CN108322146B - 曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法及使用的表皮模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法及使用的表皮模块，旨在提供一种能够降低施工难度，提高施工效率的制作方法及表皮模块。该制作方法为：设计初始曲面模型；以太阳能辐射吸收量最大为目标进行优化设计，得到优化曲面模型；对优化后的曲面模型划分成为多个模块；根据划分后的模块图形采用3D打印技术打印硬性曲面背板，在打印后的硬性曲面背板上依次叠合固定第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜，对边缘进行封装；将每块成品表皮模块现场安装；最后将相邻模块插接，完成整体建筑表皮立面的施工。该方法大幅度降低了现场安装难度，提高了施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，更具体的说，是涉及一种曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法及曲面薄膜光伏建筑表皮模块。
背景技术
太阳能作为清洁的可再生能源其储量丰富，易于收集，非常具有应用价值。为了充分利用太阳能资源，同时有效缓解建筑能耗压力，如何将光伏材料有效的集成于建筑表皮，使其成为可以实现电力产出的建筑材料，从而实现光伏建筑一体化，真正实现建筑物产生能源将非常具有研究意义。
目前，薄膜光伏主要为平板光伏。但是随着建筑形式的日趋复杂化，曲面建筑表皮凭借其多变性与动态感而广泛应用于建筑实践当中。然而曲面表皮其三维模型复杂，对于太阳光采集没有确定规律，所以针对曲面建筑集成光伏材料的制作及其施工安装国内外还没有较为成熟的技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能够降低施工难度，提高施工效率，能够提高曲面建筑对太阳能的吸收量，提高光伏材料利用率的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法。
本发明的在一个目的是提供一种能够降低施工难度，提高施工效率的曲面薄膜光伏的表皮模块。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法，包括下述步骤：
(1)设计初始曲面模型；
(2)以太阳能辐射吸收量最大为目标进行优化设计，得到优化曲面模型；
(3)对优化后的曲面模型划分成为多个模块；
(4)根据划分后的模块图形采用3D打印技术打印硬性曲面背板，在打印后的硬性曲面背板上依次叠合固定第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜，之后，对边缘进行封装并加工出螺栓通孔成为成品表皮模块；
(5)将每块成品表皮模块现场安装，先将龙骨的一端与墙体预埋件通过第一螺栓固定连接，再将龙骨的另一端通过第二螺栓与龙骨座固定连接，最后通过第三螺栓将每块成品表皮模块与龙骨座及龙骨连接成一体；
(6)将相邻模块插接，密封相邻模块之间的缝隙及每个模块上的螺栓通孔，并将每块表皮模块的导线接入接线盒中，完成整体建筑表皮立面的施工。
所述步骤(2)包括下述步骤：
以初始曲面模型为优化对象，提取控制参数；根据遗传算法原理对初始曲面模型进行优化设计，使薄膜光伏对太阳辐射有最佳吸收量；优化设计包括下述步骤：
①将统计太阳辐射量的目标函数定义为公式(1)，自变量为曲面控制点参数坐标，因变量为曲面吸收太阳能辐射的总和；
f(Xi k),i＝1,……,N (1)
②将曲面上的k个控制点以初始位置为参考，按控制点编号排列为[X0 1,……X0 K]和[X0＇ 1……X0＇ k]，将其命名为母代染色体，并将母代染色体转化成二进制形式表达；
③将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，从而产生新的子代染色体[X1 1,……X1 K]；
④对新染色体带入公式(1)计算其结果，并择优保留太阳能辐射量相对较大的数值作为新的母代染色体；
⑤重复以上迭代操作，直到结果收敛，太阳能辐射量数值相对稳定，终止优化；
⑥将二进制返回成十进制的表达形式，得出优化结果[XN 1,……XN K]。
步骤③中的交叉概率为0.6-0.8，突变概率为0.01-0.03。
