太陽能光伏玻璃在建筑上的應(yīng)用

蔣杰

摘 要 隨著太陽能光伏玻璃設(shè)備的快速發(fā)展和太陽能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，太陽能資源消耗與需求之間的矛盾日益突出。實(shí)用新型包括了光伏真空玻璃，光伏真空玻璃具有由光伏最大真空度玻璃裝置和光伏中空玻璃裝置所構(gòu)成的綜合功效，該光伏最大真空度玻璃裝置可以通過能源生產(chǎn)減少對(duì)建筑物自身的能量消耗。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果表明，真空光伏組件的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度最接近光伏玻璃化轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)溫度。在足夠的光照條件下，光伏組件的玻璃溫度也只比標(biāo)準(zhǔn)室溫低百分之三。夜間無光時(shí)，真空光伏玻璃內(nèi)部溫度較高，隔熱效果更好，節(jié)能效果更明顯。

關(guān)鍵詞 太陽能光伏玻璃 建筑能源 光伏發(fā)電

中圖分類號(hào)：TQ171 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）01-0068-03

建筑能源很重要，發(fā)達(dá)國家總能耗的三分之一以上都是用于建筑，因此，建筑行業(yè)加快了對(duì)太陽能光伏玻璃的研發(fā)，尤其是在住宅建設(shè)中有著巨大的實(shí)用價(jià)值[1]。近年來，光伏玻璃技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，所謂建筑光伏玻璃集成技術(shù)（BIPV）是指太陽能光伏玻璃技術(shù)和建筑材料的完美融合，光伏系統(tǒng)是世界上使用最簡單的網(wǎng)絡(luò)元件安裝模型，本實(shí)用新型可有效降低網(wǎng)絡(luò)組件的壓力。解決傳統(tǒng)光伏玻璃模塊化問題的唯一選擇是將其與建筑結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)開源，但玻璃熱性能差，傳熱系數(shù)的主要指標(biāo)之一是U值高。高真空窗口的相同傳熱系數(shù)被鎖定在內(nèi)部和外部熱量，這是一種保持能量的新型窗戶。U值超低真空能量窗、真空窗和中空床集成到復(fù)合窗中，隔熱效果很低。真空與光伏玻璃建筑相結(jié)合：一方面，光伏玻璃組件用于增加建筑物中的太陽能量，減少大部分能源的負(fù)擔(dān);另一方面，降低了真空窗的傳熱系數(shù)，降低了空調(diào)的能量和冷凍循環(huán)[2]。

1 太陽能光伏玻璃建筑的定義

1.1 太陽能光伏建筑玻璃，與傳統(tǒng)懸掛型太陽能板不同

將太陽能電池等產(chǎn)品整合在建筑物中，以完成太陽能光伏玻璃設(shè)備和建筑物本身的融合。與太陽能光伏玻璃設(shè)備與建筑結(jié)合方法的不同，太陽能光伏玻璃設(shè)備與建筑的結(jié)合又可以分成兩種：一種是把太陽能發(fā)電設(shè)備簡單地和利用光學(xué)玻璃陣列的載體的建筑相結(jié)合;另一種是太陽能光伏玻璃設(shè)備和建筑物的集成。該方法使用太陽能光伏玻璃設(shè)備作為建筑材料的一種形式，使光伏玻璃陣列成為建筑本身的一部分。

1.2 從太陽能電池的開發(fā)開始太陽能玻璃光伏發(fā)電建筑也逐步建成

當(dāng)今世界各國都不斷嘗試著把光伏和以及太陽能玻璃設(shè)備和建筑材料相結(jié)合，并獲得了不少成功。我國目前也在跟隨國外發(fā)達(dá)國家的腳步，主動(dòng)汲取相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，逐步發(fā)展出富有特色的太陽能與玻璃光伏建筑物。比如，上海市虹橋綜合交通樞紐就在建筑物外立面與樓頂架設(shè)了太陽能系統(tǒng)總發(fā)電量可達(dá)6.5兆瓦。它還可以節(jié)約能源和減少排放;北京大興已于2003年完成了建筑新能源生態(tài)利用示范項(xiàng)目;2004年深圳建成了亞洲最大的玻璃光伏發(fā)電廠，且其供電網(wǎng)絡(luò)相對(duì)成熟，光伏玻璃廠總發(fā)電能力可達(dá)1兆瓦，年發(fā)電量約100萬千瓦，使用光伏電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)也取得了突破，在北京南部的一個(gè)水電站，主能源房的中央照明區(qū)也采用了太陽能光伏玻璃發(fā)電系統(tǒng)來解決發(fā)電廠的問題。

