BHPV——建筑光伏蜂窩模塊

安徽長遠綠色能源有限公司 ■ 余曉東 張光琴 程金雨

一 引言

建筑能耗占社會總能耗的30%～40%，建筑節(jié)能是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施之一。BHPV是將光伏發(fā)電、建筑裝飾、節(jié)能保溫、建筑圍護系統(tǒng)的防火和防水等多種功能集成融合的新型標(biāo)準(zhǔn)建筑材料。該材料較好地解決了光伏組件的熱斑效應(yīng)難題，具有環(huán)保無污染、材料可回收循環(huán)利用的優(yōu)點，模塊輕質(zhì)且平整光潔，耐侯性強和隔音效果好，并且可緩解城市熱島效應(yīng)，高強度的結(jié)構(gòu)特征有效解決了幕墻裝飾材料的破碎和脫落等安全隱患。BHPV徹底改變了建筑圍護系統(tǒng)的單一功能，將綠色能源和節(jié)能環(huán)保及循環(huán)經(jīng)濟深度整合，推動建筑圍護系統(tǒng)深度產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)建筑和光伏應(yīng)用的突破性發(fā)展。BHPV作為全球范圍原創(chuàng)性的技術(shù)，具有完整的知識產(chǎn)權(quán)體系保護。其大規(guī)模推廣對推動社會與經(jīng)濟發(fā)展，構(gòu)建人與自然的和諧發(fā)展具有極其重要的促進作用。

二 光伏建筑的成本分析

建筑的圍護系統(tǒng)通常由主體材料、保溫層、防水層、裝飾層和固件構(gòu)成。光伏蜂窩模塊構(gòu)成的建筑維護系統(tǒng)，完全取代了上述材料，一次性投入的綜合成本和玻璃幕墻相當(dāng)。而建筑的安全性和使用價值得到了極大的提高，其發(fā)電帶來的經(jīng)濟效益，最終將遠超過建筑圍護系統(tǒng)的建造成本。

1 玻璃幕墻的成本

玻璃幕墻的造價在600～1400元/m2之間。玻璃厚度和玻璃夾層材質(zhì)對價格影響較大。通常玻璃幕墻在內(nèi)側(cè)還要做防水和隔熱層，該價格未在預(yù)算內(nèi)。

2 大理石幕墻的成本

大理石幕墻的造價在700～1200元/m2之間。石材品質(zhì)對價格影響較大，高檔次的石材遠超過玻璃幕墻造價。同樣，石材幕墻在內(nèi)側(cè)也要做防水和隔熱層，該價格未在預(yù)算內(nèi)。

3 光伏蜂窩模塊的屋頂和墻體成本

光伏蜂窩模塊建筑圍護系統(tǒng)造價約960元/m2，其中，光伏組件成本約580元，鋁蜂窩和鋁背板成本約80元，鋁合金龍骨與隔離鋁板成本約80元，結(jié)構(gòu)膠及附件約30元，逆變器及附件130元以及施工成本60元。光伏熱管蜂窩模塊建筑圍護系統(tǒng)的造價約1090元/m2。

4 政策補貼和上網(wǎng)發(fā)電對成本的影響

按140W/m2裝機功率計算，住建部補貼1260元/m2(補貼高于造價成本)。上網(wǎng)電價按1元/kWh計算，轉(zhuǎn)換效率90%，日均日照系數(shù)6h，年發(fā)電收益275.94元/m2。光伏蜂窩模塊建筑圍護系統(tǒng)的造價回收周期約為4年。

三 知識產(chǎn)權(quán)保護及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂與推廣

光伏蜂窩模塊和光伏熱管蜂窩模塊作為全球源發(fā)型的新技術(shù)，將技術(shù)、專利、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化整合在一起，實現(xiàn)完整的覆蓋保護，為產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。知識產(chǎn)權(quán)保護及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂的推廣，將遵循技術(shù)專利化、專利標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)國際化，最終實現(xiàn)國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化布局的思路實施戰(zhàn)略。

目前，項目核心技術(shù)已經(jīng)申報了多項中國國家發(fā)明專利和PCT國際專利，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制訂也已緊鑼密鼓地展開。爭取在較短時間內(nèi)，取得全球的專利體系保護，將企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)上升為中國國家標(biāo)準(zhǔn)進而上升為國際主要國家的標(biāo)準(zhǔn)，為中國在光伏應(yīng)用領(lǐng)域獲得最大競爭優(yōu)勢發(fā)揮重要作用。