一种曲面薄膜光伏建筑的表皮模块，包括依次叠合固定的硬性曲面背板、第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜，所述硬性曲面背板、第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜的边缘通过密封胶封装；所述硬性曲面背板的上端反面设置有龙骨安装座、预留导线槽和光伏接线盒，所述硬性曲面背板上设置有导线引出孔，所述表皮模块上设置有螺栓通孔；所述柔性薄膜太阳能电池的导线穿过所述导线引出孔并沿所述预留导线槽接入所述光伏接线盒；所述硬性曲面背板为四边形，所述硬性曲面背板的四边分别设置有用于相邻模块插接的插接件和插口。
所述硬性曲面背板的材料为ABS塑料或聚碳酸酯。
所述第一柔性夹胶片和第二柔性夹胶片的材料为PVB胶片、EVA胶片和SGP胶片中的任一种。
所述柔性薄膜太阳能电池为铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硅膜太阳能电池及染料敏化太阳能电池中的任一种。
所述柔性防水透明塑料膜为乙烯-四氟乙烯共聚物膜。
所述密封胶为硅酮类或聚硫类密封胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法通过模块化的设计在加工车间即可完成制造过程，大幅度降低了现场安装难度，提高了施工效率。
2、本发明的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法通过对初始曲面模型的优化，能够提高光伏集成于曲面建筑上对太阳光的吸收量，提高发电效率，提高光伏材料的利用率，从而充分发挥了太阳能作为清洁可再生能源的利用价值。
3、本发明的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法为造型多变的曲面建筑提供了有效利用太阳能资源的合理利用方式。
4、本发明的表皮模块实现了模块的装配式建造，模块化生产降低了施工安装的难度。
5、本发明的表皮模块具有一定的弯曲能力和硬度，透光性好，尺寸稳定性好。
附图说明
图1所示为本发明曲面薄膜光伏建筑的表皮模块与墙体连接构造示意图；
图2所示为初始曲面与优化后曲面侧视图；
图3所示为曲面薄膜光伏建筑表皮模块拼接示意图；
图4所示为表皮模块结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明曲面薄膜光伏建筑的表皮模块与墙体连接构造示意图参见图1，曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法包括下述步骤：
(1)、建筑师根据设计单位设计构思设计初始曲面模型；
(2)、以太阳能辐射吸收量最大为目标进行优化设计，得到优化曲面模型；
(3)、对优化后的曲面模型划分成为多个模块；
(4)、根据划分后的模块图形采用3D打印技术打印出硬性曲面背板，在打印后的硬性曲面背板上依次叠合固定第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜，之后，对边缘进行封装并加工出螺栓通孔成为成品表皮模块2。其中，优选3D打印技术中的熔融沉积技术生成硬性曲面背板。
(5)、将每块成品表皮模块2现场安装，先将龙骨1的一端与墙体预埋件6通过第一螺栓7固定连接，再将龙骨1的另一端通过第二螺栓5与龙骨座3固定连接，最后通过第三螺栓4将每块成品表皮模块2与龙骨座3及龙骨1连接成一体。
(6)、将相邻表皮模块通过相配合的插接件10与插口11插接，密封相邻表皮模块2之间的缝隙及每个表皮模块上的螺栓通孔，并将每块表皮模块的导线8接入接线盒9中，完成整体建筑表皮立面的施工。拼装后的曲面建筑表皮立面如图3所示。
其中，步骤(2)中的优化方法可以采用现有技术中的方法，优选采用基于遗传算法的优化方法，具体优化步骤如下：
以初始曲面模型为优化对象，提取控制参数；根据遗传算法原理对初始曲面模型进行优化设计，使薄膜光伏对太阳辐射有最佳吸收量；优化设计包括下述步骤：
①将统计太阳辐射量的目标函数定义为公式(1)，自变量为曲面控制点参数坐标，因变量为曲面吸收太阳能辐射的总和；
f(Xi k),i＝1,……,N (1)
②将曲面上的k个控制点以初始位置为参考，按控制点编号排列为[X0 1,……X0 K]和[X0＇ 1……X0＇ k]，将其命名为母代染色体，并将母代染色体转化成二进制形式表达；
③将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，从而产生新的子代染色体[X1 1,……X1 K]；
