深入了解BIPV光伏建筑一體化的設計規范、設計過程、影響因素

本文通過分析 BIPV 系統的設計規范、已建成項目的特點、BIPV 產品的特點，提出 BIPV 系統設計中應特別注重的影響因素。

建筑光伏一體化系統是建筑專業與電氣專業相結合的新型專業，要滿足建筑專業、電氣專業的雙重要求，作為建筑的一部分時還特別需要注意滿足建筑的安全性和功能性。從設計標準的角度而言，隨著太陽能工程建設經驗的逐年增多，光伏行業標準、國家標準等已日益健全，下面分別從國內和國外標準兩個方面介紹。

?國內標準

迄今為止，國內與建筑光伏一體化相關的標準可分為國家標準、行業 、地方標準和團隊標準，根據應用對象的不同可分為工程建設標準和產品應用標準。

地方標準和行業標準則側重于約定相關產品研發、設計、安裝和功能性標準，主要包括建筑光伏組件或材料、建筑光伏發電系統和建筑光伏組件的測試辦法。其中中國建筑裝飾協會在 2020 年組織研究并制定了《光電建筑技術應用規程》明確系統設計應包括光電建筑圍護系統 設計和光伏發電系統設計兩個部分，指出光電建筑使用的光電建筑應具有功能：外圍護功能、發電功能，為建筑安全、可靠的電力來源。

? 國外標準

國外相關標準主要制定者主要是國際電工委員會（International Electro technicalCommission ，簡稱 “ IEC”）、歐盟 European Union ，簡稱 “ EU”）和國際標準化組織International Organization for Standardization ，簡稱 “ ISO”），已制定的標準包括產品標準和工程 設計標準， IEC63092 1:2020 [ 和 EN50583 1 :2016 [ 給出了建筑用光伏組件的定義、與建筑附件光伏系統的區別，要求建筑光伏產品應滿足建筑材料的要求，并至少具備如機械剛性或結構完整性、能夠保護建筑主體結構不被外部環境影響、節能環保、防火、降噪音、安全等功能。

IEC 63022:2020和 EN 50583 2:2016是建立在原有太陽能成熟的行業規范中而新增了建筑行業的要求，提出了系統設計應綜合考慮建筑系統的可靠性、抗風、保溫隔熱、節能環保方便的設計功能，并給出 了參考的計算公式。

建筑光伏一體化系統的設計主要可分為光伏系統的設計和建筑系統的設計。光伏系統的設計是 結合 現場 的具體場景 匹配用電側的用電要求 基于項目地點的太陽能資源、溫度等環境因素下 計算出合適的太陽能組件 方陣， 匹配相應設備容量，達到整體 系統的 經濟性和合理性 。建筑系統的設計是其作為建筑結構的一部分需要滿足使用性能的要求，其次需要滿足結構穩定、經濟、美觀的要求。

? 光伏系統設計原理

太陽能并網發電系統的設計過程主要包括電氣專業、熱力專業、屏蔽靜電專業和機械專業 等，其中關鍵的過程是分析現場的環境資源情況、匹配用電量需求和平衡系統 。

系統總的設計原則是在達到發電量**化的前提 下，確定 經濟性最高的系統組合 。系統配置的設計主要考慮兩種因素：

1）分析用電量需求 、環境資源和主要設備選型 。

2）用專業仿真軟件進行模擬仿真，并比對校核 。輸入數據主要包括（不限于）：

—安裝地點的日照輻射

—方陣傾斜面的日照輻射

—環境溫度參數

—系統電壓

—負荷能量需求

—控制器調節特性與參數

—太陽能光伏電池組件的特征參數

—系統供電可靠性和供電電源可用率

用計算機仿真方法計算出結果參數，主要有：

—太陽電池方陣的傾斜角和方位角

—太陽能光伏電池組件的數量

? 太陽能發電系統設計步驟

1）列出基本數據

—地理資料 主要有地址 、經緯度、海拔等。

—當地的氣象資料：主要有逐月平均太陽總輻射量，直接輻射及散射量，年平均氣溫及 最高、最低 氣溫，連續陰雨天 情況 、**風速及 冰雪 等特殊氣候情況。一般選取過去20年內的累計氣象數據 。

