晶硅薄膜电池因温度升高而引起的输出功率下降比晶体硅好很多,尤其在气候炎热地区和夏天日照强烈的时候尤为明显。 同等功率的非晶硅薄膜电池和晶体硅太阳能电池相比,非晶硅薄膜电池平均全年发电量会比晶体硅太阳能电池高出8%10% 晶体硅太阳能电池因单片Cell 被遮挡引起的组件效率损失 % of One Cell Shaded Loss of Power 0 0 25 25 50 50 75 66 100 75 3 Cells Shaded 93 非晶硅

14、薄膜电池因遮挡引起的组件功率下降比晶体硅少很多。外观一致性好,适合建筑使用,不影响建筑美观。 通过以上比较,结合市场情况,建议非晶硅太阳能薄膜电池作为光伏玻璃组件电池的首选。对于高纬度和年日照时数较大地区可选用其它类型的光伏电池。 3物理特性比较 3.1尺寸规格比较 屋顶支架式光伏组件,面板尺寸规格比较统一。 晶体硅组件规格有: 1400mm×700mm、1800mm×900mm 1600mm×800mm、2100mm×800mm 薄膜电池根据生产线不一致,大致可分为小板尺寸和大板尺寸。 小板尺寸:1245mm×635mm、1397mm

15、5;635mm 大板尺寸: 1100mm×1400mm、 1100mm×1300mm 1200mm×2100mm、1000mm×1600mm 1000mm×2000mm、 2200mm×2600mm 幕墙用光玻玻璃组件,根据建筑分格需要,尺寸不统一,一般分格比较大。这也是限制光伏幕墙发展的一个重要因素,需要建筑师、规划师、幕墙企业及光伏电池企业的共同努力,需要制定相应规范及标准。采用晶体晶硅电池可以调整电池片间隙,来满足面板尺寸要求。采用薄膜电池应根据电池原片尺寸合理调整尺寸大小,保证薄膜电池片能尽量利用,降低组件成本。 玻璃厚度应根

16、据地理位置、尺寸大小、支承条件、风压等经计算后采用不同厚度玻璃封装。        3.2组件构造比较 支架式光伏组件,采用晶体硅电池时,一般为:超白玻璃 EVA P V EVA PTP或超白玻璃 PVB PV PVB 玻璃的封装形式; 采用非晶硅薄膜电池组件时为: 超白玻璃 EVA 3.2(PV) EVA PTP或超白玻璃 PVB 3.2(PV ) PVB 玻璃 幕墙用光伏玻璃组件,一般为两者构造形式 夹胶玻璃组件、 夹胶中空玻璃组件(有隔热要求时采用) 采用晶体硅时: 超白玻璃 PVB PV PVB 玻璃 超白

17、玻璃 PVB PV PVB 玻璃 12A 玻璃 采用非晶硅薄电池时: 超白玻璃 PVb 3.2(PV) PVB 玻璃 超白玻璃 PVb 3.2(PV) PVB 玻璃 12A 玻璃 3.3透光性能比较 幕墙光伏玻璃组件,与支架式光伏组件不同之处,对于需要采光的部分,有透光要求。 采用晶体硅电池玻璃组件,一般调整晶体硅电池片之间的间隙来满足建筑物的采光要求。 薄膜电池组件采光有三种方式: (1)间隔式。用等厚的透明玻璃将薄膜电池片分隔开,然后与内外片玻璃合成封装,依靠透明玻璃的透光率来达到采光要求。如百叶式就是典型的间隔式采光; (2)采用透光薄膜电池,但目前由于技术原因,透过光为茶色不自然,很难

