建筑用光伏景观幕墙的设计与应用_郭越.pdf

Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第2期033建筑用光伏景观幕墙的设计与应用建筑用光伏景观幕墙的设计与应用郭 越（保定嘉盛光电科技股份有限公司，河北 保定 071051）摘要：随着光伏发电技术的普及和国家“双碳”政策的发布，光伏发电技术已成为绿色建筑节能减碳的重要应用手段之一，光伏技术在建筑上的有效应用位置为屋顶与外墙面。将光伏组件作为建筑材料应用于建筑领域中，是光伏新产品研发和应用的重点方向，建筑亮化是城市发展的方向之一。设计了一款光伏景观幕墙，不但可以进行光电转换，而且所转换电能的一部分可直接通过照明组件和导光板对室内进行照明，保证原有建筑的照明需求，其余电能则可用来给建筑的用电设备供电或并入电网，使光伏幕墙更加实用。关键词：建筑光伏一体化；景观幕墙；绿色建筑；节能减碳中图分类号：TU18 TM615 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）02-033-02建筑光伏一体化技术是将太阳能光伏发电与建筑有效结合的技术，应用方式主要将光伏与建筑屋面、立面及建筑附属物进行融合。光伏与建筑屋面进行融合，可以采用光伏屋顶瓦、光伏采光顶的方式；光伏与建筑立面融合，可以采用光伏立面、光伏保温一体板、光伏玻璃幕墙、光伏窗、光伏窗槛墙等方式；光伏与建筑附属物融合，可以采用光伏阳台、光伏围栏、光伏遮阳棚、光伏雨棚等方式。除此之外，建筑一体化还可以应用于光伏车棚、光伏声屏障、光伏地砖、光伏步道等多种应用场景。光伏景观幕墙是将传统玻璃幕墙与光伏技术相结合的一种新型建筑幕墙，兼具玻璃幕墙和光伏发电的功能特性。然而现有的光伏幕墙在安装后，阳光只能由光伏组件电池串之间的缝隙通过，会使原有建筑的照明受到一定的影响。因此，需要对现有的光伏幕墙进行改进，以保证原建筑室内的照明需求。1 技术背景绿色建筑尤其是低能耗建筑、零能耗建筑，拥有太阳能光伏发电和建筑物整体的隔热保温、采光调温、建筑环境舒适美化、建筑节能等功能。市场上出现了各种各样功能的玻璃，同时出现了各种加工技术，玻璃与太阳能电池组合成为光电玻璃。光电玻璃具有透明发光二极管（LED）屏幕的特性，光电玻璃可以呈现透明的广告效果。为了追求更好的广告效果，户外媒体领域的广告商越来越青睐超大型 LED 幕墙。LED 幕墙拥有隐蔽、轻薄、透明的产品形式，由于其重量轻、外观简洁、安装灵活等特点，又称为景观幕墙、光电景观幕墙屏、玻璃幕墙屏、LED 玻璃屏等。光伏景观幕墙是将光伏发电、LED 发光和玻璃进行有机结合，形成一种具备光伏发电、LED 发光功能的玻璃幕墙，从而满足大型 LED 幕墙光电展示需要。其既可作为一体化玻璃幕墙安装，降低安装成本，也可以当作结构玻璃投入使用。提供光伏发电和 LED 显示亮化功能，实现 LED 发光电力源于自身光伏发电，未来有潜力成为一种领先的节能景观亮化绿色建材。现代化的玻璃幕墙结构复杂，尺寸各不相同，标准化箱体无法满足项目的实际需求。笔者设计的光伏景观幕墙可根据尺寸定制生产，满足市场需求。2 方案设计笔者开发的光伏景观幕墙，将 LED 发光与光伏玻璃幕墙技术融合，是一款具备光伏发电功能同时实现透明显示效果的建筑幕墙。光伏景观幕墙包括光伏发电组件、LED 光源、储能装置、控制装置等。整个幕墙通过白天吸收太阳能、发出电能存储到储能装置里，晚上用它来点亮 LED 阵列，实现景观亮化照明目标，从而可以自给自足运行。光伏发电产出的绿色电力不仅能满足自身亮化的用电需求，也能为建筑的其他用电设施提供电力。光电景观幕墙内嵌式驱动 IC（集成电路芯片）灯驱和光伏发电单元，控制更精准、结构更精细、显示效果更稳定、消耗电能更低。2.1 结构设计光伏景观幕墙将光伏发电系统融合到幕墙里，进行一体绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第2期034化设计。光伏景观幕墙包括安装架和光伏组件，光伏组件固定在安装架上。光伏组件包括边框、光伏板、导光板，边框固定在安装架上，起到整体光伏组件的固定和支撑作用。