聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電技術(shù)在綠色建筑瓷片中的設(shè)計(jì)研究

謝旭　陳金亮

摘 要：目前光伏發(fā)電雖然擁有廣泛，但其發(fā)電效率低、占地面積廣的缺點(diǎn)使其在城市里沒有立足之地。本文立足于綠色建筑理念，將聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)嵌入到建筑瓷片，開發(fā)了聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片，并驗(yàn)證了其可行性。并將其模擬使用。

關(guān)鍵詞：聚光光伏；溫差發(fā)電；發(fā)電瓷片

前言

環(huán)境問題和能源問題是日趨嚴(yán)重的全球性問題。近幾年國內(nèi)出現(xiàn)的重度霧霾以及相關(guān)環(huán)境惡化的新聞層出不窮，這是一個(gè)環(huán)境惡化、能源過耗的信號。對于我國，經(jīng)濟(jì)正處于最蓬勃的發(fā)展和復(fù)蘇時(shí)期，為了維持城市運(yùn)行每天需要消耗大量的化石能源，產(chǎn)生大量三廢氣體污染環(huán)境。同時(shí)由于城市的大型化，“種種城市病”也將日益凸顯，尤其城市熱島效應(yīng)，使得越來越多的城市變?yōu)椤盎馉t”城市，降低如果不減少化石能源使用或者用新能源替代，已探明化石能源將會在一百年以內(nèi)消耗。產(chǎn)生能源危機(jī)。太陽能是公認(rèn)理想的下一代清潔可再生能源，但其發(fā)電效率低、占地面積廣極大地減緩了其在城市中的應(yīng)用。如何將建筑物的大量的光伏能源利用起來，同時(shí)不降低建筑物美觀。迎合綠色建筑、智慧建筑的潮流。依據(jù)這種思想，本文實(shí)際設(shè)計(jì)了聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片。

1研究目的及意義

太陽能作為一種清潔能源，取之不盡用之不竭。經(jīng)過合理的應(yīng)用，是節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的重要手段。本選題從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，挖掘太陽能的多種應(yīng)用方式。嘗試在現(xiàn)有太陽能光伏產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其發(fā)電效率并減少自身廢熱。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對可持續(xù)資源的利用和對城市熱島的緩解。

其次，將光伏理論與溫差理論相結(jié)合，通過工業(yè)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。提高光電轉(zhuǎn)化效能和熱電轉(zhuǎn)化效能的收益。依照產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作可操作的模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，證明其性能的有效性，改善太陽能發(fā)電效能低且廢熱無法利用的基本情況，對太陽能光伏產(chǎn)品進(jìn)行了完善和提高。

再次，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證聚光光伏溫差復(fù)合瓷片的合理有效。本文嘗試實(shí)現(xiàn)“聚光光伏溫差”三者復(fù)合一體式的設(shè)計(jì)研究，將其設(shè)計(jì)成一塊完整的瓷片。在研究過程中遵循的建筑設(shè)計(jì)的訴求，將光伏產(chǎn)品融入設(shè)計(jì)階段。這樣一方面改變了大量屋頂?shù)瓤臻g的浪費(fèi)，另一方面也促進(jìn)了光伏產(chǎn)品介入建筑設(shè)計(jì)，預(yù)防斷電、儲能用電意識形態(tài)的建立。

2聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片的組成

聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片由以下部分構(gòu)成，瓷片主體、菲涅爾透鏡、光伏發(fā)電單元、溫差發(fā)電單元、收集電路、瓷片電路接口等組成。

2.1瓷片主體

瓷片主體是發(fā)電瓷片重要組成部分，其主要是承載著建筑功能，區(qū)別普通瓷片本瓷片在表層附著一層高分子材料做成的菲涅爾鏡片，在發(fā)電瓷片底層布有凹坑，其為安裝聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)位置。在其底層留有電能收集線路槽位置。

2.2菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡為聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的聚光部分，其材質(zhì)為有機(jī)高分子材料組成，在其內(nèi)部經(jīng)過加工工藝，使其具有透鏡功能，且使其透鏡的焦距保證落在光伏發(fā)電片上，可按照發(fā)電瓷片的厚度調(diào)整透鏡設(shè)計(jì)焦距，通常焦距為15mm。并按照150*150mm厚度為2mm，整體按線性在瓷片上排布。

2.3光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電單元是發(fā)電系統(tǒng)的主要部分，其承擔(dān)將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，本作品中，為了提高發(fā)電效率，縮小太陽能板，本作品中選用砷化鎵太陽能電池板。其大小為表面大小20mm*20mm，厚度為4mm。砷化鎵太陽能電池板相對于普通太陽能硅電池板發(fā)電效率高，承受溫度高等特點(diǎn)。其禁帶較寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽光譜匹配能力較好。硅電池的理論效率大概為23%，而單結(jié)的砷化鎵電池理論效率達(dá)到27%，而多結(jié)的砷化鎵電池理論效率更超過50%。其甚至在250°溫度下工作，現(xiàn)對于普通單晶硅太陽能板，具有，體積小，發(fā)電效率高，工作溫度高的特點(diǎn)，為溫差復(fù)合發(fā)電提供發(fā)電基礎(chǔ)。

