新型的綠色的能源技術(shù)：光電幕墻及光電屋頂

1 前 言

光電幕墻（屋頂）是將傳統(tǒng)幕墻（屋頂）與光生伏打效應(yīng)（光電原理）相結(jié)合的一種新型建筑幕墻（屋頂）。主要是利用太陽能來發(fā)電的一種新型的綠色的能源技術(shù)。

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的能源是以消耗地球的有限資源，同時又污染人類生存環(huán)境為代價來生產(chǎn)的，20世紀(jì)70年代全球的能源危機(jī)，使世界很多國家清醒地認(rèn)識到：太陽能是一種綠色（清潔，無污染）豐富的自然能源，爭相加以開發(fā)和研究，因而太陽能電池從人造衛(wèi)星發(fā)電開始向地面發(fā)電普及和應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計，1999年全世界太陽能電池的年產(chǎn)量已超過2億峰瓦（MWP），但其年產(chǎn)量與世界能源總需求相比仍然相差甚遠(yuǎn)，為了在21世紀(jì)能得到突破性發(fā)展，一些國家正在圍繞制約太陽能電池地面大規(guī)模普及應(yīng)用的一些根本問題進(jìn)行研究，其中一個問題就是接收面積問題，因為太陽能是分散的，為了提供所需的能源，必須有足夠的接受面積。據(jù)測算：為了滿足2000年全球電力的需求，以太陽能電池轉(zhuǎn)換率10%計算，需要的面積為840km×840km=705600km2，這相當(dāng)于德國和意大利兩個國家的面積。

太陽能電池的五種應(yīng)用領(lǐng)域: 應(yīng)用領(lǐng)域成本效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)市場潛力人造衛(wèi)星的發(fā)電系統(tǒng)佳，最早的太陽能發(fā)電應(yīng)用數(shù)百到千瓦量小，但發(fā)展穩(wěn)定發(fā)展中國家居家用的太陽能系統(tǒng)佳，市場呈穩(wěn)定成長5瓦至5000瓦預(yù)估世界上有十億人口沒有電網(wǎng)供應(yīng)電力工業(yè)應(yīng)用利潤最高的太陽能應(yīng)用。5瓦特至1，500瓦公路的急救電話、公路標(biāo)志、微波自動轉(zhuǎn)換裝置、電欄桿、街燈等已發(fā)展國家建立建筑物整體性的太陽能系統(tǒng)（Building Intergrated Photovoltaiacs）依據(jù)電力成本及政府輔助金而定2，000瓦至300，000瓦美國、日本和德國發(fā)展他們已經(jīng)宣布的「屋頂方案」，市場將超過每年1，000萬瓦中央電力供應(yīng)站太貴，平常電價三倍。

我國1995年的發(fā)電量約為1億MW?h，如果全部用太陽能電池發(fā)電，其接收面積約為12500km2，比天津市還要大。以上數(shù)值表明，所需的面積是相當(dāng)可觀的，利用建筑幕墻（屋頂）和太陽能電池相結(jié)合是解決接受面積的主要途徑，應(yīng)用方式有下列幾種：

德國慕尼黑商貿(mào)中心的6座大廈都裝光電屋頂，共有7812個框架光電板，每個光電板共有84個單晶硅太陽能電池，輸出功率為130w，光電板總和峰值功率為1.016kw，光電板占屋頂面積58%，發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變電器送至2萬伏中壓電網(wǎng)，預(yù)計壽命20年，可減少2萬噸的CO2排放量。（見Phptovoltaics Inside Report 1998 17（9）：3）?，F(xiàn)在全世界能源約4/5由含碳的礦物燃料產(chǎn)生，如果其用量年增長率為3%，預(yù)計到2020年全世界的CO2排放量將增加40%，對人類生成環(huán)境將產(chǎn)生災(zāi)難性后果，多次國際會議都在研討減少CO2排放量和發(fā)展綠色能源問題。光電幕墻（屋頂）的發(fā)展理所當(dāng)然地被列為21世紀(jì)重要綠色能源。

美國制訂了百萬光電屋頂幕墻計劃。德國于1999年開始10萬光電屋頂光電幕墻計劃，預(yù)計在6～8年完成，每個系統(tǒng)定為5kw，總?cè)萘靠蛇_(dá)500MW。日本截止于1997年已建立1600個光電屋頂，容量為37MW。預(yù)計到2010年，太陽能電池產(chǎn)量將達(dá)到1800MW/年以上，年產(chǎn)值將超過42億美元。光伏系統(tǒng)保有量預(yù)計為：美國757MW，歐洲618MW，日本174MW。指標(biāo) 年代199719981999200020052010參加城市數(shù)10255075200325太陽能建筑物（千個）28.523.5513761014屋頂當(dāng)量系統(tǒng)（kw）111234光伏總?cè)萘浚∕w）16.51555270610單位成本（美元/Wp）6.55.74.94.32.92.0總的CO2的減少（千噸）2133911110373510