边框内侧固定连接有光伏板和导光板，光伏板包括依次层叠连接的前透光板、第一胶层、光伏电池串、第二胶层和后透光板，导光板与后透光板间隙配合。边框上可拆卸连接照明组件，照明组件位于导光板底端，光伏电池串用于为照明组件供电，照明组件发出的光线射入导光板。为了便于安装照明组件，以及方便后期维修，边框上设有安装槽孔，照明组件可拆卸连接在安装槽孔内。明组件包括灯板，灯板为 T 形结构，灯板插接在安装槽孔内，灯板顶端固定安装了照明灯，灯板上安装了定位件，灯板通过定位件与边框限位配合。为了增加灯板装置的稳固性能，在灯板侧壁设有定位槽，定位槽内滑动相连有定位块，在定位槽中设置有减振弹簧，在簧片二头分别与定位块、灯板定位相连，在定位块内远离簧片的一侧固定相连并有防滑垫，防滑垫与边框抵接。为避免灯板脱落，在灯板远离照明灯的一侧设有定位板，定位板与边框通过螺栓固定，定位板顶端与灯板底端抵接。为提高光伏组件的密封性，在边框内侧壁上开设有 2 个固定槽，光伏板和导光板分别通过固定槽与边框固定连接。为保证照明效果，照明灯为 LED 灯带，LED 灯带与边框通过导热胶带固定连接。LED 灯带上的 LED 为单排或多排，并且可以改变 LED 发光的颜色。为提高光伏组件的安全性，导光板与后透光板之间设置有绝缘隔件，绝缘隔件固定安装在边框上。每个 LED 均镶嵌在玻璃内部，缩小了整个结构的厚度，超薄的结构可以实现良好的自散热。此结构不用构建传统 LED 屏幕的散热系统，直接将发电电源、储能装置、控制装置与发光材料进行了隔离。产品整体重量比传统的 LED 显示器轻 5075，降低了显示器基本结构的强度和重量，实现了超大型玻璃构造，透光率达到 8095，进一步增加了屏体本身的通透率及美观性。2.2 光伏组件设计光伏部分的创新对光伏发电组件部分进行了可透光设计，利用激光刻蚀技术对晶硅电池进行切割，晶硅电池的排布采用栅栏状的布局方式，采光均匀。光伏组件采用夹胶生产工艺，将多个 LED 点光源排列成阵列形式直接密封于两块钢化玻璃中间，从而构成安全夹层结构的 LED 平板发光玻璃产品。LED 发光玻璃电路使用氧化铟锡导电玻璃（ITO）技术蚀刻工艺设计，不细心看就基本看不到线路，从而省去了布线的时间并大大提高了产品自身的美观性能。灵活多样的配置结构，具备更大的可扩展性和多样性。光伏发电组和 LED 发光部分的连接结构则使用了全金属包边技术，以实现光伏组件和 LED 光伏之间的安全。光伏组件尺寸为 1 700 mm1 000 mm，点阵间距为 P30。在标准测试条件下，光伏组件的发电功率为 90 W，开路电压为 22.3 V。2.3 测试试验光伏景观幕墙在安装时，先将安装架固定到建筑表面，再将光伏组件安装到安装架上。其中，光伏组件在组装时，先将边框的一侧展开，将光伏板和导光板分别通过相应固定槽安装到边框内，再将边框组装固定，并利用密封胶将光伏板、导光板与边框进行密封固定。然后将安装有照明灯的灯板通过安装槽孔安装到边框上，并使照明灯与导光板相对应。在安装灯板时，需要将灯板两侧的定位块收入到定位槽中。当灯板插接到安装槽孔中后，定位块在弹簧的作用下与边框抵接，并利用防滑垫增加定位块与边框之间的摩擦力，防止灯板掉落。为方便灯板的更换维修，灯板成型结构，将灯板两侧延伸出的侧边卡接在安装槽孔外侧，然后再将定位板固定到边框上，利用定位板对灯板进行固定，从而实现光伏组件的组装。此外，由于只有原有建筑的透光区域才需要进行补光，因此在原有建筑的未透光区域所安装的光伏组件不需要安装照明组件。光伏组件发出电能通过控制器进行储能电池充放电保护，控制器选用 12 V 电压、10 A 电流。光伏景观幕墙在使用时，光伏组件利用太阳光进行发电，光伏组件所发出的电能储存到储能装置里用于为 LED 照明光源供电，储能装置电量充满以后，多余电能则可以给建筑的其他用电设备供电或并入电网。LED 照明光源所发出的光线照射到导光板中，利用导光板自身极高折射率且不吸光的特性，提高导光效果并使光路更加均匀，满足建筑的采光需求。同时通过改变 LED 光源的发光颜色，在提高原有建筑室内照明的同时，还可以起到装饰的效果。