2.4溫差發(fā)電單元

溫差發(fā)電單元是發(fā)電瓷片的核心部分，其功能是用導(dǎo)熱膠隔層封裝在光伏發(fā)電片厚，主要作用是給光伏發(fā)電片降溫，提高光伏發(fā)電效率，其二通過較大的溫差，進(jìn)行太陽能輻射熱的電能轉(zhuǎn)化。因在瓷片上運(yùn)用，故其熱冷端距離不能太大，因此本產(chǎn)品中選取封裝形式，其型號為采用SP1848-27145外觀尺寸為40mm*40mm厚度為3.4mm。

2.5收集電路

收集電路本瓷片的電能的收集系統(tǒng)，其由兩部分組成。一是并聯(lián)導(dǎo)線系統(tǒng)，是將瓷片上發(fā)電單元并聯(lián)其來。二是并聯(lián)穩(wěn)壓模塊，將收集起來的單個(gè)瓷片涓電流通過穩(wěn)壓厚為外界供電，便有有效的與整個(gè)建筑的發(fā)電系統(tǒng)連接。

2.6瓷片電路接口

瓷片電路接口是瓷片發(fā)電系統(tǒng)與外界聯(lián)系端口，為了便于建筑施工，采用封裝直插接口，便于瓷片施工后與建筑整體發(fā)電系統(tǒng)連接。

3聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電原理及瓷片設(shè)計(jì)

聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)是由聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電封裝瓷片、電能收集系統(tǒng)、電能存儲系統(tǒng)、電壓升壓系統(tǒng)及逆變器系統(tǒng)組成。其構(gòu)建如圖1所示。

其中聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電封裝瓷片為整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。主要?jiǎng)?chuàng)新是將聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)嵌入到瓷磚中，是其成為發(fā)電單元。同時(shí)保留瓷片的建筑功能。電能收集電源是將分散的由電壓升壓系統(tǒng)封裝瓷片微電能進(jìn)行收集。電能存儲系統(tǒng)是將分散的由聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電封裝瓷片微電能進(jìn)存儲。直流穩(wěn)壓模塊為將蓄電池中的電壓保持在一定范圍。電壓升壓系統(tǒng)將電壓升壓系統(tǒng)電壓升高到較高電壓，方便下步的使用。逆變器系統(tǒng)是將直流轉(zhuǎn)變成交流電能，進(jìn)一步儲電以作他用。

瓷片主體是發(fā)電瓷片重要組成部分，其主要是承載著建筑功能，區(qū)別普通瓷片本瓷片在表層附著一層高分子材料做成的菲涅爾鏡片，在發(fā)電瓷片底層布有凹坑，其為安裝聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)位置。在其底層留有電能收集線路槽位置。

聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng) 由菲涅爾透鏡、光伏發(fā)電單元、溫差發(fā)電單元組成，其原理如圖2所示。

其中菲涅爾透鏡材質(zhì)為有機(jī)高分子材料組成，且使其透鏡的焦距保證落在光伏發(fā)電片上，可按照發(fā)電瓷片的厚度調(diào)整透鏡設(shè)計(jì)焦距，通常焦距為15mm。并按照150*150mm厚度為2mm，整體按線性在瓷片上排布。光伏發(fā)電單元選用砷化鎵太陽能電池板。具有發(fā)電效率高，承受溫度高等特點(diǎn)。其禁帶較寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽光譜匹配能力較好。溫差發(fā)電單元是功能是用導(dǎo)熱膠隔層封裝在光伏發(fā)電片后面，給光伏發(fā)電片降溫，提高光伏發(fā)電效率，同時(shí)將太陽能輻射熱的電能轉(zhuǎn)化。故其熱冷端距離不能太大，選取封裝形式。

瓷片收集電路其由兩部分組成。一是并聯(lián)導(dǎo)線系統(tǒng)，是將瓷片上發(fā)電單元并聯(lián)其來；二是并聯(lián)穩(wěn)壓模塊，將收集起來的單個(gè)瓷片涓電流通過穩(wěn)壓厚為外界供電，便有有效的與整個(gè)建筑的發(fā)電系統(tǒng)連接。同時(shí)瓷片具有封裝直插接口，便于后期建筑施工。聚光光伏溫差復(fù)合瓷片模型如圖3所示。

4產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)踐及其特點(diǎn)

