云南师范大学120 kW光伏玻璃幕墙实践

马铭， 廖华， 李景天， 马逊， 谢明达， 杨康，许海园， 刘祖明, 赵冬阳

(1.云南师范大学 太阳能研究所,云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650092；2.云南电网公司 大理供电局，云南 大理 671000)

1 前 言

能源是经济发展、社会进步的关键因素之一.随着人类社会的不断发展，人们对能源的需求不断增加.为适应人类可持续发展，太阳能因其在任何有太阳存在的地方都可以使用而备受人们关注，同时它还具有取之不尽、用之不竭以及安全环保等优点，是今后代替不可再生能源发展的战略性领域.在太阳能光伏利用领域中，一个重要的应用就是光伏建筑一体化(BIPV).

BIPV是太阳能利用与现代建筑结合的一种形式，它通过将太阳能光伏发电组件安装在建筑物的维护结构外表面来获得电力，在为建筑提供绿色电力的同时，还具有遮阳、隔热和装饰的功能.光伏建筑一体化不需要另占土地，太阳电池是固态半导体器件，发电时无转动部件，无噪声，对环境不会造成污染;BIPV建筑可自发自用，属于用户侧并网；BIPV减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和配电的投资和维修成本.而且日照强时恰好是用电高峰期，BIPV系统除可以保证自身建筑内用电外，富余电量可向电网供电，舒缓了高峰电力需求，具有极大的社会效益;还能杜绝由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染.

2 项目概况

云南师范大学120 kW光伏幕墙是在目前国家大力推进新能源和可再生能源利用的背景下建设的一个光伏应用项目.项目建设在云南师范大学呈贡校区能源与环境科学学院建筑物南立面，装机容量约122.4 kWp，并入学校400 V电网，属用户侧并网，幕墙面积1 560 m2(26 m×60 m)，共安装720块透明双玻组件.项目于2014年6月开工建设，2014年10月完成安装调试.安装完成后幕墙整体透光率约为45%.

3 系统构成

3.1 BIPV组件

当光伏幕墙系统用于风压高的地区或建筑高层时，就需要光伏幕墙系统具有较高的抗风压性能，此时用作幕墙面板和采光顶面板的光伏玻璃组件就需要有较高的力学性能，应按照相关的标准规范通过计算来确定光伏玻璃组件的厚度和强度要求[1].本系统将幕墙建立在大楼南立面，面积较大，在综合考虑了透光率、发电量等因素后，采用双玻组件：采光面为6 mm超白钢化玻璃，中间为2.28 mm PVB，背板玻璃为6 mm普通钢化玻璃，电池片为125×125单晶高效电池片.组件由64片单晶硅太阳电池片串联构成，其规格见表1，组件透光率为47%.

表1 双玻太阳电池组件参数表

双玻组件如下图：

图1 双玻组件

3.2 组件安装

BIPV太阳能光伏发电系统太阳电池组件铺设在大楼南立面的钢架上构成玻璃幕墙.建筑高24 m，要求高出楼顶女儿墙2 m，总高为26 m，幕墙与墙夹角为5度，用于安装玻璃幕墙尺寸为26.076 m×60 m(面积为1 560 m2)，安装双玻组件离地高80 cm，共安装720块组件，构成24×30的阵列，如图2所示：

图2 幕墙结构示意图

组件用驳接爪[2]固定在钢架龙骨上，以保证固定强度和美观性，如图3所示.

图3 组件固定方式

3.3 组件连接

本系统采用顶端接线的连接方式进行组件之间连接，组件接线盒如图4所示.

图4 组件接线盒

采用这种连接方式可以很好地隐蔽接线盒，使整个光伏阵列的外观受导线连接的影响最小，见图5.由图可以看出，幕墙内几乎看不到任何的连接线及接线盒，隐蔽效果良好.

图5 顶端接线效果

3.4 电气连接

整个光伏阵列由24块双玻组件串联构成子串，每个子串峰值功率4 080 W，峰值电压796 V.整个阵列由30个子串构成，其中25个子串经两个13汇1的汇流箱汇流后送入一台100 kW的并网逆变器中，而另外5个子串经5汇1的汇流箱汇流后送入一台20 kW并网逆变器中，如图6所示.