1.3 光伏建設(shè)在住宅建設(shè)中的應(yīng)用價(jià)值

光伏建設(shè)的集成技術(shù)提供了潔凈能源，太陽能并不污染環(huán)境。首先，因?yàn)樘柟馐菨崈?、免費(fèi)和易于獲取的，在利用過程中沒有生態(tài)副作用。光伏建設(shè)就真正地打造綠色生態(tài)建筑;其次，它幾乎是取之不盡用之不竭的可再生能源。另外，由于太陽能玻璃所吸收的土地資源較小，所以通常設(shè)置在城市的屋頂或外立面。太陽能光伏玻璃建筑所提供的能量也可用于住宅建設(shè)，尤其是商業(yè)樓層和電梯等公共區(qū)域，這實(shí)際上降低了很多潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，也可以更好地應(yīng)對(duì)大停電。而且，由于太陽能光伏發(fā)電玻璃建筑基本上不需要電池（特別是電網(wǎng)的輔助調(diào)節(jié)），所以這樣不但節(jié)約了資金，并且也不會(huì)受到電池充電的影響，還能夠充分利用光伏玻璃廠所產(chǎn)生的能量，從而發(fā)揮對(duì)建筑物改造的效果。另外，該裝置還能夠把直接投射到建筑室外墻上無法利用的太陽光轉(zhuǎn)換為能量，不但能夠減少建筑室內(nèi)外溫差，還能夠降低外墻的發(fā)熱，從而達(dá)到建筑節(jié)能的效果。同時(shí)在太陽能光伏玻璃應(yīng)用的階段中，還能夠根據(jù)建筑工程項(xiàng)目的需求，調(diào)節(jié)太陽能光伏玻璃的應(yīng)用方式，大大的優(yōu)化了節(jié)能效果。

2 太陽能光伏玻璃設(shè)備要求

近年來，隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步和宏觀經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求日益增長，人們生活與生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域它與能耗關(guān)系密不可分，尤其是建筑能源大約占社會(huì)總能源的百分之五十以上[3]。要緩解人們在能源需求和環(huán)境之間的矛盾問題，迫切需要合理開發(fā)與使用可再生資源，走可持續(xù)發(fā)展路線，努力建成資源環(huán)境友好節(jié)約型社會(huì)。在諸多的新能源中，太陽光具有儲(chǔ)量豐富、無污染、取之不竭、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。隨著建筑科技與藝術(shù)的蓬勃發(fā)展，建筑光伏一體化也將成為未來建筑的發(fā)展趨勢，而太陽光玻璃器件在建筑物中的使用，也必須符合必要的材料性能承重、保溫、隔熱、防水、防潮等。用于透光建筑物中，如玻璃幕墻等必須滿足透明要求（例如，中國首家透明膜應(yīng)用單位試點(diǎn)項(xiàng)目——天威光伏膜玻璃建筑一體化項(xiàng)目）。此外，還必須考慮到安全性能、外觀、施工方便等因素，因此，光學(xué)玻璃設(shè)備應(yīng)滿足下述幾點(diǎn)要求。

2.1 電池要求

光伏復(fù)合玻璃系統(tǒng)對(duì)電池等公用事業(yè)幾乎沒有嚴(yán)格要求[4]。在確定光伏復(fù)合玻璃的容量時(shí)，不需要進(jìn)行精確計(jì)算，例如光伏獨(dú)立發(fā)電廠。而普通家庭使用1～5kW范圍內(nèi)的光伏玻璃系統(tǒng)就足夠了。

2.2 材料要求

各種平板玻璃光伏部件（BIPV）的組裝必須具有兩個(gè)特點(diǎn)，既要滿足發(fā)展要求，又要滿足建筑材料的性能要求。如保溫、防水、裝飾等要有足夠強(qiáng)度，在施工過程和運(yùn)輸過程中要避免人員傷亡，按照建筑工程的要求，建筑外墻和屋頂為滿足玻璃幕墻的性能要求，需要生產(chǎn)多種太陽能電池模塊。

2.3 電池要求

在獨(dú)立光伏玻璃系統(tǒng)中，光伏玻璃的安裝范圍應(yīng)盡量向赤道傾斜，光伏玻璃與水平面之間的傾斜是為了最大限度地平衡玻璃光伏玻璃的發(fā)電量，在光伏玻璃系統(tǒng)中光伏玻璃的排列要考慮到大部分出口，這樣才可以實(shí)現(xiàn)光伏合網(wǎng)玻璃。

