技术讲座赏析《光伏结构设计》

【编者按】这是中国建筑科学研究院赵西安先生,在第八届中国国际门窗幕墙博览会光电建筑应用论坛上,发表的《光伏结构设计》。赵西安先生向我们展示了光电建筑结构的多样性。在这里我们无法一一列出,只好撷取百花园中的几朵。我们希望大家与赵西安先生交流。

一、光伏建筑一体化的概念

●光伏建筑一体化,是将光伏装置作为整个建筑的一个有机组成部分,与主体建筑同时定案,同时设计,同时施工,同时验收。包括分离式和合一式,主要形式是光伏采光顶和光伏幕墙。

●光伏幕墙结构图

光伏幕墙结构图

●光伏采光顶结构图

光伏采光顶结构图

二、分离式光伏建筑

●概念:光伏板阵列只发电,不作为建筑的围护结构,建筑功能另由围护墙或屋面完成,也就是“一体化,两层皮”。

一体化,两层皮

●优点:①不受建筑外形局限,光伏板可有最佳朝向,有最高发电效率;②发电功能与建筑功能互不干扰,各自按最好的水平进行设计;③光伏板和围护板更换方便,不会因换板影响对方的功能;④光伏板通风降温良好,有效防止玻璃炸裂,避免因节能要求采用中空光伏板时,温升过高而使玻璃爆裂。

●缺点:①有时比较难达到建筑师的立面艺术设计要求;②玻璃和支承结构用料增多。

●光伏组件由钢框架支承。

●在分离式光伏建筑中,光伏板阵列成为建筑物的外表面,所以在建筑方案设计时就必须考虑其所承受的重力荷载、风荷载和地震作用要传到主体结构上。

●由于光伏板单独设置支承结构,所以结构要进行受力设计,其反力由主体结构承受或直接传送到基础。

●光伏板阵列不考虑气密、水密等建筑功能要求,所以不一定要密封。

光伏板阵列

三、合一式光伏建筑

●概念:光伏板同时就是幕墙或采光顶的面板,同时具有发电功能和建筑功能,就是“一体化,一层皮”。

一体化,一层皮

●优点:①容易实现建筑师的立面设计要求;②无须两层皮,结构和构造简单;③用料较省。

●缺点:①无法取得最佳朝向,发电效率低;②发电和建筑功能有矛盾,难以兼顾;③采用中空玻璃时爆裂现象频发,导致工程失效;④无论光伏还是密闭任一功能失效,都要更换玻璃,维修概率高;⑤非电原因更换也要牵涉电路,更换麻烦。

●合一式光伏建筑,光伏板同时就是玻璃幕墙或采光顶的玻璃面板,无须另外增设面板和支承结构。

●必须同时兼顾发电和建筑两方面的功能,而这两方面的功能要求往往又是矛盾的。例如光伏板要求通风降温,不要用中空玻璃,而建筑节能却要求用中空玻璃。

四、散热与保温的矛盾

●光伏电池怕热,在太阳光照射下,温度升高转换效率下降,玻璃容易爆裂。因此,要求光电板(夹胶玻璃)后面空旷,便于通风降温,做成中空玻璃对光伏玻璃是非常不利的。

●作为幕墙或采光顶的板件,正好要求相反。单块夹层玻璃满足不了节能要求,透明部分必须做中空玻璃,不透明部分在夹层玻璃之后要做保温层。

●前面的光伏夹层玻璃散热困难,温度升高,发电效率急降,甚至夹胶变性、分离,玻璃破裂,光伏工程失败。

五、破解散热难题

●光伏板失效是因为散热难,难就难在背后的中空层。用中空玻璃是为了达到节能指标,尤其在北方不用中空不行。

●如果采用两层皮的分离式作法,光伏板夹胶,屋面板中空夹胶。光伏板单夹胶不中空,背后就可以自由散热,散热难的问题就可以解决了。

●既有建筑光伏改造工程,就是把一层皮改为两层皮,解决通风降温问题。

六、结构设计要点

1、面板设计

①玻璃的选用

●朝阳光一侧宜用超白玻璃;

●单块夹胶玻璃不宜用Low-E 玻璃;

●中空夹胶玻璃的Low-E膜应朝向空气层;

●框支承玻璃在受力允许的情况下,优先考虑采用半钢化或浮法玻璃夹胶;

●点支承玻璃应采用钢化夹胶玻璃。

②玻璃的厚度

●分离式光伏组件玻璃厚度不宜小于4mm;

●同时作为幕墙或采光顶面板的合一式光伏组件,夹胶玻璃的单片玻璃厚度不应小于5mm,两片玻璃的厚度差不应大于3mm;非夹胶的单片玻璃厚度不应小于6mm。

③面板的支承方式

●边缘支承:明框、半隐框、隐框;

●点支承:钢爪、夹板。

2、支承结构

●分离式光伏系统的光伏组件要求设置单独的支承结构;

●当屋面光伏组件要求斜放或架空较大距离时,可采用支架;

●平放或无架空要求时,可用短柱或金属框;

●墙面的光伏组件可采用单独的落地支承结构、半独立的支承结构或与幕墙的面板共用竖向支承结构。

●不需要很大距离时,可用框或短柱支承

七、图例

●明框光伏面板

明框光伏面板

●隐框光伏遮阳

隐框光伏遮阳

●钢爪点支撑

钢爪点支撑

●夹板点支撑

夹板点支撑

●大型钢架支撑

大型钢架支撑

●立体桁架支撑

立体桁架支撑

●超大型支撑

超大型支撑

●索桁架点支撑

索桁架点支撑

●半独立支撑

半独立支撑

《光电建筑资讯》技术栏目主编

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