图6 系统连接示意图

在系统防雷方面，所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、架构、电缆支架和其他可能事故带电的金属物都可靠接地.充分利用建筑物接地网作为本项目的接地网.此外系统配置的光伏阵列防雷汇流箱、光伏交流防雷配电柜均有防雷装置.

4 系统外观

整个系统由720块170 W双玻组件构成1 560 m2的幕墙，幕墙与水平面的倾角为85度，面向正南方，如图7所示.

图7 建成后的幕墙外立面照片

BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果[3].在BIPV建筑中，可通过相关设计将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中.这样既可防阳光直射和雨水侵蚀，又不会影响建筑物的外观效果，达到与建筑物的完美结合，实现建筑师的构想.

此外，在BIPV系统中，选用光伏专用电线(双层交联聚乙烯浸锡铜线)、偏大的电线直径以及性能优异的连接器等设备，都能延长BIPV光伏系统的使用寿命.

除幕墙正面外，系统的两个侧立面采用了普通双玻夹胶玻璃进行了封装，使幕墙内部形成了一个相对闭合的空间，如图8所示.

图8 幕墙内部空间

为使幕墙有比较好的通风散热环境，幕墙上下部采用留空(百叶窗)的方法使空气流动，同时也为以后的通风系统打下基础.图9为侧面、下部进风口、上部出风口照片.

图9 顶部进风口及底部出风口

5 幕墙透光性及对室内光照度的影响

当光伏幕墙用于建筑物可视部分时，要求有一定的透光性能.本系统正是将幕墙建立在大楼南立面亦即采光面.对于单晶硅和多晶硅光伏玻璃组件通常通过控制硅片电池间隙和边缘空隙来实现所需的透光率，另外组件的结合方式亦可灵活设计，以满足建筑风格和采光需要.根据国家照度标准，室内照度有如下要求(见表2).

表2 图书馆建筑照明的照度标准值

虽然BIPV组件的透光率在设计时为47%，但在整个幕墙安装后由于受到支架的遮挡，幕墙的总体透光率约在45%左右.由于幕墙的上部及侧面均为普通透光玻璃，故幕墙后的实际透光率还要更高，为了确定幕墙建成后对室内光照的影响，本文参照相关的标准对幕墙后的室内光照度进行了测试，结果如表3所示.表中数据为光伏幕墙向阳侧的照度值和观赏走廊即光伏幕墙后阴凉侧的照度值，以及阴天和晴天建筑内部照度值.

表3 幕墙内外及室内照度值

由上表及视觉感受可以得到以下结论：从照度值上幕墙内只有幕墙外的25%～50%，但人眼感觉舒适，光线柔和，且室内光照强度依然在读书写字的中等光照标准之上，说明幕墙对室内光照强度影响较小，系统设计的透光率是合适的.

6 运行状况

截至目前为止幕墙已经运行一段时间，下表为截取某工作日11时至15时100 kW逆变器的实时观测数据.

表4 100 kW逆变器运行数据

表中可见系统运行4个小时发电量为232 kWh，与整个系统预期发电量吻合(表中数据虽然只是部分，但能反映全貌)，达到设计要求.

7 结 论

云南师范大学120 kW的光伏玻璃幕墙系统实现了光伏建筑一体化的思想，它将建筑与光伏进行了很好地结合，是一件完美的艺术品.该BIPV项目将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中，使它们对系统外观的影响降到了最小.系统的透光性能将直接影响到幕墙后的室内光照强度，通过测试对比，该系统所设计的透光率对室内光照环境影响甚微，系统的建设为以后类似的项目提供了宝贵的经验.

[1] 王春，万树春，董米丘.光伏幕墙(屋面)系统技术应用[J].建设科技，2009 (20)：55-57.

[2] 赵霖.驳接爪点支式玻璃幕墙的安装施工[J].广西城镇建设,2008 (1)：67-70.

[3] 黄向阳，何清，谢涛.光伏建筑一体化设计浅谈[J].中外建筑，2007 (11)：42-43.