18、满足舒适度要求; (3)点透式。点透光是将不透光的薄膜电池原片,通过激光蚀刻,形成透明小点,来达到采光目的,点透式工艺,因为去掉了有用的光电转换膜层,会导致效率的下降,且对电池片带来负面影响,因此透光率不能过高,一般透光率应限至在30%以下。10%的透光率效果率降低20%,20%的透光率降低40%,30%透光率效率降低60%。也可将以上形式组合,来达到采光性能与电光转换效率和经济成本的平衡。 采光与电光转换是一对矛盾体,高的转换率必须吸收大气光谱的光线,可见光大约占可以转换为电能光线能量60%70%,而且采光部位组件,绝大多数有隔热要求,必须采用夹胶中空组件,散热不佳,组件温度升高,导致效率下

19、降。幕墙光伏玻璃组件在需要采光的部位,在目前技术条件下,尽量少采用.。 3.4色彩要求 幕墙用光伏玻璃组件根据建筑及外观要求,光伏玻璃组件色彩也与之相适应,存在色彩要求。 玻璃组件色彩一般由太阳能电池的颜色决定(虽然可以将第一片玻璃选用其它颜色,但会显著降低效率),太阳能电池的颜色一般为蓝色、深蓝色或者近乎黑色,其它不同颜色有灰色、绿色、红色、橘红色以及黄色也是有可能,但这些颜色的太阳能电池不是按标准工艺生产,它们可能比标准组件的价格更昂贵。深蓝色太阳电池有最高的转换效率。 3.5力学性能比较 屋顶支架式组件和幕墙光伏玻璃组件的力学性能,都必须满足与之相适应的刚度和强度要求。基本风压、安全系数

20、等,可以根据不同的使用寿命,不同可靠度进行选择。 幕墙光伏玻璃组件必须满足玻璃幕墙工程技术规范(JGJ 102-2003)要求; 作用在光伏玻璃组成的不同玻璃上的风荷载和地震作用可按等挠度理论进行分配。 例如t1 PVB 3.2(PV) PVB t2夹层薄膜电池组件为例, t1外层玻璃厚度、3.2(PV)为薄膜电池导电玻璃厚度、t2内层玻璃厚度。 WK= gzS #8196;ZW0 qEK=EmaxGK/A WK1= WK qEK1= qEK WK(3.2)= WK qEK(3.2)= qEK WK2= WK qEK2= qEK 根据不同的支承条件,可按考虑几何非线性的有限元方法计算,也可按公

21、式计算最大应力与挠度 框支承时 WK= 四点支承时 WK= EK= EK= df= ,dfa60 df= , dfb60 D= te=(t13 3.23 t23)1/3 gz阵风系数,应按现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定采用; S风荷载体型系数,应按现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定采用; z风压高度变化系数,应按现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定采用; w0基本风压(kN/m2),应按现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定采用; WK作用于夹层玻璃上的风荷载标准值(N/mm2); WK1、WK2分别为分配到各单片玻璃的风荷载标准值(N/m

22、m2); WK(3.2)为分配到薄膜电池玻璃基片的风荷载标准值(N/mm2) E动力放大系数,可取5.0; max水平地震影响系数最大值, GK玻璃幕墙构件(包括玻璃面板和铝框)的重力荷载标准值(kN); qEK作用于夹层玻璃上的地震作用标准值(N/mm2); qEK1、qEK2分别为分配到各单片玻璃的地震作用标准值(N/mm2); qEK(3.2)为分配到薄膜电池玻璃基片的地震作用标准值(N/mm2); A玻璃幕墙平面面积(m2); D玻璃的刚度(Nmm); te夹胶玻璃的等效厚度(mm); 泊松比; 挠度系数,可由玻璃板短边与长边边长之比a/b; 折减系数; df在风荷载标准值作用下挠度最大值(mm); t1、t2分别为各单片玻璃的厚度(mm); a矩形玻璃板材短边边长(mm); b支承点间玻璃面板长边边长(mm)。 根据以上计算可以选择内、外片玻璃厚度,选择玻璃的热处状态及钢化玻璃或半钢化玻璃。3.2(PV)薄膜电池玻璃基片,由于电池工艺及精度要求,只能按浮法玻璃的强度取值。  &