④对新染色体带入公式(1)计算其结果，并择优保留太阳能辐射量相对较大的数值作为新的母代染色体；
⑤重复以上迭代操作，直到结果收敛，太阳能辐射量数值相对稳定，终止优化；
⑥将二进制返回成十进制的表达形式，得出优化结果[XN 1,……XN K]。
其中，步骤③中的交叉概率为0.6-0.8，突变概率为0.01-0.03。
本实施例以天津气象数据作为具体分析背景，选择初始模型如图2虚线2a所示，此初始曲面是通过6个控制点唯一确定的Nurbs曲面，除去两个端点进行定位以外，中部4个控制点作为可调的变化参数，这4个可调控制点命名与坐标数据见表1。本例计算了天津夏季6、7、8月从上午8点到下午16点，逐天的太阳能累计辐射量。初始模型的太阳能辐射吸收量为30673.60kW·h。
表1
| 名称 | 坐标(x,y,z)cm |
| A | (-194.2,0,30) |
| B | (-31.2,0,60) |
| C | (143.5,0,90) |
| D | (300,0,120) |
对初始曲面模型进行优化，首先提取A,B,C,D4个控制点，以可调节的x方向坐标为参数，以集成光伏材料所要求的太阳能辐射量最大为目标函数。进行基于遗传算法的优化求解，将曲面上的4个控制点以初始位置为参考，编译成母代染色体[-194.2,-31.2,143.5,300]，并将其转化成二进制形式表达[-11000010.00110011001100110011001100110011,-11111.00110011001100110011001100110011,10001111.10000000000000000000000000000000,100101100.00000000000000000000000000000000]；再次，将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，交叉概率0.8，突变概率0.03，本实施例中的交叉采用随机将与中对应位数的数值互换，突变采用在染色体中发生“0”与“1”的随机转化，从而产生子代染色体；对新染色体带入太阳辐射量统计函数计算其结果，并择优保留，重复以上迭代操作，直到结果收敛，终止优化；最后得出优化结果的二进制形式染色体为：
[-100100101.010011001100110011001100110011；-11101010.10110011001100110011001100110011；100101100.00000000000000000000000000000000；100101100.00000000000000000000000000000000]，将其转化成十进制形式如下表2所示。太阳能吸收量为36461.01kW·h。比原模型效率提升18.87％。改进后的曲面如图2实线2b所示。
表2
| 名称 | 坐标(x,y,z)cm |
| A | (-293.3,0,30) |
| B | (-234.7,0,60) |
| C | (300,0,90) |
| D | (300,0,120) |
以此坐标数据作为生成曲面硬性背板的结构参数。再通过3D打印技术中的熔融沉积技术生成背板模块。
步骤(3)中对优化后的曲面模型划分成为多个模块可以采用现有技术的方法进行。
本发明的制作方法中使用的曲面薄膜光伏建筑的表皮模块的结构示意图如图4所示，包括依次叠合固定的硬性曲面背板2-5、第一柔性夹胶片2-4、柔性薄膜太阳能电池2-3、第二柔性夹胶片2-2和柔性防水透明塑料膜2-1，所述硬性曲面背板2-5、第一柔性夹胶片2-4、柔性薄膜太阳能电池2-3、第二柔性夹胶片2-2和柔性防水透明塑料膜2-1的边缘通过密封胶封装。所述硬性曲面背板2-5的上端反面设置有龙骨安装座3、预留导线槽和光伏接线盒9，所述硬性曲面背板2-5上设置有导线引出孔，所述表皮模块上设置有螺栓通孔。所述柔性薄膜太阳能电池的导线8穿过所述导线引出孔并沿所述预留导线槽接入所述光伏接线盒9。所述硬性曲面背板2-5为四边形，所述硬性曲面背板的四边分别设置有用于相邻模块插接的插接件10和插口11。
为了适应本发明的曲面表皮的需要，所述硬性曲面背板2-5的材料为ABS塑料或聚碳酸酯。所述第一柔性夹胶片2-4和第二柔性夹胶片2-2的材料为PVB胶片、EVA胶片和SGP胶片中的任一种。所述柔性薄膜太阳能电池2-3为铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硅膜太阳能电池及染料敏化太阳能电池中的任一种。所述柔性防水透明塑料膜2-1为EIEF(乙烯-四氟乙烯共聚物)膜。所述表皮模块封装用密封胶为硅酮类或聚硫类密封胶。相邻表皮模块之间的密封胶使用丁基橡胶类。
