董磊　　尤尼索拉津能（天津）能源有限責(zé)任公司

　　摘要：第一代光伏建筑一體化是通過利用量身定做的支架把組件安裝在民用住宅或商用建筑上；第二代光伏建筑系統(tǒng)中組件慢慢取代了建筑物屋頂?shù)姆馄ぃ浑S著商用柔性組件的出現(xiàn)，第三代光伏建筑系統(tǒng)采用的是與標(biāo)準(zhǔn)建筑能夠完美結(jié)合的柔性光伏組件。本文的第一部分將描述柔性光伏產(chǎn)品組件是由非晶硅為主要原料制成，并且將對(duì)柔性光伏產(chǎn)品的特殊性能和其優(yōu)勢(shì)做詳細(xì)說(shuō)明，這些組件是利用三結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池在不銹鋼襯底上制造完成。在本文的第二部分將會(huì)敘述PV組件在光伏建筑上的進(jìn)化過程。可實(shí)施的光伏建筑組件新突破的成為光伏建筑一體化發(fā)展進(jìn)化先決條件，這種新發(fā)明克服了傳統(tǒng)光伏產(chǎn)品的缺陷。現(xiàn)代光伏產(chǎn)品的目標(biāo)是通過利用柔性非晶硅薄膜太陽(yáng)組件在標(biāo)準(zhǔn)建筑上的粘合，為現(xiàn)代工業(yè)建筑的屋頂板打造一個(gè)穩(wěn)定、功能性強(qiáng)、性價(jià)比高以及壽命久的光伏組件。

　　一 柔性組件的原理和工藝
　　經(jīng)過研發(fā)改良利用卷到卷的工藝把三結(jié)非晶硅合金沉積在不銹鋼襯底上。在2.6KM長(zhǎng)，0.36M寬，厚度0.125毫米的不銹鋼帶上以1cm/s的速度生產(chǎn)加工，以下是生產(chǎn)流程：
　　1. 清洗不銹鋼襯底
　　2. 在反射器上沉積
　　3. 非晶硅在合金上沉積
　　4. 表面加防反光涂層（ITO）
 

圖一 25兆瓦生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備

　　圖1這臺(tái)機(jī)器大約是100米長(zhǎng)，平均產(chǎn)量是25兆瓦。9層的A-SI和A-SiGE合金將在這里被沉積。藍(lán)、綠、紅電池對(duì)應(yīng)不同的光譜波段：底電池吸收紅光，中電池吸收黃或綠光，頂電池吸收藍(lán)光，這樣的光譜分波段吸收性能是提高電池效率的關(guān)鍵，在低光照水平和散射光下，也是如此。
　　到此電池沉積完成，接下來(lái)的步驟是：
　　1. 切割不銹鋼金屬材料
　　2. 鈍化
　　3. 電極
　　4. 切割電池
　　5. 電池和旁路二級(jí)管的連接
　　6. 層壓
　　7. 對(duì)組件進(jìn)行濕漏電、電性能參數(shù)和外觀的模擬檢測(cè)
　　ETFE、EVA、電池等材料封裝組件，并且為每張電池兩端都加裝了旁路二極管，組件的背面是一層丁基膠的設(shè)計(jì)，成品組件厚度只有4MM。常規(guī)組件的規(guī)格是5.5M*0.4M和2.85M*0.4M分別是136峰瓦和68峰瓦。
　　利用這種先進(jìn)的技術(shù)層壓的組件優(yōu)勢(shì)在于：
　　柔性
  輕便（3.4kgs/m²）
  高溫性能好
  可行走的組件
  容易與建筑曲面結(jié)合
  耐陰影
  遮擋、污染損失更小
  每年發(fā)電量受陣列傾斜角度和方位的影響小

　　二 光伏建筑一體化的演化進(jìn)程
　　隨著客戶的需要太陽(yáng)能組件逐漸演化為建筑光伏產(chǎn)品。在現(xiàn)在看來(lái)，發(fā)現(xiàn)不是所有的建筑都適合安裝組件。接下來(lái)列舉出一些針對(duì)光伏建筑一體化（BIPV）負(fù)面的評(píng)論，主要是針對(duì)如何讓安裝在屋頂?shù)墓夥�產(chǎn)品遵守標(biāo)準(zhǔn)建筑要求——防水。
　　2.1 第一代光伏建筑體系
　　第一代光伏建筑體系是將光伏產(chǎn)品安裝在建筑物的屋頂上。在當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的技術(shù)下，組件方陣只能被平行的安裝在屋頂?shù)谋砻妫?br />  

