光伏系統(tǒng)與貴州山地民居一體化研究

張騰元 楊孫煒*

（1、六盤(pán)水師范學(xué)院，貴州 六盤(pán)水553004 2、水城區(qū)應(yīng)急管理局，貴州 六盤(pán)水 553000）

1 貴州地區(qū)區(qū)域特征

貴州的土地以山地丘陵為主，基本沒(méi)有平原，早些時(shí)候交通不便利，所以貴州民居，特別是山地民居，在很大程度上都保留了其民法族文化特色。獨(dú)具個(gè)性的民族文化與地域文化，貴州山地民居大部分都是依山而建，以山為基石的吊腳樓，或者以山為原材料臨水而建的石板房，民居在建設(shè)過(guò)程中，充分利用自然條件的同時(shí)也大量應(yīng)用其當(dāng)?shù)靥赜械慕ㄖ牧?，建造出了一個(gè)個(gè)獨(dú)具民族風(fēng)格的建筑族群[1]。

圖1 貴州地區(qū)特有的吊腳樓

從太陽(yáng)能資源來(lái)看，根據(jù)相關(guān)資料[2]可知，從貴州省集中開(kāi)發(fā)區(qū)的輻射站收集到的數(shù)據(jù)分析可知，其太陽(yáng)總輻射量及太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度按照《太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射》(GB/T 31155－2014)中的相關(guān)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，全省資源處于豐富等級(jí)，盤(pán)州處于資源很穩(wěn)定等級(jí)，水城、普安、興仁、興義、安龍?zhí)幱谫Y源穩(wěn)定等級(jí)，其余地區(qū)在一般或欠穩(wěn)定等級(jí)。穩(wěn)定度等級(jí)自西向東逐漸降低，適合太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用。

對(duì)于現(xiàn)在的貴州民居來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在保留其原有的建筑理念的基礎(chǔ)上，與當(dāng)代節(jié)能綠色的建筑理念相結(jié)合。貴州省蘊(yùn)藏著豐富的太陽(yáng)能資源，如果利用建筑技術(shù)，將光伏系統(tǒng)與貴州民居相結(jié)合，在改善居住環(huán)境的基礎(chǔ)上，還能起到減少建筑能耗，保護(hù)環(huán)境的作用。

2 貴州山地光伏民居建筑設(shè)計(jì)研究

根據(jù)對(duì)貴州省地理環(huán)境，氣候條件，人文特色及太陽(yáng)輻射量綜合分析，對(duì)于現(xiàn)在的貴州山地民居來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在保留其原有的建筑理念的基礎(chǔ)上，與當(dāng)代節(jié)能綠色的建筑理念相結(jié)合。貴州省所在地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的太陽(yáng)能資源，如果利用建筑技術(shù)，將光伏系統(tǒng)與貴州山地民居相結(jié)合，不僅能改善居住環(huán)境，還能有效減少建筑能耗，保護(hù)環(huán)境。

根據(jù)對(duì)貴州省地理環(huán)境，氣候條件，人文特色及太陽(yáng)輻射量綜合分析，擬在貴州省水城某地建造一座二層高度為6.39m，屋頂采用封閉式雙坡屋面，屋面傾角為30°的光伏民居一體化建筑，由于建筑屋頂位于建筑最高部位，接受日照條件最好，時(shí)間最長(zhǎng)且?guī)缀醪皇苷趽?，可以充分發(fā)揮光伏系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)擬用光伏屋頂來(lái)進(jìn)行光伏系統(tǒng)與貴州民居一體化設(shè)計(jì)研究。

圖2 硅太陽(yáng)電池組件

光伏屋頂和普通屋頂相比，其承受的荷載除了風(fēng)荷載、雪荷載以外，還包含光伏組件的自重、由于太陽(yáng)電池組件需要經(jīng)常清洗以保證其發(fā)電效率，故不存在積灰荷載。

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[3]計(jì)算:

（1）永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

永久荷載主要包括太陽(yáng)電池組件和零配件的自重，太陽(yáng)電池組件的重量一般在30kg/m2左右，零配件按0.05kN/m2來(lái)算，可以得出永久載荷組合值0.35kN/m2。

（2）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

其中

wk-作用在建筑上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；

βz-風(fēng)振系數(shù)；

μs-風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz-風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

w0-基本風(fēng)壓。

計(jì)算可得作用在其上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=0.04kN/m2。

（3）雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

其中

sk-雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；

μr-屋頂積雪分布系數(shù)；

s0-基本雪壓(kN/m2)；

計(jì)算可得雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值sk=0.30kN/m2。

（4）荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值計(jì)算

其中

S-荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；

γG-永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；

2.4.3 Spearman相關(guān)分析 受訪者的醫(yī)院級(jí)別(ρ=-0.416，P<0.001)、職稱(chēng)(ρ=-0.135，P<0.05)、最高學(xué)歷(ρ=0.386，P<0.001)與其對(duì)指南的認(rèn)知情況相關(guān)；受訪者的醫(yī)院級(jí)別(ρ=-0.303，P<0.001)、最高學(xué)歷(ρ=0.261，P<0.001)與其對(duì)指南的應(yīng)用情況相關(guān)。受訪者對(duì)指南的認(rèn)知與應(yīng)用情況相關(guān)(ρ=0.593，P<0.001)。