我國擁有豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能為50×1018KJ，相當(dāng)于1700億t標(biāo)準(zhǔn)煤，每年日照時間大于2000h，輻射總量高于586KJ/m2的太陽能資源豐富地區(qū)和較豐富地區(qū)占全國總面積的2/3。我國是耗能大國，建筑能源浪費(fèi)更加突出。建筑能耗占全社會總能耗的25%，其中建筑采暖、空調(diào)、照明占14%，建筑建造能耗為11%，今后比例還可能有所上升。我國建筑能耗是相同氣候條件發(fā)達(dá)國家的2至3倍，在全面建設(shè)小康社會的進(jìn)程中，建設(shè)系統(tǒng)資源節(jié)約的任務(wù)十分艱巨。把資源節(jié)約、降低消耗放在突出位置，建筑節(jié)能是提高住宅舒適度、降低運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)，也是可持續(xù)發(fā)展的迫切要求。我國與國外先進(jìn)水平的差距，不在材料和技術(shù)上，而是在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的落實上。建立以強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)為主體、推薦性標(biāo)準(zhǔn)為補(bǔ)充的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系，新建建筑全面執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，建筑能耗減少50%。加大對建筑節(jié)能的檢查力度，對違反規(guī)定的建設(shè)項目，已完工的不予驗收備案并責(zé)令改。節(jié)能的65%主要由建筑圍護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)。通過建筑一體化設(shè)計，推廣應(yīng)用光電幕墻（屋頂）的有效途徑。盡管目前我國光電幕墻（屋頂）市場正在方興未艾，但它具有強(qiáng)大的潛在市場，我們有理由預(yù)計，中國的光電幕墻\光電屋頂及光電工程在21世紀(jì)將會得到迅猛的發(fā)展。資源帶號名稱指標(biāo)Ⅰ資源豐富帶≥6700MJ/（m2·a）Ⅱ資源較富帶5400~6700MJ/（m2·a）Ⅲ資源一般帶4200~5400MJ/（m2·a）Ⅳ資源貧乏帶＜4200MJ/（m2·a）MJ/（m2·a）——兆焦/（平方米·年）

光電幕墻（屋頂）的基本單元為光電板，而光電板是由若干個光電電池（又名太陽能電池）進(jìn)行串、并聯(lián)組合而成的電池陣列，把光電板安裝在建筑幕墻（屋頂）相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上就組成了光電幕墻（屋頂）。

2.1 光電現(xiàn)象

1983年，法國物理學(xué)家A.E貝克威爾觀察到光照在浸入電解液的鋅電板產(chǎn)生了電流，將鋅板換成帶銅的氧化物半導(dǎo)體，其效果更為明顯。1954年美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)從石英提取出來的硅板，在光的照射下能產(chǎn)生電流，并且硅越純，作用越強(qiáng)，并利用此原理做了光電板，稱為硅晶光電電池。

2.2 硅晶光電電池分類

硅晶光電電池可分為單晶硅電池\多晶硅電池和非硅晶電池。單晶硅光電電池：
表面規(guī)則穩(wěn)定，
通常呈黑色,
效率約14~17%多晶硅光電電池：
結(jié)構(gòu)通常清晰，呈蘭色
效率約12~14%非硅晶光電電池：
透明，不透明或透明
透過12%的光時，顏色

2.3 硅晶光電電池原理　　硅晶光電電池的原理是基于光照射到硅半導(dǎo)體PN結(jié)而產(chǎn)生的光伏效應(yīng)（Photovoltraic Effect，縮寫為PV），它的外形結(jié)構(gòu)有圓形的和方形的兩種。

這是一種N+/P型光電電池，它的基本材料為P型單晶硅，厚度在0.4mm以下，上表面是N型層，是受光層，它和基體在交界面處形成一個PN結(jié)，在n型層上面制作金屬柵線，作為正面柵狀電極（負(fù)極），在整個背面也制作金屬膜，作為背面金屬電極（正極），這樣就形成晶體硅光電電池。為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜。