在一般的建筑中，建筑上方區(qū)域需根據(jù)需求一般會增加設(shè)備夾層，由于面積有限，需在整體頂層空間加以控制，出于對屋頂綠化區(qū)域難以進(jìn)行維護(hù)、結(jié)構(gòu)荷載強(qiáng)度過大等因素的考慮，在設(shè)計(jì)中，可以將屋頂形式變換為環(huán)形屋架，將頂層建筑面積減少一層，可以局部增加設(shè)備夾層，考慮建筑面積、建筑空間的可變性與可持續(xù)發(fā)展理念等多方面需求，屋架所包含區(qū)域可作為日后建筑設(shè)備與屋面系統(tǒng)更新預(yù)留用地，在此將太陽能光伏產(chǎn)品介入設(shè)計(jì)，并以本文所設(shè)計(jì)的聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片進(jìn)行后期建設(shè)時(shí)的場地內(nèi)部能源擴(kuò)充使用，其使用范圍可根據(jù)需求進(jìn)行控制，在屋架區(qū)內(nèi)以支架形式進(jìn)行串聯(lián)，形成局部甚至大面積覆蓋，如圖4所示。

4.1建筑內(nèi)電能供給

在改造策略中，為一般大型公建屋面屋面增設(shè)聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片，其高效聚光發(fā)電性能可配合城市電網(wǎng)為大型公共建筑各內(nèi)部設(shè)備供電，如中央空調(diào)系統(tǒng)，新風(fēng)系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，熱水系統(tǒng)等需電力支持設(shè)施。

同時(shí)，在一般建筑內(nèi)都有多處不間斷通電設(shè)備，如特殊指示燈，重要展品溫控設(shè)備等，可利用日間光伏采集儲存電量或夜間溫差進(jìn)行持續(xù)供電，當(dāng)城市電路出現(xiàn)故障導(dǎo)致的大面積停電檢修時(shí)，本產(chǎn)品的應(yīng)用可提供應(yīng)急供電方案，前章敘述該發(fā)電瓷片擁有比常規(guī)光伏板更大的發(fā)電蓄電量，故在大型建筑中可在短時(shí)間為更多的用電設(shè)備提供電力支持。

4.2調(diào)節(jié)局部小氣候

建筑屋頂為太陽直接輻射區(qū)域，加之屋頂設(shè)有太陽能熱水或常規(guī)光伏板系統(tǒng)，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室內(nèi)溫度，也將會影響頂層室內(nèi)的室溫，會帶來溫度過高導(dǎo)致的不適。聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片在接收太陽能發(fā)電基礎(chǔ)上，其利用溫差轉(zhuǎn)換電能的發(fā)電模式，在一定程度上將屋頂與太陽直射隔絕開來，同時(shí)其溫度調(diào)節(jié)性能也避免了光伏產(chǎn)品自身運(yùn)行導(dǎo)致的二次發(fā)熱，對頂層建筑內(nèi)部的空間舒適度以及屋頂局部景觀區(qū)域均有溫度氣候調(diào)節(jié)功能。

4.3便于拆卸，靈活輕巧

聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片，造型簡易 ，拆卸方便，對建筑的后期增設(shè)與維護(hù)提供了很大便利，對于其可用模數(shù)化組合的形式，結(jié)合建筑尺度進(jìn)行覆蓋面積調(diào)控，對于建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)外立面均可進(jìn)行安裝，成為公共建筑后期提升自身節(jié)能措施的一項(xiàng)便捷方式。

4.4外觀美化提升

由于產(chǎn)品核心理念位于菲涅爾鏡部分的能量轉(zhuǎn)換區(qū)，其通透程度完全不影響瓷磚的裝飾性能，同時(shí)也增加了瓷片的光澤與輕盈程度，根據(jù)業(yè)主或企業(yè)需求，瓷片的形狀與色彩紋理均可進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)更新，以適應(yīng)更多不同類型的建筑，在解決建筑技術(shù)問題的同時(shí)，對建筑的外觀設(shè)計(jì)也有相當(dāng)大的提升空間。

5結(jié)語

本文基于光伏發(fā)電、溫差發(fā)電原理，提出了復(fù)合發(fā)電的思路，針對提高光伏發(fā)電效率，減少城市廢熱的問題，設(shè)計(jì)了“聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電瓷片”產(chǎn)品。產(chǎn)品將聚光光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)嵌入到建筑瓷片中。既有效的提高了發(fā)電效率，解決散熱問題、廢城市熱問題。進(jìn)一步提高發(fā)電量。同時(shí)得到既不影響建筑美觀，又能完成產(chǎn)品功能的綠色建筑材料。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，未來可將本文光伏產(chǎn)品推廣使用到更多大型公建屋面、城市廣場甚至是工農(nóng)業(yè)用房的屋面等。產(chǎn)生較好的社會效應(yīng)。

本文系西安建筑科技大學(xué)青年科技基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號為QN1643。