已受理的專利有：200810175446.2；201120002472.2；201120002762.7； 201210051491.3；201210051481.X；201220073454.8；201220073442.5；201210051482.4；201220073443.X；201210051497.0；201220073462.2；201210139823.3；201210273012.2；PCT/CN2012/079541；PCT/CN2012/079542；201210308479.6；201220428789.7；201210308481.3；201220428725.7。

四 光伏產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)與BHPV

光伏行業(yè)現(xiàn)今面臨的困境，本質(zhì)上是產(chǎn)業(yè)與市場脫節(jié)。光伏無論作為消費品還是投資品，其使用價值或投資回報率都沒有可比性，沒有競爭力必然表現(xiàn)糟糕。而光伏產(chǎn)業(yè)集成了當(dāng)今先進技術(shù)及工業(yè)規(guī)模化制造，在可預(yù)期的將來，提高轉(zhuǎn)換效率與降低組件成本日趨困難。

占用土地資源發(fā)展能量密度低與間歇性和不穩(wěn)定的光伏，不具備可持續(xù)性。即使在貧瘠土地上發(fā)展光伏電站，也會帶來高壓輸變電和系統(tǒng)維護等問題，光伏遠距離高壓并網(wǎng)對交流主電網(wǎng)將是個災(zāi)難。

光伏組件背板等材料是石化易燃品。因制造缺陷或光照局部遮擋，組件的熱斑效應(yīng)將是個嚴重問題。組件連接器和發(fā)熱嚴重的接線盒，導(dǎo)致光伏組件火災(zāi)隱患嚴重。在建筑上使用如不采取措施，將會帶來嚴重的火災(zāi)隱患和結(jié)構(gòu)安全問題。同時，逆變器和匯流箱也是嚴重的火災(zāi)隱患點裝置。國內(nèi)外多起火災(zāi)事故表明，應(yīng)引起重視。

BHPV基于光伏組件的材料特性進行全新設(shè)計，顛覆了光伏的產(chǎn)品定義，解決了光伏的成本和安全隱患問題，是系統(tǒng)優(yōu)化的最佳結(jié)果。

五 光伏蜂窩模塊

BHPV是一種新型的光伏建筑材料，這種材料即具有光伏組件的技術(shù)優(yōu)勢，也具備鋁蜂窩板的性能特征。這種技術(shù)組合較好解決了光伏組件和鋁蜂窩板的成本高、安裝復(fù)雜等技術(shù)缺陷。

BHPV的表面是光伏組件，中間芯層是鋁質(zhì)六邊形蜂窩，背面是合金鋁薄板或鋼化玻璃，中間芯層和表面及背面之間有一層專用的熱熔膠膜（聚乙烯醇縮丁醛PVB或聚乙－乙酸乙酯EVA），經(jīng)抽真空和高溫高壓復(fù)合粘接成型，并裝配在專用的鋁合金邊框內(nèi)，如圖1所示。

圖1

1 蜂窩材料

鋁蜂窩板是航空、航天材料在民用建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。鋁蜂窩板是全鋁結(jié)構(gòu)，是綠色、環(huán)保、節(jié)能的新型建材，被譽為21世紀最佳的幕墻建材。其相互牽制的密集蜂窩猶如許多小工字梁，可分散承擔(dān)來自面板方向的壓力，使面板受力均勻，保證了面板在較大面積時仍能保持很高的平整度。由于蜂窩復(fù)合板內(nèi)的蜂窩芯分隔成眾多個封閉小室，阻止了空氣流動，使熱量和聲波受到極大阻礙，對100～3200Hz的聲源降噪可達20～30dB，導(dǎo)熱系數(shù)為0.104～0.130W/M·K，因此，起到隔熱、保溫、隔音的效果(如圖2所示)。

圖2

2 專用接線盒

接線盒是光伏組件的重要部件，是電氣防水及硅電池片與外部電氣的連接部件。接線盒內(nèi)的數(shù)個旁路保護二極管(并聯(lián)TVS放電管)，是光伏組件熱斑效應(yīng)的保護器件，每個二極管承受幾瓦至十幾瓦的耗散功率，其散熱問題非常突出。光伏組件的接線盒通常采用全封閉的塑料結(jié)構(gòu)，內(nèi)部二極管的散熱條件非常差，在極端情況下溫度達到100℃以上，有自燃的可能性(光伏電站的多起火災(zāi)事故中，接線盒問題最為嚴重)。