圖二 第一代光伏建筑

　　商業(yè)建筑的屋頂通常是平坦的，安裝光伏系統(tǒng)的時(shí)候需要用精心設(shè)計(jì)支架，架起一定的傾斜角度，在當(dāng)時(shí)這樣是最合理的解決方式。然而，這些支架在屋頂整體外觀上遭到了質(zhì)疑，以及在其材質(zhì)和工藝上提出疑問。
　　2.1.1 支架具有不尋常的重量
　　在居民住宅建筑上安裝太陽(yáng)電池的支架不是一個(gè)問題，因?yàn)榈湫偷淖≌�結(jié)構(gòu)是為了防積雪，那么它同樣也能承受框架結(jié)構(gòu)的電池組件。然而，在商業(yè)建筑屋頂上這些不尋常的支架的重量被評(píng)論為一個(gè)很重要的問題，特別是在一些老型建筑上和輕型農(nóng)業(yè)建筑上，這些附加的重量背負(fù)在屋頂上是顯而易見的。舉個(gè)例子，在商業(yè)屋頂上安裝太陽(yáng)電池支架的常用辦法是用沙子或等質(zhì)量的物質(zhì)去填充塑料槽來(lái)固定屋頂?shù)闹Ъ堋＿@項(xiàng)工藝可以避免鉆孔來(lái)固定支架帶來(lái)的損害。這產(chǎn)生的重量通常最大達(dá)到100千克每平方米，也就是說(shuō)屋頂結(jié)構(gòu)需要達(dá)到這個(gè)承受范圍。
　　2.1.2風(fēng)阻
　　當(dāng)過重的支架被安裝在屋頂上時(shí)，在通常情況下，風(fēng)阻是存在的。甚至在太陽(yáng)組件被平行安裝在屋頂時(shí)，風(fēng)阻也是顯而易見的，這種情況可能會(huì)影響到建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。為了避免對(duì)靜態(tài)建筑的影響，相關(guān)聯(lián)的定時(shí)風(fēng)力需要被仔細(xì)測(cè)量出來(lái)。特別在商用建筑平坦的屋頂上裝有一定傾斜角度的組件支架與風(fēng)阻產(chǎn)生的影響就將更為明顯。風(fēng)阻給建筑帶來(lái)的壓力的大小取決于建筑物的高度和當(dāng)?shù)氐钠骄�風(fēng)速，根據(jù)建筑物代碼和標(biāo)準(zhǔn)參照，有些建筑物是要被靜態(tài)評(píng)估是否能安裝。但是，即使是最精確的計(jì)算也無(wú)法阻止突如其來(lái)的不尋常的風(fēng)速。通過對(duì)組件的改良，他們研發(fā)了擋風(fēng)蓬去遮擋風(fēng)。生產(chǎn)支架的工廠需設(shè)計(jì)一種裝置是能夠在強(qiáng)大的風(fēng)力下防止組件被風(fēng)刮走后，而且仍然能夠固定住屋頂不被風(fēng)掀翻，屋頂掀翻帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了丟失組件的損失。

 
圖三 第一代光伏建筑一體化

　　2.1.3 對(duì)屋頂?shù)膿p害
　　現(xiàn)在大多數(shù)的建筑都是具有防水功能的屋頂，以防止水滲入到建筑物內(nèi)。然而鉆孔安裝組件與屋頂不透水功能卻相互抵觸。
　　2.1.4建筑物和支架安裝時(shí)協(xié)調(diào)原則
　　當(dāng)遭遇重大損失的時(shí)候，以下問題就顯得尤為重要了：
  誰(shuí)做的？
  他被授權(quán)做這個(gè)工作了嗎？
  他是否接收到正規(guī)的培訓(xùn)？
　　建筑工人建造了屋頂，而安裝系統(tǒng)的工人把光伏系統(tǒng)安裝在屋頂上。針對(duì)水滲入屋內(nèi)事件中，以下問題是：
  誰(shuí)造成了損害？
  誰(shuí)來(lái)維修屋頂？
  誰(shuí)來(lái)承擔(dān)修理費(fèi)用？
  誰(shuí)來(lái)承擔(dān)室內(nèi)修理費(fèi)用，例如被損害的室內(nèi)物品？
　　2.1.5 維修
　　通常商用建筑屋頂?shù)膬A斜角度是2-5度。如果支架被傾斜安裝在屋頂上，那維修工作變得復(fù)雜，排水或積雪的路徑也變得狹窄，甚至在發(fā)生起火事件時(shí)難以展開施救。
　　2.2 第二代光伏建筑體系
　　第二代光伏建筑一體化的特征是組件取代了部分房屋的屋頂，具備其功能。
 