2.4 逆變器的要求

太陽能電池盒陣列所發(fā)出的直流電壓一般較低，但當(dāng)電網(wǎng)電壓是220V交流電時(shí)，對(duì)電力品質(zhì)也有嚴(yán)格要求[5]。為確保光伏并網(wǎng)玻璃設(shè)備的安全性，避免傷亡事故，還需要安裝并網(wǎng)監(jiān)測安全保護(hù)器。

3 光伏建筑一體化

1.建筑太陽能光伏集成是指建筑太陽能光伏集成技術(shù)，其核心是將太陽能發(fā)電機(jī)組集成或組合成建筑技術(shù)，不僅能保護(hù)外部結(jié)構(gòu)，還可以產(chǎn)生電力供建筑物使用。太陽能光伏建筑一體化不僅僅是指安裝在建筑物表面或外墻上的太陽能電池組與光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑節(jié)能是指以節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀、經(jīng)濟(jì)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)建筑進(jìn)行初步規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收的過程。子模塊或子項(xiàng)目是一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)，它們包含在基本建設(shè)過程中，與整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目保持高度的一致性和同步性。

2.建筑光伏綜合型建筑材料、建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝類型是目前建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要形式。

（1）建筑光伏發(fā)電體系，是由太陽能器件和材料所構(gòu)成的建筑光伏發(fā)電體系的有機(jī)組成，復(fù)合材料不但具備了建筑物的基本特征和用途，同時(shí)還可將太陽光轉(zhuǎn)換為能源。因此，光伏面板、瓦楞型光伏面板和屋頂光伏面板都屬于光伏發(fā)電廠的主要建筑材料。

（2）建筑的光伏發(fā)電廠由一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)由模塊化光伏建筑組件組成，包括串聯(lián)、并聯(lián)或獨(dú)立光伏系統(tǒng)。由建筑構(gòu)件制成的光伏組件可用于由光伏組件制成的建筑框架、外墻板、幕墻、屋頂板、一般維護(hù)結(jié)構(gòu)、外墻外立面或屋頂?shù)氖┕?，它能吸收各種形式的陽光。目前，廣泛使用的彩色光伏組件不僅可以美化建筑物的外觀，還可以作為雨傘、陽傘和保護(hù)板。

（3）光伏電站是指在屋頂或墻上安裝光伏電池組件，包括平板或曲面板。住宅、商業(yè)、辦公樓、綜合樓和餐廳等建筑中都配備了系統(tǒng)控制、儲(chǔ)能、充電站等。如果光伏發(fā)電不能通過儲(chǔ)能裝置時(shí)，就可通過并網(wǎng)逆變器直接轉(zhuǎn)換為相頻商業(yè)電能，然后接入市政公用網(wǎng)形成電網(wǎng)。

3.建筑光伏玻璃還沒有在住宅建筑中得到應(yīng)用，也沒有在住宅小區(qū)中得到應(yīng)用，太陽能光伏玻璃在建筑一體化中還存在許多問題。

（1）費(fèi)用高。太陽能光伏建筑玻璃一體化施工成本高，此外在與光伏發(fā)電系統(tǒng)集成的建筑中，還存在許多尚未解決的技術(shù)問題，并且太陽能發(fā)電的成本是傳統(tǒng)發(fā)電的兩倍多。

（2）不穩(wěn)定。太陽能光伏發(fā)電玻璃不穩(wěn)定，受天氣影響大、波動(dòng)大，如何解決太陽能光伏發(fā)電玻璃的不穩(wěn)定問題也是一個(gè)緊迫的問題。

（3）維修問題。由于本實(shí)用新型安裝在住宅內(nèi)，與公共建筑和太陽能發(fā)電站不同，其分布分散，且不受人為因素的影響，很難避免一些人為的破壞。并且涉及到個(gè)人隱私，很難安排人員進(jìn)行定時(shí)檢修。

