長春地區(qū)居住建筑太陽能構(gòu)件適配性設(shè)計研究

趙暉++謝偉雙++郭格靜++佟子睿

【摘 要】構(gòu)建適配問題是太陽能建筑一體化的技術(shù)關(guān)鍵，在分析太陽能組件的設(shè)計特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合長春地區(qū)示范工程的建設(shè)特點及要求，提出建設(shè)性意見。

【關(guān)鍵詞】太陽能構(gòu)件；適配性；調(diào)研

1.太陽能電池板與建筑屋頂適配性設(shè)計的特點

太陽能電池板是由太陽能電池組件組合而成的。太陽能電池板在建筑屋頂設(shè)計一體化的應(yīng)用上比太陽能集熱器優(yōu)勢更大。

首先，太陽能電池板重量輕、厚度薄、建材化的太陽能電池板對屋頂?shù)暮奢d小。因此，在屋頂上預(yù)先預(yù)埋支架便能有效的將太陽能電池板成功的安裝。

其次，太陽能電池板是由很多個片狀形式的太陽能電池組件組合而成，其在工程項目應(yīng)用中可以根據(jù)實際需求靈活定制。

最后，太陽能電池片根據(jù)制作材料不同，其力學(xué)性能、電學(xué)性能和顏色均有變化。比如多晶硅太陽能電池片多個組合而成的太陽能電池板表現(xiàn)出來的顏色為綠色、藍色、金色和紅色等多種顏色，可根據(jù)建筑各自的性質(zhì)適當(dāng)選擇，以豐富屋面的色彩，本試點工程選擇藍色太陽能電池板。

2.太陽能電池板與建筑屋頂適配性設(shè)計的形式

理想的太陽能光伏屋頂系統(tǒng)首先必須具有防風(fēng)避雨以及審美的功能，這表明它應(yīng)具有以下基本要求：

第一，能較容易與其它建筑屋結(jié)構(gòu)設(shè)計合成一體，保證建筑自身必須的防水，與普通瓦的成本接近并同樣具有持久性能。

第二，太陽能光伏系統(tǒng)與普通建筑屋頂安裝做法相同或接近，同時必須符合建筑標準規(guī)范。

第三，理想的太陽能光伏系統(tǒng)可以由傳統(tǒng)的建筑屋面安裝工完成。

第四，太陽能光伏系統(tǒng)線路連接必須符合相關(guān)規(guī)范，避免由于電線、接線盒以及安全性不同而導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜化。

第五，太陽能光伏系統(tǒng)留有簡便的維修空間。

太陽能電池板與住宅屋頂設(shè)計一體化的形式主要體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，在坡屋頂建筑的屋面結(jié)構(gòu)上附加太陽能電池板的支架，保證其與屋面之間保持一定的架空層，架空層不小于100mm，這樣有利于太陽能電池板背面的降溫和通風(fēng)。合理選擇太陽能電池板的形式、功率和顏色，在坡屋頂協(xié)調(diào)布置，使建筑整體具有美觀性。

第二，太陽能電池板安裝于整個坡屋面的南向、西向和東向坡面，其節(jié)省和替代了普通瓦的安裝，每組太陽能電池板之間用鋁合金框與屋面結(jié)構(gòu)固定，太陽能電池板之間用黑色塑料密封，起防水作用，保證該屋頂太陽能光伏系統(tǒng)有25年的壽命。

第三，建材化屋面太陽能光伏瓦，其外觀形狀、安裝形式與普通屋面瓦相似。例如：Star Unity AG生產(chǎn)的陽光瓦（Sunny Tile），瓦片長440mm，寬260mm，厚35mm。1m2的屋面需要13塊陽光瓦，每塊重量約為1kg。

3.吉林省長春市朝陽區(qū)52.25kW太陽能光伏發(fā)電項目調(diào)研

筆者在論文創(chuàng)作期間對吉林省長春市當(dāng)?shù)氐奶柲芄夥l(fā)電項目做了調(diào)研，該項目位于長春市朝陽區(qū)修正路與震宇街交匯南200米，地理位置為北緯43.825°，東經(jīng)125.295°，項目設(shè)計單位是中電電氣光伏電站事業(yè)部，該光伏發(fā)電項目的發(fā)電系統(tǒng)采用用戶側(cè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)方案，該項目的總裝機容量52.25kW太陽能光伏發(fā)電項目，太陽能電池板順支架平面安裝。光伏發(fā)電站的優(yōu)點是無污染、建設(shè)周期短、維護簡單、能源質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、使用壽命長和不受太陽能資源分布地域性的限制。