圖四 第二代光伏居民建筑一體化

 
圖五 第二代商業(yè)建筑一體化

　　組件變得多功能化降低他們的成本費(fèi)用這是十分有益的。組件作為部分屋頂，這項(xiàng)發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是與建筑完美結(jié)合，美觀一組件多用，可以通過用不同的玻璃封裝，使其既能發(fā)電又具有隔音或隔熱等不同作用；缺點(diǎn)是受位置角度等條件的制約，發(fā)電效率受影響，分組、布線等相對(duì)復(fù)雜。如果不能解決這些問題，那么這一代光伏系統(tǒng)不會(huì)在市場(chǎng)上占有很多份額。
　　2.2.1采用非標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)
　　一個(gè)減少成本費(fèi)用的關(guān)鍵是采取標(biāo)準(zhǔn)建筑解決方案。這對(duì)于光伏建筑一體化同樣適用，但是在第二代光伏建筑一體化中大部分采用量身制定組件。這項(xiàng)在建筑原則上導(dǎo)致不合標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料并且成本費(fèi)用高。
　　2.2.2 學(xué)科間的工程學(xué)說(shuō)
　　現(xiàn)已被注意到一些組件安裝設(shè)計(jì)單位并沒有足夠的建筑學(xué)背景，未能考慮把光伏產(chǎn)品結(jié)合到部分建筑物中。組件在基本功能上的要求上還是面臨挑戰(zhàn)，比如防水性、隔音效果、防寒排熱的性能。
　　2.2.3 溫度性能
　　更高的環(huán)境溫度會(huì)降低組件的輸出功率：組件的峰值功率是在25攝氏度的條件下測(cè)得的，以晶體硅組件為例溫度每升高1攝氏度，組件峰值功率損失0.135-0.145%，這樣的話也就是說(shuō)在100攝氏度的溫度時(shí)組件的功率降低10%。所以這方面在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該特別以免充電工作點(diǎn)嚴(yán)重偏移。
　　2.3第三代光伏建筑體系
　　1998年尤尼索拉公司開始大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)柔性光伏組件。

圖六 尤尼索拉柔性組件

　　通過對(duì)建筑材料工廠的材質(zhì)挑選，這些封裝材料被結(jié)合到現(xiàn)代建筑物中。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)建筑對(duì)于屋頂材質(zhì)要求是由不同的金屬做成，例如鋼、鋅鈦銅合金、鋁和柔性非金屬材質(zhì)的屋頂薄膜。這是在基于屋頂標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)的原則下，再配合上尤尼索拉的層壓材料，根據(jù)IEC61646審核被認(rèn)證這一產(chǎn)品是耐用并且堅(jiān)固的。這種組件的優(yōu)勢(shì)是：
　　柔性設(shè)計(jì)
  輕便
  風(fēng)阻更小
  根據(jù)建筑代碼和規(guī)章制度采取傳統(tǒng)帶認(rèn)證的建筑材質(zhì)確保其防水性能
  在高溫情況下，比晶體硅電池輸出的功率大
  屋頂可以行走以便維修
  不理想擺放方向和傾斜角度對(duì)于發(fā)電效率影響極小。
  電池組件的安裝和屋頂搭建程序一樣簡(jiǎn)單
　　以下幾張圖片展示了柔性組件實(shí)施的幾個(gè)例子。所有項(xiàng)目中有個(gè)共同點(diǎn)就是組件完美地融入到建筑屋頂上，屋頂結(jié)構(gòu)保持了原有的外觀。
  圖七展示了ThyssenKrupp的太陽(yáng)電池產(chǎn)品，一個(gè)絕緣金屬板，1米寬24米長(zhǎng)。
  圖八展示了Alwitra Evalon的太陽(yáng)電池產(chǎn)品，單一的屋頂夾層薄膜。
  圖九展示了鋁制永久性?shī)A層，同樣可以貼合曲面上。
  圖十展示了用太陽(yáng)電池為材質(zhì)的屋頂薄膜。

 
圖七

 
圖八

 
圖九

 
圖十

　　3. 小結(jié)
　　隨著柔性組件的發(fā)展，柔性組件在光伏建筑一體化上貢獻(xiàn)顯著。柔性組件在標(biāo)準(zhǔn)建筑上的應(yīng)用成為光伏建筑一體化新的開端，也促使其不斷增加產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全可靠性，同時(shí)降低了總體的成本費(fèi)用。
　　此外，柔性組件的特殊層壓材料，讓新行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用被實(shí)現(xiàn)。這種柔性光伏產(chǎn)品在輕質(zhì)的靜態(tài)建筑特別適用，（對(duì)其產(chǎn)生的影響小，比如重量、風(fēng)阻），或是業(yè)主為了美觀抵觸在屋頂安裝組件，此產(chǎn)品也能避免。