光伏系统与贵州山地民居一体化研究

张腾元 杨孙炜*

（1、六盘水师范学院，贵州 六盘水553004 2、水城区应急管理局，贵州 六盘水 553000）

1 贵州地区区域特征

贵州的土地以山地丘陵为主，基本没有平原，早些时候交通不便利，所以贵州民居，特别是山地民居，在很大程度上都保留了其民法族文化特色。独具个性的民族文化与地域文化，贵州山地民居大部分都是依山而建，以山为基石的吊脚楼，或者以山为原材料临水而建的石板房，民居在建设过程中，充分利用自然条件的同时也大量应用其当地特有的建筑材料，建造出了一个个独具民族风格的建筑族群[1]。

图1 贵州地区特有的吊脚楼

从太阳能资源来看，根据相关资料[2]可知，从贵州省集中开发区的辐射站收集到的数据分析可知，其太阳总辐射量及太阳能资源稳定度按照《太阳能资源等级总辐射》(GB/T 31155－2014)中的相关等级划分标准来看，全省资源处于丰富等级，盘州处于资源很稳定等级，水城、普安、兴仁、兴义、安龙处于资源稳定等级，其余地区在一般或欠稳定等级。稳定度等级自西向东逐渐降低，适合太阳能资源开发利用。

对于现在的贵州民居来说，应该在保留其原有的建筑理念的基础上，与当代节能绿色的建筑理念相结合。贵州省蕴藏着丰富的太阳能资源，如果利用建筑技术，将光伏系统与贵州民居相结合，在改善居住环境的基础上，还能起到减少建筑能耗，保护环境的作用。

2 贵州山地光伏民居建筑设计研究

根据对贵州省地理环境，气候条件，人文特色及太阳辐射量综合分析，对于现在的贵州山地民居来说，应该在保留其原有的建筑理念的基础上，与当代节能绿色的建筑理念相结合。贵州省所在地区蕴藏着丰富的太阳能资源，如果利用建筑技术，将光伏系统与贵州山地民居相结合，不仅能改善居住环境，还能有效减少建筑能耗，保护环境。

根据对贵州省地理环境，气候条件，人文特色及太阳辐射量综合分析，拟在贵州省水城某地建造一座二层高度为6.39m，屋顶采用封闭式双坡屋面，屋面倾角为30°的光伏民居一体化建筑，由于建筑屋顶位于建筑最高部位，接受日照条件最好，时间最长且几乎不受遮挡，可以充分发挥光伏系统的优势拟用光伏屋顶来进行光伏系统与贵州民居一体化设计研究。

图2 硅太阳电池组件

光伏屋顶和普通屋顶相比，其承受的荷载除了风荷载、雪荷载以外，还包含光伏组件的自重、由于太阳电池组件需要经常清洗以保证其发电效率，故不存在积灰荷载。

按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[3]计算:

（1）永久荷载标准值计算

永久荷载主要包括太阳电池组件和零配件的自重，太阳电池组件的重量一般在30kg/m2左右，零配件按0.05kN/m2来算，可以得出永久载荷组合值0.35kN/m2。

（2）风荷载标准值计算

其中

wk-作用在建筑上的风荷载标准值(kN/m2)；

βz-风振系数；

μs-风荷载体型系数；

μz-风压高度变化系数；

w0-基本风压。

计算可得作用在其上的风荷载标准值wk=0.04kN/m2。

（3）雪荷载标准值计算

其中

sk-雪荷载标准值(kN/m2)；

μr-屋顶积雪分布系数；

s0-基本雪压(kN/m2)；

计算可得雪荷载标准值sk=0.30kN/m2。

（4）荷载效应组合设计值计算

其中

S-荷载效应组合的设计值；

γG-永久荷载分项系数，取1.2；

2.4.3 Spearman相关分析 受访者的医院级别(ρ=-0.416，P<0.001)、职称(ρ=-0.135，P<0.05)、最高学历(ρ=0.386，P<0.001)与其对指南的认知情况相关；受访者的医院级别(ρ=-0.303，P<0.001)、最高学历(ρ=0.261，P<0.001)与其对指南的应用情况相关。受访者对指南的认知与应用情况相关(ρ=0.593，P<0.001)。