通過國際通用衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫得到以下氣象信息，該項目采用的太陽能電池板的規(guī)格是1640mm*990mm*40mm，最大額定功率P為250W，選用了陽極氧化的抗腐蝕的鋁合金材質(zhì)邊框作為剛性支撐，傾角為30°，每塊太陽能電池板由60個規(guī)格為156mm*156mm的太陽能電池片組成，把電流和電壓都很小的單片太陽能電池片經(jīng)過串聯(lián)獲得高電壓，再經(jīng)過并聯(lián)獲得高電流，把它們封裝在一個鋁合金邊框上，上面依次安裝光伏鋼化玻璃，封裝EVA，太陽能電池片背面的背板、充入氮氣、密封，整體稱為太陽能電池組件，俗稱太陽能電池板，接著通過二極管（防止電流回輸）輸出，當(dāng)太陽能電池板局部產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的時候，二極管將工作，讓主電流不再從有熱斑的太陽能電池片上通過，從而限制太陽能電池板發(fā)熱和性能損失，再通過逆變器將光伏產(chǎn)品在光照情況下產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｄ苁褂玫慕涣麟?，將交流電儲存在光伏配電柜里，供日常使用或賣到公用電網(wǎng)。該項目屋頂總計有200塊太陽能電池板，板與板間隔20mm，經(jīng)板底接線盒串連共同發(fā)電，其中單晶硅太陽能電池板共計90塊，每塊單晶硅太陽能電池板功率為275W，型號為275W-60M，多晶硅太陽能電池板共計110塊，每塊多晶硅太陽能電池板功率為250W，型號為250W-60P，經(jīng)技術(shù)人員計算，其日平均發(fā)電量1kWh，即1度電，國家補助為0.14元/kWh，并網(wǎng)賣電價格為0.88元/kWh，按市場價格每4元/瓦的價格，太陽能電池板的價格約為1000元/塊，太陽能電池板標準條件發(fā)電為25℃，可承受的最低溫度為零下50℃，屋頂每天的總發(fā)電量最大為350kWh，年平均每天的總發(fā)電量為200kWh。

4.結(jié)語

綜合長春海外學(xué)人創(chuàng)業(yè)園住宅試點工程的地理位置，建筑設(shè)計狀況等因素，筆者采用嵌入式瓦屋面光伏電池與坡屋面的結(jié)合應(yīng)用方案，屋面多晶硅太陽能電池板發(fā)電，為住戶日常所需的電視、電燈、空調(diào)等供給電力，多余的電用太陽能蓄電池儲存，或者余電上網(wǎng)，到公共電網(wǎng)賣掉，與建筑一體化的太陽能熱水方面，住宅采用集中集電，分戶供水的綜合系統(tǒng)，綜合住戶的電熱水器，因為考慮到電熱水器儲熱水水量有局限性，為保證住戶突然的熱水需求以及維修管理簡單方便，因此在住宅屋頂為每為住戶設(shè)置獨立的儲熱水箱，綜合試點工程分析了工程最佳適配的太陽能建筑一體化系統(tǒng)，同時調(diào)研了長春當(dāng)?shù)匚蓓敯惭b的太陽能工程，獲得了長春地區(qū)多晶硅太陽能電池板的具體發(fā)電數(shù)據(jù)，經(jīng)濟效益，為當(dāng)?shù)靥柲芙ㄖO(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

參考文獻：

[1]鄧曉敏，沈輝.屋頂計劃催生光伏瓦.太陽能，2005年.第六期：24-25.

[2]Maria Cristina Munari Probst， Christian Roecker. Towards an improved architectural quality of building integrated solar thermal systems（BIST）. Solar Energy， 2007（81）： 1104-1116.

[3]王麗穎，王智宇.嚴寒地區(qū)居住類建筑節(jié)能75%的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，02：65-67+108.

作者簡介：

1.趙暉（1967.04-），男，漢，長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計學(xué)院副教授（碩導(dǎo)），研究方向：建筑設(shè)計及其理論、建筑技術(shù)。

2.謝偉雙，郭格靜，佟子睿均為長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計學(xué)院研究生。