建材一體型太陽電池在日本樓房中的應(yīng)用

王西聯(lián) 母文杰 張紅梅

在日本能源產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)變化，已從集中型大規(guī)模發(fā)電轉(zhuǎn)變成分散型發(fā)電?分散型能源的形式。尤其在建設(shè)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，已逐漸從豪華包裝開始向重視節(jié)約能源 +創(chuàng)造能源的結(jié)構(gòu)建筑、建設(shè)重視 3R(Reuse，Reduce，Recycle)的樓房這樣一種方向發(fā)展。以樓房為代表的建筑物中，具有建材功能且有良好外形的、有示范性的太陽電池，即樓房用建材一體型太陽電池(BIPV)，在日本得到了迅速的發(fā)展。本文作者介紹了日本近年來BIPV應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 太陽光發(fā)電系統(tǒng)的特點

樓房用建材一體型太陽電池以公共及產(chǎn)業(yè)用建筑物為主體，如官方公共大廳設(shè)施、學(xué)校、體育館、醫(yī)院、福利設(shè)施、辦公大樓、工廠、商業(yè)設(shè)施、車站、飛機場、公共汽車車站等。

1.1 安裝位置

按位置分屋頂部分除了屋頂材料一體型外，還有 top light(天窗)型;墻壁部分可以有:掛窗簾的墻壁、正面墻、房檐墻壁、百葉窗墻壁、雙面墻壁的外側(cè)面等不同的方式。也可以利用采光性窗戶的一部分，此時不影響視野，模板從背面看上去美觀等都是很重要的。

1.2 創(chuàng)意性可以產(chǎn)生新的價值

樓房建材一體型開始普及是從德國為首的幾個歐洲國家開始的，在那里，樓房的間隙漏進(jìn)的光被當(dāng)作一種建筑形式使用，多數(shù)采用以采光型為主體、造型性高的模板。電池表面的顏色從藍(lán)色的多晶硅到在四角安裝圓形黑色單晶硅等不同的種類，另外將大小和顏色相結(jié)合，可以最大限度地按建筑家的造型要求進(jìn)行安裝。在建筑參觀者將其當(dāng)成新建材來看待的同時，又可以對環(huán)境做出貢獻(xiàn)，因此可以提高所有者及在此建筑中的企業(yè)的形象。

1.3 采光型特點

從電池片間的間隙進(jìn)來的太陽光引入到建筑內(nèi)部的采光型模板具有以下的特點:

1)在兩塊強化玻璃之間的結(jié)晶系電池片用 EVA模夾住連接，在電池片的間隙間及模板的周邊可以得到適度的采光。

2)表面通常使用被強化了的高透光率的玻璃，即使有 5nm～6nm的厚度，也可以將少量的太陽光吸收進(jìn)來。另外可以和背面的玻璃一起承受強度。為了能讓背面也能清楚地看到外面的景色，且能夠經(jīng)久耐用，一般都采用玻璃。

3)采光部分的電池片由于吸收了一部分的太陽能，因此作為有吸收熱輻射線的玻璃使用，可以達(dá)到使內(nèi)部空調(diào)節(jié)能的作用。

4)為了提高隔熱性能，通過與雙層玻璃的組合，使用三塊玻璃(聯(lián)合復(fù)層化)通過密封的空氣層作為隔熱層，可以達(dá)到節(jié)能的效果，還可以達(dá)到防止結(jié)露的目的。當(dāng)雙層玻璃用在防火區(qū)域中，或者防止頂部窗玻璃脫落時，可以組合成加入網(wǎng)的雙層玻璃。

5)窗戶上使用房檐等時，有可能同時使用內(nèi)部適度的遮擋效果和采光效果。可以在夏天時采用隔熱而冬天減少在夜間由于光線減少引起的下降，從兩方面達(dá)到節(jié)能。

6)使用天窗及火車站的陽臺屋頂?shù)葧r，可以不要白天的照明，只按照晚上照明費用的多少來計算。

2 進(jìn)一步提高采光型模板價值的方法

2.1 沒有窗框的模板

具有開放感?高檔感的玻璃加工法多數(shù)采用通過開孔點支撐的結(jié)構(gòu)、無孔的點支撐結(jié)構(gòu)和構(gòu)造用硅結(jié)構(gòu)的無窗框構(gòu)造。日本大約從 1998年開始普及加工法，如果仔細(xì)研究的話，作為太陽電池是合適的加工法，這是因為可以發(fā)揮:沒有使用框架時所產(chǎn)生的陰影，因此對發(fā)電性能不產(chǎn)生影響;不會因框架而產(chǎn)生雨水及灰塵的滯留等特點。

2.2 大型模板

作為建材為了適應(yīng)設(shè)計者的要求，今后慢慢會有必要提供超過 2m×1m的大型模板。一般為了提高開放感，在樓房開口部分的玻璃為 4m×3m左右的大小，與此相當(dāng)?shù)拇笮【涂梢宰鳛樽畲蟪叽绲哪繕?biāo)。

2.3 高耐久性措施

以無窗框為目的的模板通常與強化玻璃進(jìn)行組合是其基本的方法。周邊部分通常也用作采光空間。在使背面玻璃透濕的可能性為零的同時，從玻璃框到電池片的電氣產(chǎn)品，都用 EVA進(jìn)行填充，且保持相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，因此認(rèn)為可以忽略漏電引起麻煩的可能性。另外，無窗框結(jié)構(gòu)時的EVA膜不管雨天有多少白霧，晴天時都會變得清潔;在實際的霧天不起白霧，也不會引起電氣上的漏電現(xiàn)象;不會引起最近的EVA變黃等麻煩。因此，可以認(rèn)為 EVA有可能成為可以期待的唯一安定的中間膜。