SGk-永久荷载效应标准值；

Swk-风荷载效应标准值；

Ssk-雪荷载效应标准值；

γw、γs-风荷载、雪荷载分项系数，为1.4；

ψw、ψs-风荷载、雪荷载组合值系数，分别为0.6 和0.7；

计算得S=0.75kN/m2

结合上述计算结果，对市面上常见的四种双玻光伏组件在对边简支、四边简支、四点支撑的边界条件下进行模拟，分析其弯曲性能是否能满足建筑荷载规范要求。

3 双玻光伏组件机械载荷试验的有限元模拟

本文借助有限元软件ANSYS 对太阳电池组件进行有限元分析。考虑到硅太阳电池组件中整体厚度远小于其长宽且多层叠加这一特性，在进行数值模拟时，采用ANSYS17.0 中的Shell181 复合材料壳单元进行建模[4]。

采用相关文献[5]-[6]中测试所得的材料力学性能参数。建立的矩形壳单元结构分为五层，自下而上分别是：背板玻璃，EVA，硅电池片，EVA，盖板玻璃。尽管实际组件内部太阳电池片为不连续铺设，但为简化起见，此处将电池层视为连续一层铺设的结构。计算模型如图4 所示。

图3 单晶硅双玻光伏组件结构

图4 计算模型

计算可知，在对边简支边界条件下的硅太阳电池组件的应力云图如图5 所示，位移云图如图6 所示。

图5 边界条件为对边简支的硅太阳电池组件在0.75kN/m2荷载下第一主应力云图(Pa)

图6 边界条件为对边简支的硅太阳电池组件在0.75 荷载下位移云图(m)

4 结论

本文对在0.75kN/m2荷载下的四种不同尺寸的光伏组件分别在对边简支、四边简支、四点支撑这三种不同边界条件下进行数值模拟，具体结果如表1 所示。

表1 各边界条件下各尺寸组件第一主应力值(MPa)

从ANSYS 计算结果分析可知，对比表1 中的第一主应力值，四种尺寸，三种边界条件下硅太阳电池组件的最大应力均位于组件的中间区域，大小均远小于钢化玻璃的最大强度，结合挠度云图，可以得出，组件的中间区域是决定整个组件损伤情况的关键位置，在今后对BIPV 中硅太阳电池组件在该边界条件下的安全性的研究中,应选择组件中间段区域的最大应力为控制应力，其最大不能超过盖，底板玻璃的极限应力。硅太阳电池组件其弯曲性能均满足建筑荷载规范要求。但是，组件与建筑相结合时，还需要其承载时挠度变形不宜过大以保证该建筑的一体化美观性。利用ANSYS 对该载荷下在三种边界条件下的不同厚度尺寸组件的挠度进行计算，具体计算值如表2 所示。

表2 各边界条件下各尺寸组件挠度值(mm)

对比表2 中的挠度值，可以得出，在四点支撑条件下，组件厚度偏小时，组件挠度变形较大，不仅影响建筑美观性，还容易引起人们的恐慌心里，所以，当太阳电池组件与建筑屋顶一体化时，不建议使用四点支撑这样的结合方式。综合研究讨论玻璃厚度，EVA 厚度及边界条件这三种参数的不同对太阳电池组件弯曲性能影响，发现：在边界条件不变的情况下，增大玻璃或EVA的厚度尺寸，都会降低太阳电池组件的挠度及应力，尤其是增加玻璃层的厚度，使太阳电池组件整体的挠度及应力出现大幅度下降。所以，在组件的设计中，应强化盖，背板玻璃的性能，使组件挠度和应力降低，偏于安全。在玻璃或EVA的厚度尺寸不变的情况下，不同边界条件的组件挠度和应力的分析中，在对边简支另对边自由下和四边简支下的组件挠度几乎相同，但是，四边简支的组件挠度和应力最小，采用四边简支的组件能承受较大的载荷，其变形较小且偏于安全。因此，安全性及经济性的角度考虑，推荐使用厚度尺寸为3.2+1+3.2(mm)的硅太阳电池组件以四边简支的形式与贵州山地民居屋顶一体化。