2）計算日輻射量和方陣傾斜角

氣象站一般只提供水平面輻射總量 、直接輻射量及散射輻射量 ，需要結合項目的傾角折算 成傾斜面上的太陽輻射量。

3）估算太陽電池方陣

利用歷年逐月平均水平面上太陽直接輻射及散射輻射量 折算出 逐月輻射總量，然后計算 全年平均日太陽輻射總量 以及 太陽電池方陣發電量。

4）確定太陽電池方陣功率容量

根據太陽能光伏方陣的電流、 電壓及功率數據 ，參照主機設備的性能參數 ，選取合適的 設備型號及數量 。

? 太陽能發電系統設計步驟建筑結構系統方面的設計

建筑光伏一體化系統可安裝在工業廠房屋頂替換原有的圍護結構，為廠房屋頂增加發電功能，按照產品結構的不同將主流產品分為：建筑物太陽能光伏夾層玻璃、構件型、導水架和金屬背板型。

1）建筑物太陽能光伏夾層玻璃

面板材料使用的是雙層玻璃，玻璃的型號、尺寸及相關參數可以根據建筑要求進行個性化設計，可以是普通鋼化玻璃、超白鋼化玻璃、低輻射玻璃、著色玻璃等原片的復合，也能夠以基本單元復合成性能更好的 單層中空、加膠真空玻璃型。中間層封裝材料宜選用聚乙烯醇縮丁醛（ Polyvinyl Butyral ，簡稱 “ PVB 主要由樹脂、增塑劑和其他材料組成，具有透明、耐熱、耐寒、耐濕、高機械強度等特點，并具有同建筑物的 50 年使用壽命   。

2）晶硅光伏與壓型鋼板一體化構件式

該系統核心的光伏屋面自上而下主要依次是：檁條、保溫棉、防水透氣膜、可滑移支座、壓型鋼板和光伏組件，兼容常規工業廠房的檁條暗藏型和露明型保溫系統及安裝方式 。

光伏組件選用2mm 的鋼化玻璃、正面 EVA 膜、高效單晶 Perc 電池片、聚烯烴彈性體封裝絕緣膠 膜（ Polyolefin Insulating Encapsulation Film ，簡稱 “ POE”）和鋼化玻璃組成，光伏組件為尺寸為 2089mm*698mm*5mm ；（單塊面積約為 1.464 ㎡），正面可承受載荷 5400Mpa 以上的沖擊，同時外力導致的電池變形幅度更低 組件支撐結構由過去傳統的四點式支撐 改變為每隔 30cm 的跨距提供條狀支撐 使得組件受力更加均衡大幅度降低使用過程由于外界受力導致的組件隱裂 實現系統發電量的可靠保證。

金屬屋面系統選用厚度為0.6mm 的鍍鋁鋅鋼板通長版型，也就是屋脊到屋檐采用通長的整塊鋼板（最長可做到單坡 105 米），無需搭接，可有效降低因搭接縫導致的漏水風險。壓型鋼板縱向搭接采用360 度直立鎖邊技術，保證鋼板之間連接可靠不漏水；另外鎖邊間隙也采用了丁基膠填充，可以有效防止毛細現象導致的滲漏。

3 )導水支架式

4 )金屬背板式

綜上所示，現行適用于工業廠房屋頂類建筑光伏一體化系統主要分為建筑物太陽能光伏夾層玻璃、一體化構件式、導水 架和金屬背板型四類，隨著技術進步，各類產品均有已建成的案例供研究。對比各類產品的結構特點和性能參數，可發現一體化構件式建筑光伏一體化產品具備良好的建材性能，有明確的防火、防水、保溫、抗風揭的特性，表面采用無邊框設計，更方便運維、不易積灰，同時光伏部分使用并且采用先進的高效單晶電池片，發電效率高，系統穩定性較強，可適用于工商業廠房替代原有屋頂結構，達到可靠穩定、提高能源效率等作用。

建筑光伏一體化系統的設計是太陽能發電系統和建筑設計的綜合成果，應根據建筑的使用功能、結構形式等因素，考慮太陽能發電組件的電池特性、效率、配比、安全以及其后等條件下，確定光伏系統的類型、規格、數量以及施工工藝、施工位置、施工流程等綜合工序。

?環境因素

建筑物的地理位置對經緯度、溫度、海拔高度、氣候和空氣質量的變化影響了太陽能組件可以接受到的理論**太陽輻射強度。太陽輻射是來自太陽的輻射（電磁）能。它為地球提供光和熱，為光合作用提供能量。太陽輻射光譜上的三個相關波段或范圍是紫外線、可見光和紅外線。在到達地球表面的光中 ，紅外線輻射占 49.4%而可見光占 42.3% 。紫外線輻射僅占太陽輻射總量的 8% 以上。

