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光伏发电幕墙在当代建筑立面上的应用研究

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叶知 | 2020-5-20 10:20

◎ 中文题名 光伏发电幕墙在当代建筑立面上的应用研究

◎ 英文标题 Research on the Application of Photovoltaic Curtain Wall in the Facade of Contemporary Buildings

◎ 文章编号 

◎ 作  者 谢龙

◎ 作者机构 陕西鼓风机(集团)有限公司

◎ 刊  名 节能与环保

◎ 期  号 第C1期

◎ 页  码 107-108

◎ ISSN 1009-539X

◎ 出版日期 2020

◎ 来  源 《节能与环保》 2020年第C1期 P107-108页

◎ 分 类 号 TU238.1

◎ 关 键 词 太阳能光伏,建筑立面一体化,发电幕墙,应用

◎ 摘  要 

光伏发电幕墙在当代节能建筑应用中越来越受业主的喜爱。如何将光伏电板和当代建筑立面完美结合,是光伏电板在建筑中推广应用的重点和难点之一。本文从光伏发电幕墙与当代建筑立面的布置的角度考虑,对光电玻璃在建筑立面上的应用进行相应分析和研究,希望为当代建筑的智慧、绿色设计提供更多支持。

◎  正  文


随着传统能源的枯竭与环境保护的要求,我国大力扶持、鼓励新能源的开发和利用,尤其是太阳能得到了前所未有的发展。最开始的太阳能是放在屋顶上为用户提供电力。屋顶可利用面积有限,而当代建筑多为高层,这就为立面光伏幕墙提供了很大的机遇。用光电玻璃替代普通玻璃用于当代建筑幕墙中,能够为光伏光电玻璃提供较大的受光面积,又不需要额外的土地,同时还能省去光电玻璃的支撑结构,是今后值得发展的重点领域,也被认为是太阳能建筑一体化的发展方向。太阳能建筑一体化,使建筑本身成为一个能源的提供者而不是纯粹的消耗者,是当代绿色、智慧建筑的发展方向。


1 光伏幕墙光电玻璃

光伏幕墙使用的光电玻璃可分为硅基薄膜和碲化镉(CdTe)薄膜两大类。


1.1 硅基薄膜太阳能电池

凡是以硅为主要材料的薄膜类太阳能电池称之为硅基薄膜太阳能电池。材料主要为微晶硅与非晶硅,硅基薄膜太阳能电池的硅层厚度仅为晶硅电池的0.5%,约1μm左右。生产硅基薄膜太阳能电池的过程耗能少、无毒、无污染,能够实现大批量生产。其产品拥有良好的弱光性,在阴雨天等紫外线低的环境下,比晶体硅电池有更高的吸收率和更好的高温性能。相比晶片型电池,它的透光率可调且更美观协调。它的热斑效应不明显,受局部光线遮挡影响少,比晶片电池更可靠。硅基薄膜太阳能电池的外观呈现出红褐色,是一种偏暖色调系列,适合于偏暖色系列的建筑使用。


1.2 碲化镉薄膜太阳能电池

在玻璃制品或其它材料上依次沉积多层薄膜而形成的光伏组件称为碲化(CdTe)薄膜太阳能电池。CdTe是一种具有高吸收系数的化合物半导体,吸收系数是硅的100倍,其产品拥有良好的弱光性,对全光谱吸收都较好,所以在清晨、傍 晚、阴雨天等紫外线低的环境下,与晶体硅电池相比有着较高的吸收率和高温性能。同时,其温度系数低,在高温工作环境下受温度影响导致功率下降幅度较小。相比晶片型电池,它的透光率可调且更美观、更协调。它的热斑效应不明显,受局部光线遮挡影响少,比晶片电池更可靠,能够达到25年80%以上的输出功率。CdTe薄膜太阳能电池的外观呈现出浅灰色,是一种偏冷色调系列,适合于偏冷色系列的建筑使用。