當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體緊密接觸時，在交界處形成PN結(jié)：N型半導(dǎo)體的電子和P型半導(dǎo)體的空穴，都會向?qū)Ψ綌U(kuò)散，從而形成一個內(nèi)建電場。當(dāng)光照射到PN結(jié)時，如果光子的能量大于禁帶寬度（對硅而言，其數(shù)值為1.1ev），滿帶中的電子就會被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，形成由N區(qū)流向P區(qū)的內(nèi)光致電流，光致電流使N和P區(qū)分別積累了負(fù)電荷和正電，從而在PN結(jié)上形成附加的電勢差，這就是光生伏打效應(yīng)（PV），如果將PN結(jié)兩端與外電路相連，負(fù)載便會有電流通過。

2.4 光電電池（太陽電池）的效率

太陽電池的效率是指太陽電池的輸出功率PM與投射到太陽電池面積上的功率Ps之比，其值取決于工作點。通常采用的最大值作為太陽電池的效率，即　　如果太陽電池不工作于最大功率點，則太陽電池的實際效率都低于按此定義的效率值，實際效率可能更低。

影響太陽電池的效率的因素很多，如日照強(qiáng)度、光譜、溫度等，只有當(dāng)這些因素都確定時，太陽電池的效率才能被確定。下面分別討論上述三種因素對太陽電池效率的影響：日照強(qiáng)度S：其單位是w/㎡，在大氣層之外其值最大，稱為太陽常數(shù)。在大氣層之外的日照強(qiáng)度為S≈1.37kw/㎡。在地球表面的S值通常在零到1kw/㎡之間變化。圖二十九繪出了一簇以多種不同S值為參數(shù)的特性曲線。由圖可見，短路電流ISC隨著日照度S的變化而有較大改變，而空載電壓VOC僅是隨著S的變化而略有變化。如果進(jìn)行粗略的簡化，可以表示為（IM為負(fù)載最佳工作點的電流）：η=ηmp≈ LnS

由上式可以看出，效率η僅是隨著日照強(qiáng)度S的變化而微弱地變化，它們的關(guān)系是近似的對數(shù)關(guān)系。當(dāng)太陽電池的最佳工作點始終保持在它的最大功率點上時，太陽電池具有相當(dāng)好的“部分負(fù)荷特性”，既它帶有部分負(fù)荷時的效率不見得會比它帶有額定負(fù)荷時的效率小。

光線的波長λ或頻率f ：在非單色光的照射下，太陽電池的效率和光譜特性有關(guān)。由于地球表面上日照光譜既取決與測量瞬間的天氣條件（云、霧、空氣、濕度等）。因為在每一天中對應(yīng)的時間不同，太陽光線與地球表面的夾角即日照投射的傾角θ不同，因此地球表面的日照光譜取決于日照投射的傾角θ。當(dāng)θ不同的時候，太陽光在大氣中所經(jīng)過的距離不同，即大氣質(zhì)量AM不一樣，則太陽光譜曲線就不一樣。因此，需要給定太陽電池在某一光譜下的效率時，應(yīng)該在相應(yīng)的大氣質(zhì)量下給定。

太陽電池的效率還和溫度有關(guān)。太陽電池具有負(fù)的溫度系數(shù)，即太陽電池的效率隨著溫度的上升而下降。圖7給出了日照強(qiáng)度為1kw/㎡，而溫度變化范圍為20～70℃時效率變化的情形?？捎孟旅娴墓浇票硎荆?eta;=ηO·[1-α（T-TO）]　　上式中，ηO=0.1，TO =0℃；α=0.0049/℃?？梢钥闯?，溫度每升高10℃，其效率大約降低5%。由上述我們可以看出，太陽電池的效率和很多因素有關(guān)。當(dāng)我們定義太陽電池的效率的時候，必須確定它的工作環(huán)境才能夠得出明確的效率值。

3 光電板

3.1 基本結(jié)構(gòu)

上層一般為4mm白色玻璃，中層為光伏電池組成光伏電池陣列，下層為4mm的玻璃，其顏色可任意，上下兩層和中層之間一般用鑄膜樹脂（EVA）熱固而成，光電電池陣列被夾在高度透明，經(jīng)加固處理的玻璃中，在背面是接線盒和導(dǎo)線。模板尺寸：500mm×500mm至2100mm×3500mm。從接線盒中穿出導(dǎo)線一般有兩種構(gòu)造：照片所顯示的構(gòu)造，是從接線盒穿出的導(dǎo)線在施工現(xiàn)場直接與電源插頭相連，這種結(jié)構(gòu)比較適合于表面不通透的建筑物，因為僅外片玻璃是透明的；照片所顯示的構(gòu)造是導(dǎo)線從裝置的邊緣穿出，那樣導(dǎo)線就隱藏在框架之間，這種結(jié)構(gòu)比較適合于透明的外立面，從室內(nèi)可以看見此裝置。