2.4 與屋頂綠化共存

屋頂綠化具有如下的效果:1)從植物以及土壤層擴散出來的水分，可以吸收蒸發(fā)潛熱，因此可以防止熱島(heat island)效應(yīng);2)由植物生長及土壤層起到的隔熱效果可以使內(nèi)部的空調(diào)達(dá)到節(jié)能的效果;3)由于植物生長產(chǎn)生的庭園性能及輔助治療的效果。而且，太陽光發(fā)電的CO2減少量根據(jù)火力發(fā)電所CO2的產(chǎn)生量(180 g-C/kW?h)計算出。結(jié)果太陽光發(fā)電比森林有約 200倍的減少效果，有絕對的優(yōu)勢。

2.5 適用于學(xué)校教室的窗檐

在學(xué)校采用 BIPV，作為在造型上面下功夫的例子考慮了如下的方法:

1)南面的窗戶上方設(shè)置水平的 BIPV，可以確保其上部的采光。用此方法可以在冬天反射較低入射角的太陽光，使教室深處的天井明亮，可以不需要電照明。在防止夏天的太陽光(熱)入射的同時，還可以在冬天最大限度地確保太陽光(熱)的入射。通過在無框架等支撐結(jié)構(gòu)上面下功夫，實現(xiàn)造型性豐富的窗檐以及校舍。

2)為了遮擋西下的太陽，可以通過將窗戶的外側(cè)設(shè)置成朝西方向的縱向型窗戶(louver)，用采光型模板、無窗框結(jié)構(gòu)，可以同時確保采光和夏天西部光線的遮擋。

3)在窗戶和窗戶間的墻壁部分(腰部)及朝西的壁面的外側(cè)空隙間通過垂直設(shè)置，可能提高造型性能，且可以通過安裝隔熱性能的壁材，實現(xiàn)隔熱的功能。這一技術(shù)有可能在今后增加的古香古色的樓房壁面的更新中得到應(yīng)用。

4)從屋頂上面空出一定距離進(jìn)行設(shè)置，通過這樣稀疏的放置，可以提高隔熱效果，且模板下部可以用作綠化部分或其他功能。

2.6 與公園、綠地、生物園等的共存

除上述應(yīng)用以外，在公園、綠地、生物園等地方，與系統(tǒng)供電相比，建議作為獨立電源，設(shè)置采光型太陽光發(fā)電作為涼亭、走廊、板凳等上面的藤架造型。作為發(fā)電電力的用途，可以考慮夜間的照明及噴水、灑水、流水等各種各樣的用途，這些有可能直接作為直流電源加以利用。

3 太陽電池在設(shè)計、技術(shù)、施工方面的特點

3.1 設(shè)計階段應(yīng)該注意的事項

在基本設(shè)計中，作為建筑家的概念有“與環(huán)境友好建筑”及“新型建材”等，為了具體地體現(xiàn)這些概念，與魅力性、隔熱性、節(jié)能性等相對應(yīng)的模板安裝位置和支撐方法、電池片的創(chuàng)意性及其排列、采光的方法等都值得研究。在詳細(xì)的設(shè)計階段，為了得到最適當(dāng)?shù)碾妷褐?，先進(jìn)行直線型設(shè)計，然后邊研究選定動力調(diào)節(jié)器、配線在哪里通過、如何讓其在外觀上看不到、建筑物上的貫通部分在哪里、如何通過、集電箱及動力調(diào)節(jié)器在哪里放置、如果與系統(tǒng)聯(lián)系的話電氣室的配置如何進(jìn)行、如何接地等有關(guān)整體費用的設(shè)計思想，要結(jié)合主人所追求的價值進(jìn)行詳細(xì)的研究。

3.2 最佳設(shè)計和導(dǎo)入之前應(yīng)注意事項

全體費用的最優(yōu)化以及使施工順利進(jìn)行的最佳設(shè)計，通常要與系統(tǒng)的整體一起估計。因此建筑設(shè)計者、設(shè)備設(shè)計者、模板廠家、電器廠家、施工者等要提前進(jìn)行密切的聯(lián)系，積極地引導(dǎo)結(jié)晶型電池大型化的動向以降低費用。

3.3 施工時應(yīng)注意事項

建材一體型的施工中，完成質(zhì)量、精度等是非常重要的關(guān)鍵點，為了使設(shè)計思想充分活躍，使施工不存在不合理現(xiàn)象，從進(jìn)行模板的設(shè)計、制造場所到施工都要有責(zé)任地進(jìn)行，采用材料工程一貫的責(zé)任制。

4 今后的展望

太陽光發(fā)電費用依然居高不下是唯一存在的問題。即使是建材一體型，也常常有必要把其當(dāng)成高級建材來認(rèn)可，所以不可避免地比標(biāo)準(zhǔn)模板具有更高的價格。今后隨著導(dǎo)入量的增大、電池片的大型化、薄膜系片的導(dǎo)入等，成本會逐漸地下降是無可非議的，但同時為了彌補成本高的缺點、進(jìn)一步提高使用價值、促進(jìn)其普及，有必要研究各種各樣的方法和策略。

[1] 濱川圭弘.太陽能光伏電池及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2008:194.