光伏蜂窩組件的電氣接線盒內(nèi)置于蜂窩芯層中，一面粘接在光伏組件的背面，另一面與背面的鋁薄板接觸并固定，防水性能更加優(yōu)良。接線盒內(nèi)的旁路保護二極管的散熱面，直接與背面的鋁薄板固定接觸，或與鋁合金邊框固定接觸，如圖3所示。這種安裝方式利用光伏蜂窩組件的背面鋁薄板或鋁合金邊框，很好的解決了接線盒的內(nèi)置旁路二極管散熱難題。接線盒內(nèi)置是光伏蜂窩組件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化模塊的必備條件之一。

3 專用連接器

圖3

光伏蜂窩模塊兩側(cè)的正負極專用連接器，是光伏蜂窩模塊直接拼裝的電氣部件，實現(xiàn)了光伏蜂窩模塊間無線纜連接。連接器的導(dǎo)電極采用雙層多觸點彈簧壓接結(jié)構(gòu)，正負極連接器相互咬合并可實現(xiàn)電氣密封，連接安全可靠。連接器與接線盒之間的線纜內(nèi)置于蜂窩芯層中，如圖4所示。

圖4

4 專用鋁合金邊框

專用鋁合金邊框的作用是固定光伏蜂窩組件主體材料，提供標(biāo)準(zhǔn)的電氣連接端口、組件及組件之間的防水密封，安裝在專用龍骨上并與建筑物表面直接固定?；阡X合金邊框的標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有足夠的機械強度和高可靠性的結(jié)構(gòu)支撐，并符合相關(guān)建筑規(guī)范要求。

5 透光光伏蜂窩模塊

屋頂和墻體的局部透光是建筑的基本功能之一。透光光伏蜂窩模塊的背板是鋼化玻璃，光伏組件的背面是透明的PVDF聚偏氟乙烯膜，這種模塊在建筑的應(yīng)用，能獲得蜂窩狀的透光效果。

6 光伏熱管蜂窩模塊BTHPV

光伏熱管蜂窩模塊的表面是光伏組件，光伏組件的背面依次是熱融膠膜、太陽能集熱管、熱融膠膜、吸熱膜、熱融膠膜、鋁蜂窩芯、熱融膠膜和背面鋁板。經(jīng)抽真空和高溫高壓復(fù)合粘接成型，并裝配在專用的鋁合金邊框內(nèi)。光伏熱管蜂窩模塊具有和光伏蜂窩模塊相同的結(jié)構(gòu)特征，其收集的熱能可用于中央空調(diào)器的制冷和制熱，或用于斯特林發(fā)動機發(fā)電，也可直接熱能使用或熱能儲存。

光伏熱管蜂窩模塊是一種新型的熱電聯(lián)供建筑材料，這種材料即具有光伏發(fā)電和太陽能熱利用的技術(shù)優(yōu)勢，也具備鋁蜂窩板的所有性能特征。這種技術(shù)組合較好解決了光伏組件和太陽能集熱管以及鋁蜂窩板的成本高、安裝復(fù)雜等技術(shù)缺陷，使光伏發(fā)電效率從15%左右提高到太陽能的基本完全利用。太陽能集熱管被封裝在光伏組件和鋁蜂窩板的中間，充分利用了光伏組件的加熱作用和背面鋁蜂窩板的保溫功能，實現(xiàn)了三者的最優(yōu)組合。太陽能集熱管吸收光伏組件的熱量和透過光伏組件的光能，通過熱管閉路循環(huán)控制溫度，有效降低了光伏組件的溫度并提高光伏組件的工作效率，也增強了光伏組件的可靠性。

六 光伏蜂窩模塊的安裝

光伏蜂窩模塊安裝需要高度平整，水平和垂直方向?qū)R，模塊間距相等并確保正負極連接器連接可靠。屋頂安裝需要確保足夠的強度，承重不小于1000kg/m2。此外還要確保模塊連接處的防水密封。

1 專用龍骨

由于光伏蜂窩模塊兩側(cè)有連接器，模塊之間必須水平對齊安裝，而建筑的外墻材料不允許用自鉆螺絲固定，光伏蜂窩模塊必須和專用的龍骨使用。光伏蜂窩模塊的安裝，要確保高平整度和模塊整齊對接，同時又要兼顧施工誤差，需要龍骨具有很強的裝配兼容性。

光伏蜂窩模塊的龍骨總成，包括專用的螺栓和壓塊，龍骨主體的三個面分別沿其長度方向設(shè)有兩個相互對稱的插槽型腔，兩者之間構(gòu)成螺栓插槽。專用螺栓的螺帽插在龍骨的螺栓插槽內(nèi)，螺桿置于兩個模塊鋁合金邊框的半橢圓形安裝孔中，以螺母和專用壓塊固定壓緊，如圖5所示。