4 展望

目前，ISO/TC 160/SC 1/WG9工作組僅發(fā)布一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)——ISO/TS18178《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》，這一標(biāo)準(zhǔn)是首次把太陽能光伏技術(shù)與建筑玻璃技術(shù)融合進(jìn)國際化標(biāo)準(zhǔn)，并且是我國組織發(fā)展制定的。通常是將建筑太陽能光伏夾層玻璃產(chǎn)品作為基礎(chǔ)研發(fā)，重點(diǎn)了解太陽能光伏產(chǎn)品的電器、機(jī)械等方面的性能，同時(shí)綜合分析研究產(chǎn)生安全性方面，提取了相應(yīng)的玻璃和太陽能光伏的關(guān)系點(diǎn)，通過技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)合理開發(fā)和應(yīng)用。從標(biāo)準(zhǔn)深入研究可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過相應(yīng)的電子電氣方面的測試分析，如：NMOT、絕緣測試、濕漏電測試等，全部都選擇使用IEC61215-2：2016的測試方法。但是在進(jìn)行建筑安全性方面檢測的過程中，比如高溫測試、輻射測試等方面，都應(yīng)用ISO12543-4：2011的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。而落球沖擊測試對(duì)于安全性要求是比較高的，當(dāng)前測試并不能達(dá)到使用的標(biāo)準(zhǔn)要求，所以要制定相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。隨著節(jié)能環(huán)保理念的深化落實(shí)，各項(xiàng)政策有效應(yīng)用，光伏建筑一體化技術(shù)不斷地得到提高，市場需求也在增加，所以建筑里的太陽能光伏玻璃也隨著該領(lǐng)域發(fā)展而不斷的擴(kuò)大規(guī)模。通過ISO與IEC兩個(gè)方面標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析，建筑工程的太陽能光伏玻璃標(biāo)準(zhǔn)才開始實(shí)行，當(dāng)前的玻璃標(biāo)準(zhǔn)與太陽能光伏標(biāo)準(zhǔn)是否能夠滿足太陽能光伏玻璃這一全新領(lǐng)域的要求，還要進(jìn)一步的研究與論證。

隨著全球一體化建設(shè)與合作，國際貿(mào)易規(guī)則受到了很多國家的影響，貿(mào)易保護(hù)主義成為國家的重要手段，逆全球化的趨勢日益明顯，如何才能防止這些問題的出現(xiàn)，將是我們研究的重點(diǎn)。從國際標(biāo)準(zhǔn)方面分析，需要采取科學(xué)合理的工具，才能解決上述存在的問題。我國是目前世界范圍內(nèi)太陽能光伏以及建筑玻璃的主要生產(chǎn)國，所以我國在世界上影響力巨大，尤其是標(biāo)準(zhǔn)建立方面，對(duì)于保障我國的國際地位、促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展有著積極作用。就我國企業(yè)經(jīng)營的實(shí)際情況分析，先進(jìn)技術(shù)不斷被開發(fā)和利用，我國已經(jīng)從標(biāo)準(zhǔn)的采用者逐步轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的制定者，所以未來會(huì)對(duì)相關(guān)行業(yè)產(chǎn)生更大的影響。中國是世界上最大的光伏建筑一體化市場，并且技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，該領(lǐng)域在國際上都有著重要的影響，所以還要更加重視國際規(guī)則的制定和實(shí)施，以促進(jìn)該領(lǐng)域全面發(fā)展。

5結(jié)語

太陽能光伏玻璃在建筑中的應(yīng)用，特別是在住宅建筑中的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)生態(tài)社區(qū)建設(shè)具有較高的戰(zhàn)略價(jià)值，也有一定的可行性。展望未來，隨著技術(shù)難題不斷得到解決，太陽能光伏建筑玻璃將越來越普及，前景十分廣闊。通過深化節(jié)能環(huán)保理念，頒布和實(shí)施國家相關(guān)法律法規(guī)，綠色建筑將是未來建材行業(yè)的必然趨勢，也是建筑設(shè)計(jì)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著光伏發(fā)電機(jī)組的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)參數(shù)的不斷提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本將會(huì)越來越低。建筑與建筑相結(jié)合的光伏建筑集成系統(tǒng)要考慮到建筑的觀賞價(jià)值、生態(tài)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，筆者認(rèn)為建筑光伏一體化系統(tǒng)將為未來建筑業(yè)帶來新的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龍文志.太陽能光伏建筑一體化[J].建筑節(jié)能，2009， 37（07）：1-9.

[2] 李芳，沈輝，許家瑞.光伏建筑一體化的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電源技術(shù)，2007，31（08）：659-662.

[3] 國家建設(shè)部.JG J110—2008建筑工程飾面磚粘結(jié)強(qiáng)度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].2008-03-12.

[4] 江蘇省建設(shè)廳.太陽能光伏與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（DGJ32J8720091）[S]. 2009-11-10.

[5] 王斯成.我國光伏發(fā)電有關(guān)問題研究[J].中國能源，2007（02）：7-11.