1) 經緯度

由于地球呈球形，赤道地區周圍的太陽光線強度更高。遠離赤道時，能量密度會隨著太陽光線分布在更大的地理區域周圍而降低。

2) 溫度

太陽能電池板測試的行業標準是在標準測試條件 進行測試，即輻射為 1 kW/m 2電池溫度 25℃，無風。而溫度系數百分比說明了效率隨溫度升高或降低程度而發生的變化。例如，如果某種類型的面板的溫度系數為 0.5%，那么每升高 10℃1，面板**功率將降低 0.5% 。而 BIPV 系統在工作的情況工作溫度通常超過 50℃，長時間的高溫將受溫度系數的影響而降低系統的發電效率 。

3) 海拔

在高海拔地區，太陽光線必須穿過大氣層的距離更短。因此，隨著海拔的增加，大氣吸收較少，因此太陽輻射增加。有專家通過實驗驗證了不同海拔地區對發電量的影響，得出在同等條件下高海拔地區的發電量比地面布置的地面電站發電量高出7%~12% 。

4) 氣候

雨雪風暴多云天氣都會直接影響太陽輻射資源，而影響系統的發電量。對于建筑光伏一體化系統，更應該關注作為建筑結構在惡劣天氣如臺風、暴雨、冰雹等條件下的運行安全可靠性。

5) 空氣質量

漂浮在空氣中微粒和粉塵以及SO2 、NO2 、 CO、 PM10 、PM2.5 對太陽輻射有阻擋的作用，太陽輻射總量隨著空氣污染程度的嚴重而增大。專家研究了沈陽2013~2017 年空氣質量與地面太陽輻射的關系，發現太陽能直接輻射在空氣質量三級比空氣質量二級情況平均衰減 18%，空氣中 PM 2.5 的削光作用大于 SO2 和 PM10 為首的環境污染。

?組件傾角因素

太陽能組件直接從太陽、天空以及從地面或光伏電池板周圍區域反射的陽光中吸收太陽輻射。兩個主要角度用于定義陣列方向：傾斜角和方位角，其中傾斜角是水平面和陣列表面之間的垂直角。因此當太陽光線與太陽能電池面板形成 90° 夾角時，太陽能發電效率達到**值。在給定的環境條件下捕獲**輻射強度可以通過為設計支架固定**傾斜角度來實現 。有專家研究了光伏組件的**效率、功率和短路電流隨著太陽能組件收到的輻照量而增加，這主要取決于其方向（傾斜和方位角）。如果太陽輻射的入射角與法向入射反射有很大不同，損失會變得很大，進而減少發電量。

?建筑材料因素

由于建筑光伏一體化屋面除具有發電屬性外，還具備建筑屬性，因此也必須要滿足作為建筑材 料所需的安全性、防火、抗風揭、耐候性等要求。

1) 防火

有專家研究發現，熱斑效應、高串聯電阻、和電弧事故是導致光伏組件熱度過高而起火的主要因素。而常規光伏組件里的 EVA 膜和 TPT 背板屬于可燃燒材料，作為建筑結構的一部分，燃燒后將嚴重影響建筑通風系統、火焰蔓延路徑、產生有毒氣體等危害，因此建筑光伏一體化產品宜選用 A 級不燃產品降低燃燒風險。

2) 散熱

太陽能組件工作時會產生大量的熱量，如果建筑光伏一體化系統未設置通風通道，熱量可能會進入建筑內部，影響建筑的實際能耗。因此應設計散熱風道等 通風散熱方式 利用空氣對流等方式帶走組件產生的熱量。有專家研究了上海虹橋機場建筑光伏一體項目散熱與組件效率的關系，發現上海地區夏季太陽輻射最高條件下電池板下表面溫度最高可達到 65℃，過高的溫度將嚴重降低發電量并影響電池板壽命。

3) 防水

防水是建筑重要功能，應充分設計、試驗、測試建筑光伏一體化產品的防水性能，結合實際施工工藝、鏈接點技術、材料等確保系統可在全生命周期內有可靠的防水表現。

4) 建筑美學

建筑光伏一體化產品應結合建筑和光伏的共同美學設計，實現外觀一致、色彩統一、整體協調，同時在施工時需統籌考慮接線的美觀性。

5) 維護保養

建筑光伏一體化系統在遇到組件損壞時無法輕易的直接拆除或者替換，所以應設置合理的檢修維護通道、運維方案進行定期檢修保養，同時更應選用高效可靠的設備材料降低故障率。