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Abstract: A brief introduction of BIPV project has been made in this paper first. Then mainly describe the 70kW BIPV project with flexible film modules built in ZheJiang University ZiJingang campus, including the structural design ,system analysis and the system installation.
摘要：本文主要先对BIPV项目进行简单的介绍，再针对相关的现有的BIPV项目工程--浙江大学紫金港校区70kW柔性薄膜组件BIPV项目工程进行介绍，包括该介绍该系统的支架结构设计理论及设计、安装过程等。
关键词：70kW；BIPV；柔性薄膜；结构设计
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
BIPV即Building Integrated PV是光伏建筑一体化。
PV即Photovoltaic。
BIPV技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑一体化（BIPV）就是把太阳能光伏发电系统（PV）安装在现有的建筑物表面上，或把PV与新建筑物同时进行设计、施工安装，既能满足PV的发电功能，又能和建筑物友好结合[1]。
BIPV建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构；太阳能硅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，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和分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，在一定条件下还可能向电网供电，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，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。
紫金港70kW---BIPV项目是浙江大学紫金港校区70kW柔性薄膜光伏组件光伏建筑一体化应用示范项目，其设计理念就是利用薄膜组件的柔性结合长廊的波浪形廊顶弧度达到光伏、建筑一体化。整个系统结构能进行光伏发电、遮阳庇荫等。这个光伏建筑一体化项目已成为了学校一道亮丽的风景线，且该系统将被浙江大学用于智能电网领域研究。
1光伏建筑一体化设计方案
1.1环境概况
该工程位于杭州市（东经120°9′55.6″；北纬30°10′58.1″）浙江大学紫金港校区，PV安放于东教学楼的空中长廊上。
观看长廊侧面为波浪型，整个长廊有17个半波，一共352.8延米。长廊的主要材料都为碳钢。长廊顶棚为方管钢管次梁。
图1：紫金港空中长廊
图2：波浪形长廊
1.2安装结构设计
1.2.1设计参数
根据客户要求，结构能抵抗10级强风；
及按《建筑结构荷载规范--GB 50009-2001》，查出杭州市50年一遇的基本风压为0.45kN/m2；基本雪压为0.45kN/m2。
组件的安装角度为：薄膜组件随长廊的波浪形形状安装。安装完成后组件也为波浪形，结合原有建筑形状，融于自然。
1.2.2安装结构设计
一）柔性PV薄膜组件设计
本项目工程采用的是FPV7045LMA2型的PV薄膜。外形尺寸1845×494mm，四周设薄钢片（图中虚线），总体重量为1.8kg。最大功率的为45W，直流输出电压158.5V，电流0.284A。环境温度-20℃～+40℃，PV薄膜相对温度-20℃～+90℃，相对湿度15%～95%，耐风压2400Pa以下。绝缘阻抗100MΩ以上，出力保证10年
PV薄膜组件按长廊长度方向两排横装布置，中间检修通道。薄膜组件和长廊顶棚保持120mm高度，方便走线。
长廊上铺设的PV薄膜组件总数为1520块，额定功率为70kW左右。
圖4：PV薄膜组件
二） 结构设计
支架的结构类型为：以长廊波浪形顶棚的次方管钢梁为基础，利用支座，将波浪形的支架主梁方管布置在顶棚上。方管主梁通过支座与长廊顶棚保持150mm的高度，方便组件走线等，使整体光看更于美观。采用扁钢压条完成薄膜组件的固定。
PV选用的组件为柔性薄膜组件，其上层封装材料采用是高耐用的聚酯膜ETFE。薄膜组件结构与传统的刚性组件结构在设计计算上有诸多不同之处，薄膜组件受力后力的传导类似于膜结构，故，本次紫金港70kW薄膜PV的设计计算按膜结构的设计过程进行设计计算分析，其设计计算的一般过程是：体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析。
（1）非线性有限元基本方程
有限单元法是对工程结构进行数值分析的最有效方法，特别是在计算机应用越来越普及的今天。在薄膜组件结构实际设计中，钢支架加强、边缘构件的应用是必不可少的，因此本文程序中包含了膜单元，杆单元，梁单元。其中空间膜单元定义为三结点的三角形等参元，考虑节点的ｘｙｚ三个方向的位移，但只计及面内的正应力σx、σy和剪应力Z xy。应用Ｕ•Ｌ法列式，可以得薄膜结构有限元基本迭代方程为[1]：