3.2 光電幕墻的基本結(jié)構(gòu)　　光電模板安裝在建筑幕墻（屋頂）的結(jié)構(gòu)上則組成光電幕墻，一般情況下，建筑幕墻的立柱和橫梁都是采用斷熱鋁型材，除了要滿足JGJ102規(guī)范和JG3035標(biāo)準(zhǔn)要求之外，剛度一般高一些為好，同時，光電模板要能夠便于更換。

4 光電幕墻(屋頂)光電面積設(shè)計計算

4.1 光電幕墻(屋頂)一般電學(xué)結(jié)構(gòu)

光學(xué)幕墻(屋頂)結(jié)構(gòu)設(shè)計可按照玻璃工程技術(shù)規(guī)范(JGJ102)、建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ113)等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行,這里簡介其電學(xué)設(shè)計。光電幕墻(屋頂)電學(xué)結(jié)構(gòu)一般采用單路自然能——單蓄電池結(jié)構(gòu)

光電幕墻（屋頂）所產(chǎn)生的電能，經(jīng)過輸入電能變換器，轉(zhuǎn)換成能蓄電池組要求的充電電壓和充電電流，向蓄電池充電，蓄電池容量按用戶要求的無太陽天氣連續(xù)供電天數(shù)進(jìn)行設(shè)計；輸出電能變換器，將蓄電池組中的直流電能轉(zhuǎn)換成負(fù)載要求的電壓和電流及電能形式，向負(fù)載供電。有些國家由于光電幕墻（屋頂）發(fā)出電量，經(jīng)過逆變器后可并入電網(wǎng)，可以不設(shè)蓄電池組，中國目前還做不到這一點，所以建議采用電池組。在陰雨天氣或太陽光少的情況下，也能保證一段時間的連續(xù)供電，由于輸入電能變換器和輸出電能變換器互相獨(dú)立，其設(shè)計更為容易，光能的波動對供電質(zhì)量幾乎沒有影響。　　

4.2 光電幕墻(屋頂)產(chǎn)生電能的計算公式:

PS=H×A×η×K ————————————（1）
PS——光電幕墻（屋頂）每年生產(chǎn)的電能（MJ/a）；
H——光電幕墻（屋頂）所在地區(qū)，每1㎡太陽能一年的總輻射能（MJ㎡/?a），可參照圖3查?。?br /> A——光電幕墻（屋頂）光電面積（㎡）；
η——光電電池效率，建議如下：
單晶硅：η=12%
多晶硅：η=10%
非晶硅：η=8%
K——參正系數(shù)；
K=K1·K2·K3·K4·K5·K6
各分項系數(shù)建議值如下：
K1——光電電池長期運(yùn)行性能參正系數(shù)，K1=0.8；
K2——灰塵引起光電板透明度的性能參正系數(shù)，K2=0.9；
K3——光電電池升溫導(dǎo)致功率下降參正系數(shù)，K3=0.9；
K4——導(dǎo)電損耗參正系數(shù)，K4=0.95；
K5——逆變器效率，K5=0.85；
K6——光電模板朝向修正系數(shù)，其數(shù)值可參考表4選取。

光電板朝向與傾角的修正系數(shù)K6 表4幕墻方向光電陣列與地平面的傾角0°30°60°90°東93％90％78％55％南-東93％96％88％66％南93％100％91％68％南-西93％96％88％66％西93％90％78％55％

4.3 光電幕墻（屋頂）光電面積計算舉例：[已知]：

（一）室內(nèi)用電負(fù)載：

1） 設(shè)備一臺，日均耗電640 W·h

2） 8W日光燈6盞，平均每天照明3小時

3） 標(biāo)稱功率60W彩電，平均每天收看2小時

（二）幕墻所在地：北京

（三）選用旭格集團(tuán)或上海東連公司提供的單晶硅光電板

（四）光電陣列與地平面傾角為90°，幕墻方向南[求]：光電幕墻的光電面積[解]：（一）負(fù)載用量計算根據(jù)室內(nèi)負(fù)載用電要求，日均耗電量Pd為：Pa=640W·h +8×6×3 W·h +60×2 W·h=904 W·h以全年工作280天計算全年的耗電總量Pd為：Pa = 904×280×3600WS/a=911×106 WS/a=911×106 J/a（二）光電幕墻全年的產(chǎn)生電能與室內(nèi)負(fù)載全年消耗的電能相等，則根據(jù)式（1）得：PS= Pa =H×A×η×K查圖二十三：北京地區(qū)全年每平方米太陽能總輻射能約為：