本发明的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作部分通过对硬性曲面背板的优化显著提高了曲面薄膜光伏建筑表皮模块对太阳能的吸收量，并通过节点构造设计提高了其安装于立面墙体的施工速度，降低了施工难度，保证了施工质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)设计初始曲面模型；
(2)以太阳能辐射吸收量最大为目标进行优化设计，得到优化曲面模型；
(3)对优化后的曲面模型划分成为多个模块；
(4)根据划分后的模块图形采用3D打印技术打印硬性曲面背板，在打印后的硬性曲面背板上依次叠合固定第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜，之后，对边缘进行封装并加工出螺栓通孔成为成品表皮模块；
(5)将每块成品表皮模块现场安装，先将龙骨的一端与墙体预埋件通过第一螺栓固定连接，再将龙骨的另一端通过第二螺栓与龙骨座固定连接，最后通过第三螺栓将每块成品表皮模块与龙骨座及龙骨连接成一体；
(6)将相邻模块插接，密封相邻模块之间的缝隙及每个模块上的螺栓通孔，并将每块表皮模块的导线接入接线盒中，完成整体建筑表皮立面的施工。
2.根据权利要求1所述的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法，其特征在于，所述步骤(2)包括下述步骤：
以初始曲面模型为优化对象，提取控制参数；根据遗传算法原理对初始曲面模型进行优化设计，使薄膜光伏对太阳辐射有最佳吸收量；优化设计包括下述步骤：
①将统计太阳辐射量的目标函数定义为公式(1)，自变量为曲面控制点参数坐标，因变量为曲面吸收太阳能辐射的总和；
f(Xi k),i＝1,……,N (1)
②将曲面上的k个控制点以初始位置为参考，按控制点编号排列为[X0 1,……X0 K]和[X0＇ 1……X0＇ k]，将其命名为母代染色体，并将母代染色体转化成二进制形式表达；
③将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，从而产生新的子代染色体[X1 1,……X1 K]；
④对新染色体带入公式(1)计算其结果，并择优保留太阳能辐射量相对较大的数值作为新的母代染色体；
⑤重复以上迭代操作，直到结果收敛，太阳能辐射量数值相对稳定，终止优化；
⑥将二进制返回成十进制的表达形式，得出优化结果[XN 1,……XN K]。
3.根据权利要求2所述的曲面薄膜光伏建筑表皮的制作方法，其特征在于，步骤③中的交叉概率为0.6-0.8，突变概率为0.01-0.03。
4.一种曲面薄膜光伏建筑的表皮模块，其特征在于，包括依次叠合固定的硬性曲面背板、第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜，所述硬性曲面背板、第一柔性夹胶片、柔性薄膜太阳能电池、第二柔性夹胶片和柔性防水透明塑料膜的边缘通过密封胶封装；所述硬性曲面背板的上端反面设置有龙骨安装座、预留导线槽和光伏接线盒，所述硬性曲面背板上设置有导线引出孔，所述表皮模块上设置有螺栓通孔；所述柔性薄膜太阳能电池的导线穿过所述导线引出孔并沿所述预留导线槽接入所述光伏接线盒；所述硬性曲面背板为四边形，所述硬性曲面背板的四边分别设置有用于相邻模块插接的插接件和插口；所述硬性曲面背板的材料为ABS塑料或聚碳酸酯。
5.根据权利要求4所述的曲面薄膜光伏建筑的表皮模块，其特征在于，所述第一柔性夹胶片和第二柔性夹胶片的材料为PVB胶片、EVA胶片和SGP胶片中的任一种。
6.根据权利要求4所述的曲面薄膜光伏建筑的表皮模块，其特征在于，所述柔性薄膜太阳能电池为铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硅膜太阳能电池及染料敏化太阳能电池中的任一种。
7.根据权利要求4所述的曲面薄膜光伏建筑的表皮模块，其特征在于，所述柔性防水透明塑料膜为乙烯-四氟乙烯共聚物膜。
8.根据权利要求4所述的曲面薄膜光伏建筑的表皮模块，其特征在于，所述密封胶为硅酮类或聚硫类密封胶。
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