（[KL]+[KNL]）•△{u}={R}-{F}（1）
式中：{R}为外荷载向量；
{F}为ｔ时刻单元应力节点等效力向量；
[KL]为线性应变增量刚度矩阵；
[KNL]为非线性应变增量刚度矩阵。
非线性方程组的求解，采用增量形式的 Full Newton-Raphson 法。
（2）体型设计
通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，施工方案等。
（3）初始平衡状态分析
由于薄膜组件材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强度很差，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析。
（4）荷载分析
PV薄膜结构由于自重较小，考虑的荷载主要是风荷载和雪荷载两种活荷载。在荷载作用下薄膜材料的变形较大，且随着形状的改变，荷载分布也在改变，因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。
柔性薄膜PV的支架结构不同于传统组件结构，在分析方法上有其特殊性。
上诉为设计理论计算的分析过程，本公司采用Ansys计算软件进行结构整体强度、稳定性计算。通过模型模拟进行有限元力学分析，确定支架结构构件的截面大小及厚度；
由《冷弯薄壁型钢结构设计规范--GB 50018-2002》，确定自攻螺丝大小，计算公式如下：
受拉：
式中： ：一个自攻螺钉的抗拉承载力设计值（N）；
：紧挨钉头侧的压型钢板厚度（mm）；
：被连接钢板的抗拉强度设计值（N/mm2）。
受剪：
：一个自攻螺钉的抗剪承载力设计值（N）；
：较薄板（钉头接触侧的钢板）厚度（mm）；
：较厚板（在现场形成的钉头一侧的板或钉尖侧的板）的厚度（mm）；
：被连接钢板的抗剪强度设计值（N/mm2）；
：螺栓直径；
三）钢结构支架构件都经过热镀锌防腐处理，电池组件距长廊顶棚不小于150mm，满足抗风、抗震、防雷、排水等要求，同时兼具遮阳庇荫等功能。
四）在进行整体安装前，要先进行试装，主要确定主梁折弯后的弯度是出现异形，是否能形成波浪形状，且接头处是否哪呢过吻合对接。
薄膜组件在通过钢板固定前，先用粘胶进行稳定固定。
图5：紫金港70kW柔性薄膜BIPV项目
2 结语
浙江大学紫金港70kW柔性薄膜BIPV示范项目是光伏建筑一体化综合工程。一个成功的BIPV项目工程不但在最初的方案设计考虑与建筑自然友好结合，还应在结构设计上满足力学要求。
参考文献
[1]宋振涛等， 光伏建筑一体化技术应用于探讨.皇明洁能控股有限公司, 2011.
[2]向阳， 薄膜结构的初始形态设计、风振响应分析及风洞实验研究（博士学位论文），哈尔滨建筑大学，1998
[3]武岳等， 威海体育场挑蓬膜结构风洞测压实验研究，国家自然科学基金重大项目专题年度研究报告（大连），1999
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
摘要：本文主要先对BIPV项目进行简单的介绍，再针对相关的现有的BIPV项目工程--浙江大学紫金港校区70kW柔性薄膜组件BIPV项目工程进行介绍，包括该介绍该系统的支架结构设计理论及设计、安装过程等。
关键词：70kW；BIPV；柔性薄膜；结构设计
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
BIPV即Building Integrated PV是光伏建筑一体化。
PV即Photovoltaic。
BIPV技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑一体化（BIPV）就是把太阳能光伏发电系统（PV）安装在现有的建筑物表面上，或把PV与新建筑物同时进行设计、施工安装，既能满足PV的发电功能，又能和建筑物友好结合[1]。
BIPV建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构；太阳能硅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，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和分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，在一定条件下还可能向电网供电，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，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。
紫金港70kW---BIPV项目是浙江大学紫金港校区70kW柔性薄膜光伏组件光伏建筑一体化应用示范项目，其设计理念就是利用薄膜组件的柔性结合长廊的波浪形廊顶弧度达到光伏、建筑一体化。整个系统结构能进行光伏发电、遮阳庇荫等。这个光伏建筑一体化项目已成为了学校一道亮丽的风景线，且该系统将被浙江大学用于智能电网领域研究。
1光伏建筑一体化设计方案
1.1环境概况
该工程位于杭州市（东经120°9′55.6″；北纬30°10′58.1″）浙江大学紫金港校区，PV安放于东教学楼的空中长廊上。