SGk-永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；

Swk-風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；

Ssk-雪荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；

γw、γs-風(fēng)荷載、雪荷載分項(xiàng)系數(shù)，為1.4；

ψw、ψs-風(fēng)荷載、雪荷載組合值系數(shù)，分別為0.6 和0.7；

計(jì)算得S=0.75kN/m2

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)市面上常見(jiàn)的四種雙玻光伏組件在對(duì)邊簡(jiǎn)支、四邊簡(jiǎn)支、四點(diǎn)支撐的邊界條件下進(jìn)行模擬，分析其彎曲性能是否能滿(mǎn)足建筑荷載規(guī)范要求。

3 雙玻光伏組件機(jī)械載荷試驗(yàn)的有限元模擬

本文借助有限元軟件ANSYS 對(duì)太陽(yáng)電池組件進(jìn)行有限元分析。考慮到硅太陽(yáng)電池組件中整體厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)寬且多層疊加這一特性，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用ANSYS17.0 中的Shell181 復(fù)合材料殼單元進(jìn)行建模[4]。

采用相關(guān)文獻(xiàn)[5]-[6]中測(cè)試所得的材料力學(xué)性能參數(shù)。建立的矩形殼單元結(jié)構(gòu)分為五層，自下而上分別是：背板玻璃，EVA，硅電池片，EVA，蓋板玻璃。盡管實(shí)際組件內(nèi)部太陽(yáng)電池片為不連續(xù)鋪設(shè)，但為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，此處將電池層視為連續(xù)一層鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型如圖4 所示。

圖3 單晶硅雙玻光伏組件結(jié)構(gòu)

圖4 計(jì)算模型

計(jì)算可知，在對(duì)邊簡(jiǎn)支邊界條件下的硅太陽(yáng)電池組件的應(yīng)力云圖如圖5 所示，位移云圖如圖6 所示。

圖5 邊界條件為對(duì)邊簡(jiǎn)支的硅太陽(yáng)電池組件在0.75kN/m2荷載下第一主應(yīng)力云圖(Pa)

圖6 邊界條件為對(duì)邊簡(jiǎn)支的硅太陽(yáng)電池組件在0.75 荷載下位移云圖(m)

4 結(jié)論

本文對(duì)在0.75kN/m2荷載下的四種不同尺寸的光伏組件分別在對(duì)邊簡(jiǎn)支、四邊簡(jiǎn)支、四點(diǎn)支撐這三種不同邊界條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 各邊界條件下各尺寸組件第一主應(yīng)力值(MPa)

從ANSYS 計(jì)算結(jié)果分析可知，對(duì)比表1 中的第一主應(yīng)力值，四種尺寸，三種邊界條件下硅太陽(yáng)電池組件的最大應(yīng)力均位于組件的中間區(qū)域，大小均遠(yuǎn)小于鋼化玻璃的最大強(qiáng)度，結(jié)合撓度云圖，可以得出，組件的中間區(qū)域是決定整個(gè)組件損傷情況的關(guān)鍵位置，在今后對(duì)BIPV 中硅太陽(yáng)電池組件在該邊界條件下的安全性的研究中,應(yīng)選擇組件中間段區(qū)域的最大應(yīng)力為控制應(yīng)力，其最大不能超過(guò)蓋，底板玻璃的極限應(yīng)力。硅太陽(yáng)電池組件其彎曲性能均滿(mǎn)足建筑荷載規(guī)范要求。但是，組件與建筑相結(jié)合時(shí)，還需要其承載時(shí)撓度變形不宜過(guò)大以保證該建筑的一體化美觀性。利用ANSYS 對(duì)該載荷下在三種邊界條件下的不同厚度尺寸組件的撓度進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算值如表2 所示。

表2 各邊界條件下各尺寸組件撓度值(mm)

對(duì)比表2 中的撓度值，可以得出，在四點(diǎn)支撐條件下，組件厚度偏小時(shí)，組件撓度變形較大，不僅影響建筑美觀性，還容易引起人們的恐慌心里，所以，當(dāng)太陽(yáng)電池組件與建筑屋頂一體化時(shí)，不建議使用四點(diǎn)支撐這樣的結(jié)合方式。綜合研究討論玻璃厚度，EVA 厚度及邊界條件這三種參數(shù)的不同對(duì)太陽(yáng)電池組件彎曲性能影響，發(fā)現(xiàn)：在邊界條件不變的情況下，增大玻璃或EVA的厚度尺寸，都會(huì)降低太陽(yáng)電池組件的撓度及應(yīng)力，尤其是增加玻璃層的厚度，使太陽(yáng)電池組件整體的撓度及應(yīng)力出現(xiàn)大幅度下降。所以，在組件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)強(qiáng)化蓋，背板玻璃的性能，使組件撓度和應(yīng)力降低，偏于安全。在玻璃或EVA的厚度尺寸不變的情況下，不同邊界條件的組件撓度和應(yīng)力的分析中，在對(duì)邊簡(jiǎn)支另對(duì)邊自由下和四邊簡(jiǎn)支下的組件撓度幾乎相同，但是，四邊簡(jiǎn)支的組件撓度和應(yīng)力最小，采用四邊簡(jiǎn)支的組件能承受較大的載荷，其變形較小且偏于安全。因此，安全性及經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，推薦使用厚度尺寸為3.2+1+3.2(mm)的硅太陽(yáng)電池組件以四邊簡(jiǎn)支的形式與貴州山地民居屋頂一體化。