2 光伏发电幕墙在当代建筑立面设计中的应用

光伏发电幕墙中的光伏方阵与当代建筑立面组合的形式有光伏方阵与立面结合、光伏方阵与立面集成两种。根据不同的结合方式,建筑立面光伏产生的效果及发电量有很大的差异。


2.1 垂直式

2.1.1 垂直光伏幕墙


如果与承重结构分离布置,属于非承载结构(如图1所示)。本布置可不受承重结构的影响,光伏幕墙可以建成一层独立的外表,按照不同的外表面灵活设计。同时可标准化生产,应用于商业综合体建筑、图书馆和展览馆等建筑的立面。还可根据当地的温度情况,将建筑立面设计成可呼吸的生态玻璃幕墙,温度较高时利用双层玻璃幕墙的“烟囱效应”,减少进入建筑内的太阳辐射能量,起到保温隔热的作用,降低建筑内制冷能耗;温度较低时利用光伏幕墙的“温室效应”,提高建筑的保温能力,减少了供热能耗。


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图1 垂直光伏幕墙示意图


2.1.2 结构式光伏幕墙


与垂直式幕墙不同,结构式光伏幕墙由光伏构件和玻璃共同构成,是建筑的立面的两个组成部分(如图2)。结构式光伏幕墙在设计过程中,通过选择光伏板种类和透明度,满足建筑内视线和光伏发电的要求。建筑立面上安装透明和半透明的光伏组件在视线范围内,其它位置采用不透明的光伏组件,采用这样的设计可避免光伏幕墙产生的光污染等问题。



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图2 结构式光伏幕墙示意图


2.2 倾斜式

2.2.1 锯齿式垂直幕墙


锯齿式垂直幕墙可设计成横向和竖向布置。通常建筑在设计过程中,受位置和周围场地等条件的影响,建筑局部采用水平锯齿状布置(如图3)来解决朝向和景观问题。这样既使建筑立面多样化、增强立面的纹理感,同时也有利于对太阳辐射的利用。采用这种幕墙布置不仅对幕墙的结构要求高、施工复杂而且存在难清理等问题。竖直锯齿状(如图4)优点是能够使光伏幕墙获得更大的受光面积,排列错落有致、韵律感强。同时为了满足采光和光伏电板的安装要求,解决视线和遮阳问题,建筑的窗户和墙体在人视线范围以下部分向下倾斜布置;在视线以上的部分设计光伏组件,实现建筑能源供应。


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图3 横向锯齿状幕墙


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图4 竖向锯齿状幕墙


2.2.2 倾斜式光伏幕墙


建筑外表面立面采用倾斜处理是当代建筑常用的方法。倾斜建筑体不仅造型独特、视觉冲击力强,又增加了光伏受光面增大发电量。对于当代建筑比如商业综合体建筑、博物馆和展览馆等,在满足相关功能前提下,如果将南立面倾斜设计,这样光伏组件就形成了倾斜式光伏幕墙(见图5),这样就实现建筑的能源供应。


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图5 倾斜式光状幕墙


2.3 独立式光伏幕墙

在当代的新建建筑和既有建筑节能改造中比较常见独立式光伏幕墙。它是使用太阳能光伏板作为遮阳板与建筑立面一体化设计(见图6)。建筑窗户考虑当地太阳高度角、遮阳效率和室内采光需求等情况,采用光伏板遮阳。选择不透明、半透明的光伏组件来控制太阳辐射量,这样就达到遮阳和采光的要求,同时利于室内的温度调节,从而降低了制冷的能耗。


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图6 光伏立面遮阳示意图


3 经济分析

参考上海某建筑光伏立面幕墙的案例:立面光伏幕墙面积约1700m2,南面立墙布置为垂直光伏幕墙,总装机量为120kW,一年可发电14.3万kWh,可节能约50tce,年均减少二氧化碳排放约140t,年均减少二氧化硫排放1t,年均减少氮氧化物0.7t,相当于为城市种了10000棵绿树。可以看出光幕幕墙能产生可观的社会效益和经济效益。


4 结语

通过将光伏组件与建筑立面的不同方式的组合,使光伏发电幕墙成为建筑的有机组成部分,达到能源与建筑的完美结合。因此光伏发电幕墙在当代建筑立面的应用研究和推广中,我们首先应该由常规的设计思想向绿色、智慧建筑的方向转变。其次,应根据当代建筑立面实际情况,开发适应当代建筑立面光伏幕墙的构造技术,使建筑本身成为一个能源的提供者而不是纯粹的消耗者。光伏发电幕墙在当代建筑立面上的应用是当代绿色、智慧建筑的发展方向。


参考文献


[1]于波,韩帅,吴翠姑,等.光伏建筑一体化技术的应用与创新[J].电气技术,2009(8):120-121.

 

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