圖5

2 防水密封及隔離鋁板和結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放

兩塊光伏蜂窩模塊的鋁合金邊框形成一個凹槽，凹槽里面填充防水結(jié)構(gòu)膠至鋁合金邊框的L形加強筋上端(包括連接器也被填充)。L形加強筋承受了結(jié)構(gòu)膠體積變化的應(yīng)力，可解決溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠脹縮使粘接處容易剝離的問題，防止結(jié)構(gòu)膠剝裂致結(jié)合處滲水。

隔離鋁板兩端有與鋁合金邊框上F形槽匹配的插槽，鋁合金邊框F形槽上有固定和導(dǎo)水凸出結(jié)構(gòu)。隔離鋁板屏蔽太陽紫外線，防止紫外線對內(nèi)部防水結(jié)構(gòu)膠的降解老化作用。隔離鋁板上面涂硅酮防水膠，其表面結(jié)構(gòu)能有效避免防水膠脫落，進一步強化防水效果。隔離鋁板插在鋁合金邊框的凹槽中，提高了模塊的裝飾效果，強化模塊結(jié)合處的結(jié)構(gòu)強度，使模塊結(jié)合處具有3層防水結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6

建筑圍護系統(tǒng)應(yīng)用溫度范圍較寬，溫度變化導(dǎo)致材料體積的變化，帶來結(jié)構(gòu)安全和防水密封的挑戰(zhàn)。隔離鋁板中間的弧形結(jié)構(gòu)，當(dāng)拉伸或屈服時通過弧度變化而釋放模塊應(yīng)力。隔離鋁板與鋁合金邊框F形槽的三角形凸出結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力作用下F形槽結(jié)構(gòu)變形，模塊獲得應(yīng)力釋放空間。隔離鋁板決定了鋁合金邊框凹槽的尺寸，并限制鋁合金邊框構(gòu)成凹槽時最小材料間距約1mm，保證了凹槽的安裝精度和應(yīng)力釋放空間。

3 保溫強化層

龍骨內(nèi)側(cè)增加插槽，可安裝板狀材料與模塊背面構(gòu)成功能材料填充區(qū)，填充不同材料可達到不同的使用效果，如保溫材料、隔音材料等。

4 安裝過程

在建筑主結(jié)構(gòu)中預(yù)埋固定L形夾鐵的螺栓，夾鐵可以水平方向調(diào)整位置偏差，而龍骨的結(jié)構(gòu)沒有垂直誤差現(xiàn)象。

BHPV的鋁合金邊框固定在龍骨上，模塊之間沒有線纜連接，直接將正負極連接器對插串聯(lián)安裝。一串模塊兩側(cè)的正負極用線纜與電氣柜連接，線纜外套保護管并固定在模塊側(cè)邊的鋁合金邊框里。

七 建筑應(yīng)用的安全性措施與效果圖

太陽電池的熱斑效應(yīng)，嚴重影響光伏陣列的發(fā)電效率及組件的使用壽命。金屬蜂窩結(jié)構(gòu)改變了熱斑溫度分布，計算機防真結(jié)果降低熱斑溫度將近20℃。BHPV還具有閉環(huán)控制內(nèi)部溫度功能，可徹底解決熱斑效應(yīng)的問題。

安全是建筑光伏一體化的關(guān)鍵，BHPV的接線盒及線纜內(nèi)置蜂窩芯層中。模塊之間沒有線纜直接通過連接器串聯(lián)，模塊陣列到電氣箱的線纜外套防護管并固定在鋁合金邊框凹槽里。所有連接器、接線盒、線纜及防護套管都密封在鋁蜂窩芯和結(jié)構(gòu)膠內(nèi)，與空氣隔絕無有機材料外露，屋頂或墻體沒有任何凸出物和線纜，有效防止材料老化和燃燒及漏電隱患。

圖7 效果圖

逆變器和匯流箱是大電流高壓設(shè)備，特別是逆變器內(nèi)部高功率密度的電力電子器件和變壓器，自燃隱患嚴重。本項目配套的“一種具有爆炸滅火與電源開斷雙重功能的自動控制裝置”專利產(chǎn)品，可在逆變器和匯流箱內(nèi)部安裝，或?qū)⒛孀兤骱蛥R流箱安裝在電氣柜內(nèi)。設(shè)備自燃時爆炸滅火裝置檢測到燃燒煙霧或危險溫度，內(nèi)部填充炸藥點燃（或明火燃爆），炸開干粉滅火劑覆蓋著火點表面并隔絕氧氣實施滅火，同時爆炸斷路器切電源，阻斷電源造成持續(xù)的安全隱患并發(fā)出火警信號。

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