H=50MJ/m2a= 5000×106J/m2·a單晶硅光電板的效率η=12%依照4.2節(jié)的建議參考數(shù)據(jù)：K=K1·K2·K3·K4·K5·K6=0.8×0.9×0.9×0.95×0.85×0.68=0.35則：

選用旭格集團(tuán)或上海東連公司的光電板，規(guī)格：1003mm×760mm共計8塊則實際光電板的面積為：1.03m×0.76m×8≈6.3m2滿足設(shè)計要求

5 光電幕墻（屋頂）安裝與維護(hù)

5.1 安裝地點要選擇光照比較好，周圍無高大的物體遮擋太陽光照地方，當(dāng)安裝面積較大的光電板時，安裝地方要適當(dāng)寬闊一些，避免碰損光電板。　　

5.2 通常光電板總是朝向赤道，在北半球其表面朝南，在南半球其表面朝北。

5.3 為了更好利用太陽能，并使光電板全年接受太陽輻射量比較均勻，一般將其傾斜放置，光電電池陣列表面與地平面的夾角稱為陣列傾角。

5.4 當(dāng)陣列傾角不同時，各個月份光電板表面接受到太陽輻射量差別很大。有的資料認(rèn)為：陣列傾角可以等于當(dāng)?shù)氐木暥?，但這樣又往往會使夏季光電陣列發(fā)電過多而造成浪費(fèi)，而冬天則由于光照不足而造成虧損。也有些資料認(rèn)為：所取陣列傾角應(yīng)使全年輻射量最弱的月份能得到最大的太陽輻射量，但這樣又往往會使夏季削弱過多而導(dǎo)致全年得到的總輻射量偏小。在選擇陣列傾角，應(yīng)綜合考慮太陽輻射的連續(xù)性，均勻性和冬季極大性等因素。大體來說，在我國南方地區(qū)，陣列傾角可比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?0°～15°；在北方地區(qū)，陣列傾角可比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?°～10°。

5.5 光電幕墻（屋頂）的導(dǎo)線布線要合理，防止因布線不合理而漏水，受潮，漏電，進(jìn)而腐蝕光電電池，縮短其壽命；為了防止夏天溫度較高影響光電電池的效率，提高光電板壽命，還應(yīng)注意光電板的散熱。

5.6 光電幕墻（屋頂）安裝還應(yīng)注意以下幾點：

安裝時最好用指南針確定方位，光電板前不能有高大建筑物或樹木等遮蔽陽光。

仔細(xì)檢查地腳螺釘是否結(jié)實可靠，所有螺釘、接線柱等均應(yīng)擰緊，不能有松動。

光電幕墻和光電屋頂都應(yīng)有有效的防雷、防火裝置和措施。必要時還要設(shè)置驅(qū)鳥裝置。

安裝時不要同時接觸光電板的正負(fù)兩極，以免短路燒壞或電擊，必要時可用不透明材料覆蓋后接線、安裝。

安裝光電板時，要輕拿輕放，嚴(yán)禁碰撞、敲擊，以免損壞。注意組件、二極管、蓄電池、控制器等電器極性不要接反。

5.7 光電幕墻（屋頂）每年至少進(jìn)行兩次常規(guī)性檢查，時間最好在春天和秋天。在檢查的時候，首先檢查各組件的透明外殼及框架，有無松動和損壞?？捎密洸?、海綿和淡水對表面進(jìn)行清洗除塵，最好在早晚清洗，避免在白天較熱的時候用冷水沖洗。

除了定期維護(hù)之外，還要經(jīng)常檢查和清洗，遇到狂風(fēng)、暴雨、冰雹、大雪等天氣應(yīng)及時采取防護(hù)措施，并在事后進(jìn)行檢查，只有檢查合格后再正常使用。

光電幕墻（屋頂）在中國的大規(guī)模推廣應(yīng)用，除了有關(guān)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)及公司企業(yè)進(jìn)一步努力之外，很重要的一個方面，還需要政府有關(guān)機(jī)構(gòu)和部門對其重要性和迫切性進(jìn)一步提高認(rèn)識，進(jìn)一步擴(kuò)展其戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展計劃，進(jìn)一步制訂有效的扶持政策和措施，進(jìn)一步加強(qiáng)指導(dǎo)和引導(dǎo)，使光電幕墻、光電屋頂在不太長的時間內(nèi)，大規(guī)模合理應(yīng)用，大規(guī)模健康發(fā)展。

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