观看长廊侧面为波浪型，整个长廊有17个半波，一共352.8延米。长廊的主要材料都为碳钢。长廊顶棚为方管钢管次梁。
图1：紫金港空中长廊
图2：波浪形长廊
1.2安装结构设计
1.2.1设计参数
根据客户要求，结构能抵抗10级强风；
及按《建筑结构荷载规范--GB 50009-2001》，查出杭州市50年一遇的基本风压为0.45kN/m2；基本雪压为0.45kN/m2。
组件的安装角度为：薄膜组件随长廊的波浪形形状安装。安装完成后组件也为波浪形，结合原有建筑形状，融于自然。
1.2.2安装结构设计
一）柔性PV薄膜组件设计
本项目工程采用的是FPV7045LMA2型的PV薄膜。外形尺寸1845×494mm，四周设薄钢片（图中虚线），总体重量为1.8kg。最大功率的为45W，直流输出电压158.5V，电流0.284A。环境温度-20℃～+40℃，PV薄膜相对温度-20℃～+90℃，相对湿度15%～95%，耐风压2400Pa以下。绝缘阻抗100MΩ以上，出力保证10年
PV薄膜组件按长廊长度方向两排横装布置，中间检修通道。薄膜组件和长廊顶棚保持120mm高度，方便走线。
长廊上铺设的PV薄膜组件总数为1520块，额定功率为70kW左右。
圖4：PV薄膜组件
二） 结构设计
支架的结构类型为：以长廊波浪形顶棚的次方管钢梁为基础，利用支座，将波浪形的支架主梁方管布置在顶棚上。方管主梁通过支座与长廊顶棚保持150mm的高度，方便组件走线等，使整体光看更于美观。采用扁钢压条完成薄膜组件的固定。
PV选用的组件为柔性薄膜组件，其上层封装材料采用是高耐用的聚酯膜ETFE。薄膜组件结构与传统的刚性组件结构在设计计算上有诸多不同之处，薄膜组件受力后力的传导类似于膜结构，故，本次紫金港70kW薄膜PV的设计计算按膜结构的设计过程进行设计计算分析，其设计计算的一般过程是：体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析。
（1）非线性有限元基本方程
有限单元法是对工程结构进行数值分析的最有效方法，特别是在计算机应用越来越普及的今天。在薄膜组件结构实际设计中，钢支架加强、边缘构件的应用是必不可少的，因此本文程序中包含了膜单元，杆单元，梁单元。其中空间膜单元定义为三结点的三角形等参元，考虑节点的ｘｙｚ三个方向的位移，但只计及面内的正应力σx、σy和剪应力Z xy。应用Ｕ•Ｌ法列式，可以得薄膜结构有限元基本迭代方程为[1]：
（[KL]+[KNL]）•△{u}={R}-{F}（1）
式中：{R}为外荷载向量；
{F}为ｔ时刻单元应力节点等效力向量；
[KL]为线性应变增量刚度矩阵；
[KNL]为非线性应变增量刚度矩阵。
非线性方程组的求解，采用增量形式的 Full Newton-Raphson 法。
（2）体型设计
通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，施工方案等。
（3）初始平衡状态分析
由于薄膜组件材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强度很差，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析。
（4）荷载分析
PV薄膜结构由于自重较小，考虑的荷载主要是风荷载和雪荷载两种活荷载。在荷载作用下薄膜材料的变形较大，且随着形状的改变，荷载分布也在改变，因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。
柔性薄膜PV的支架结构不同于传统组件结构，在分析方法上有其特殊性。
上诉为设计理论计算的分析过程，本公司采用Ansys计算软件进行结构整体强度、稳定性计算。通过模型模拟进行有限元力学分析，确定支架结构构件的截面大小及厚度；
由《冷弯薄壁型钢结构设计规范--GB 50018-2002》，确定自攻螺丝大小，计算公式如下：
受拉：
式中： ：一个自攻螺钉的抗拉承载力设计值（N）；
：紧挨钉头侧的压型钢板厚度（mm）；
：被连接钢板的抗拉强度设计值（N/mm2）。
受剪：
：一个自攻螺钉的抗剪承载力设计值（N）；
：较薄板（钉头接触侧的钢板）厚度（mm）；
：较厚板（在现场形成的钉头一侧的板或钉尖侧的板）的厚度（mm）；
：被连接钢板的抗剪强度设计值（N/mm2）；
：螺栓直径；
三）钢结构支架构件都经过热镀锌防腐处理，电池组件距长廊顶棚不小于150mm，满足抗风、抗震、防雷、排水等要求，同时兼具遮阳庇荫等功能。
四）在进行整体安装前，要先进行试装，主要确定主梁折弯后的弯度是出现异形，是否能形成波浪形状，且接头处是否哪呢过吻合对接。
薄膜组件在通过钢板固定前，先用粘胶进行稳定固定。
图5：紫金港70kW柔性薄膜BIPV项目
2 结语
浙江大学紫金港70kW柔性薄膜BIPV示范项目是光伏建筑一体化综合工程。一个成功的BIPV项目工程不但在最初的方案设计考虑与建筑自然友好结合，还应在结构设计上满足力学要求。
参考文献
[1]宋振涛等， 光伏建筑一体化技术应用于探讨.皇明洁能控股有限公司, 2011.
[2]向阳， 薄膜结构的初始形态设计、风振响应分析及风洞实验研究（博士学位论文），哈尔滨建筑大学，1998
[3]武岳等， 威海体育场挑蓬膜结构风洞测压实验研究，国家自然科学基金重大项目专题年度研究报告（大连），1999
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。