1.前言
1991年光伏建筑一体化(Building-integrated Photovoltaics)的概念被正式提出,简单地讲,就是将光伏组件(词条“光伏组件”由行业大百科提供)或材料作为建筑物的一部分,同时发挥其发电功能[1]。BIPV的出现,实现了光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡,由集中电站向分布式供电模式过渡,该技术可进一步结合发电侧运行优化和用户侧需求预测管理技术,必将成为最具前景的建筑节能技术之一。
BIPV的优点相当明显:1)使用清洁能源,减少燃煤发电的使用量,减轻了环境污染;2)发电就地使用,减少发输配电过程的损耗;3)具有保温(词条“保温”由行业大百科提供)隔热及采光通风功能,可降低空调和采暖负荷;4)充当建筑物的外围护结构,节约了外装材料,也节省了宝贵的城市用地资源[2]。
我国在2006年6月实施的GB/T50378-2006 《绿色建筑评价标准》中也明确提出:将可再生能源发电作为绿色建筑评价的最优选项;2014年《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》发布后,各地区积极制定配套政策和实施方案,有力推动了分布式光伏(词条“光伏”由行业大百科提供)发电的多种方式利用,截止2013年底,我国分布式光伏发电累计总装机容量突破300万千瓦[3,4],
光伏产品与建筑集成到一起,统一规划、设计和施工,在满足建筑功能的同时,又可产能,是一种先进的绿色建筑技术。目前,光伏建筑一体化的常见应用形式有:光伏幕墙、光伏采光顶、光伏栏杆、光伏百叶以及光伏小品。光伏百叶在建筑的应用实例较少,大面积应用的更是屈指可数。
顺德区第一人民医院易地新建项目光伏发电工程,是一个光伏建筑一体化应用的典型案例,该项目在立面大面积使用光伏百叶的元素,并且在建筑群屋面的花架安装了光伏系统(词条“光伏系统”由行业大百科提供),在不改变建筑外观的前提下,既为建筑供能,又成为夏热冬暖地区建筑必不可少的遮阳构件(词条“构件”由行业大百科提供)。
2.工程概况
本项目位于广东省佛山市顺德区(地区环境温度:年平均温度22摄氏度,最高气温39.3摄氏度,最低气温达4.1摄氏度;日照时间:年均日照1489.2小时,全年平均辐射量5361.1MJ/m2),在顺德人民医院的立面和屋顶安装光伏发电系统(词条“光伏发电系统”由行业大百科提供)(其中立面面积10360平方米),共安装光伏百叶百叶9807块,光伏组件2464块,总功率1013.6kW。
3.光伏建筑一体化设计
本项目光伏系统的安装区域分为屋面花架和立面两个部分。其中,屋面花架分别有1#、5#、6#、7#楼,立面分别有1#、2#、3#、5#、6#、7#楼。
3.1建筑设计
3.1.1屋面花架光伏系统
屋面花架作为建筑结构的一部分,其作用主要是装饰,少部分可以遮阳,这在建筑设计中是一个非常常见的元素。然而,这类飘板、格栅、花架等,往往是不具备遮阳、导光、导风、载物、辅助绿化等功能作用的装饰构件。在花架安装光伏系统,特别是已建建筑,是改变花架使用功能的重要手段,使其既保持观赏性、遮阳,还可以发电,为建筑产能。以顺德人民医院为例:
(1)安装区域
本系统安装于顺德人民医院1#、5#、6#、7#楼的花架上。该医院建筑群设计的花架凸出于建筑,只具框架不具有功能,安装光伏系统以后,不会改变现有建筑造型和外观,使其成为建筑的遮阳构件,还可以发电。
(2)结构安装
光伏系统利用花架梁为主体梁,Z型钢为次横梁,通过后置连接埋板固定次横梁于花架梁上,形成光伏系统龙骨结构,支撑上部光伏组件。光伏组件通过不锈钢螺栓(词条“螺栓”由行业大百科提供)与次横梁有效连接。经计算,符合建筑结构相关规范。
3.1.2 立面百叶光伏系统
光伏幕墙、光伏百叶是光伏系统在立面运用的主要形式。相比于幕墙,百叶有其独有的特点:可根据不同地区太阳高度角以最佳倾角安装、通风、遮阳、可以安装在普通幕墙外起到装饰建筑的效果。本文以顺德人民医院为例,介绍光伏百叶在建筑的运用。
(1)建筑设计
顺德人民医院建筑群的设计是在玻璃幕墙外安装光伏百叶。此种设计决定了光伏百叶分格必须服从于玻璃幕墙的分格。而因建筑造型或使用功能的原因,玻璃幕墙的分格有多种尺寸,使得光伏百叶组件的尺寸多达15种。整个建筑群共安装光伏百叶组件1369块,总功率1013.6kW。
经过阴影分析和计算,确定光伏百叶的最小间距为650mm,倾角为15°。如图:
(2)结构安装
光伏百叶的立柱必须与建筑玻璃幕墙的竖向分格缝对齐,在层间与建筑结构连接,在能满足结构安全的同时,使整个系统与建筑形成有机整体。
光伏百叶因其结构特点,不可能使用幕墙框架结构来安装。通常玻璃百叶的安装,归纳起来通常为两种形式,一是点玻式,而是夹板式。点玻百叶安装方便、形式美观,适应绝大部分安装环境,但是价格昂贵。夹板式则需要在合适的安装环境下使用,才能达到形式美观、安装方便的效果,但其价格相比点玻式便宜不少。本项目使用了夹板安装技术,安装节点如下图。
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日前,广东金刚玻璃科技股份有限公司获得由德国莱茵技术认证中心(TUV Rheinland)颁发的PVB封装双玻璃光伏建筑组件产品认证证书,国内能获得此殊荣的仅此一家,产品各项技术指标完全符合IEC及EN等国际标准的要求,标志着我国光伏建
全球最大的光伏建筑一体化低能耗生态建筑——尚德光伏研发中心大楼竣工。这里将成为尚德公司国家级企业(集团)技术中心的研发基地。
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随着光伏发电领域的转变,我国BIPV系统的研究与开发已取得了很大的发展。“九五”期间,我国在深圳、北京分别成功建成170kW、7kW光伏发电屋顶并实现并网发电。“十五”和“十一五”期间,北京、上海、深圳等地相继建成了多个BIPV工程,如