产品光伏发电性能满足光伏组件发电要求、LED 发光系统运行效果能够实现内容更新展示，且色彩亮丽，整体产品结构合理，产品满足建筑应用特定环境的要求。3 应用前景光电景观幕墙的装饰效果明显，能为建筑物外表增加（下转第44页）绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第2期044时，在设计时还应注意刚度变化、预应力损伤、耗能不足等问题。参考文献：1 沈惠梁,应钰晖,苏庆同.关于推进我国装配式建筑发展的思考J.建设监理,2021(1):18-20.2 刘新栋.基于装配式要求下的办公建筑立面体系设计比选研究J.绿色建筑,2022,14(3):19-22.3 卢义,孟书灵,张平,等.装配式混凝土框架节点抗震研究进展J.混凝土与水泥制品,2020(8):65-70.4 鲁余勇,冯云,杨国梁,等.全装配式混凝土框架综述J.工程抗震与加固改造,2020,42(6):96-105,150.5 冯波.装配式混凝土框架节点连接形式综述J.山西建筑,2022,48(12):52-56.6 刘晓光.装配式框架结构梁柱节点优化设计及抗震性能研究J.工程技术研究,2021,6(14):201-202.7 石岩,张智超,钟正午,等.预制装配式桥墩连接类型及抗震性能研究综述J.世界地震工程,2022,38(2):205-219.8 孙春平,毕小毛,魏运鸿,等.基于等同现浇整体结构原理的装配式下穿隧道结构设计研究J.铁道建筑技术,2018(10):38-45.9 欧卫星,刘康,马高.装配式框架连接节点研究综述J.建设科技,2020(增刊1):59-62.10 潘潭鲁,尹洪涛,严熔.装配式梁-柱节点研究综述J.建材世界,2018,39(4):57-60.11 李智超,许越扬.装配式预应力混凝土框架-剪力墙结构施工技术应用J.江西建材,2022(2):131-132,135.12 曲秀姝,刘彬,张艳霞.自复位混合连接节点抗震性能及影响因素分析J.施工技术,2018,47(16):147-152.13 陈燕友.装配式隔震结构隔震节点抗震性能研究J.城市住宅,2021,28(2):217-218.14 满建政,李国建,郭正兴,等.基于高效连接的装配式预应力混合梁框架结构体系创新与工程实践J.建筑施工,2022,44(9):2079-2083.15 薄景山,张毅毅,郭晓云,等.结构抗震设计理论与方法的沿革和比较J.震灾防御技术,2021,16(3):566-572.16 张建新,李辉,李青宁.建筑结构抗震设计理论发展J.四川建筑科学研究,2014,40(4):238-241.17 杨芳.结构抗震设计理论的进展J.福建建筑,2011(10):69-72.18 李阳阳,陈成欣,闫康行.高阶振型对超高层建筑基底剪力的影响J.廊坊师范学院学报(自然科学版),2020,20(3):67-70.19 李阳阳,陈园园,冯松宝,等.考虑高阶振型的超高层建筑风致位移响应研究J.宿州学院学报,2018,33(5):121-124.20 方蓉,张文学,赵汗青.结构高度对高耸结构振型贡献率的影响研究J.工业建筑,2017,47(6):70-74,85.收稿日期：2022-10-17作者简介：王子佳，高级工程师，主要从事装配式建筑研究，现供职于深圳市建筑工务署工程设计管理中心。通信地址：广东省深圳市南山区广博星海华庭 A 栋 1003 室。（上接第34页）特色，是城市亮化的途径之一。光电景观幕墙除了有亮丽的色彩外，还可以实现图案的动态变换，因此可以将一些有意义的图案设置成不同的形状在建筑物表面轮番播放展示，增加建筑物的特色。光电景观幕墙是一种节能型的绿色建材产品，能够减少建筑能耗，降低碳排放，市场前景广阔。4 结 语笔者设计的光伏景观幕墙，不但可以进行光电转换，而且所转换的电能一部分可直接通过照明组件和导光板对室内进行照明，保证原有建筑的照明需求。其余电能为建筑的用电设备供电或并入电网，使光伏幕墙更加实用。收稿日期：2022-10-15作者简介：郭越，工程师，主要研究方向为绿色建筑设计、光伏组件设计，现供职于保定嘉盛光电科技股份有限公司。通信地址：河北省保定市竞秀区恒源西路 88 号。