光电幕墙及光电屋顶(摘录)

光电幕墙及光电屋顶（摘录）光电幕墙及光电屋顶（摘录）1 前 言光电幕墙（屋顶）是将传统幕墙（屋顶）与光生伏打效应（光电原理）相结合的一种新型建筑幕墙（屋顶）。主要是利用太阳能来发电的一种新型的绿色的能源技术。能源是人类生存和发展的基础，传统的能源是以消耗地球的有限资源，同时又污染人类生存环境为代价来生产的，20 世纪 70 年代全球的能源危机，使世界很多国家清醒地认识到：太阳能是一种绿色（清洁，无污染）丰富的自然能源，争相加以开发和研究，因而太阳能电池从人造卫星发电开始向地面发电普及和应用（表 1），据不完全统计，1999 年全世界太阳能电池的年产量已超过 2 亿峰瓦（MWP）（图 1 和图 2），但其年产量与世界能源总需求相比仍然相差甚远，为了在 21 世纪能得到突破性发展，一些国家正在围绕制约太阳能电池地面大规模普及应用的一些根本问题进行研究，其中一个问题就是接收面积问题，因为太阳能是分散的，为了提供所需的能源，必须有足够的接受面积。据测算：为了满足 2000 年全球电力的需求，以太阳能电池转换率 10%计算，需要的面积为 840km×840km=705600km2，这相当于德国和意大利两个国家的面积。太阳能电池的五种应用领域: 应用领域成本效应标准系统市场潜力人造卫星的发电系统佳，最早的太阳能发电应用数百到千瓦量小，但发展稳定发展中国家居家用的太阳能系统佳，市场呈稳定成长5 瓦至 5000 瓦预估世界上有十亿人口没有电网供应电力工业应用利润最高的太阳能应用。5 瓦特至 1，500瓦公路的急救电话、公路标志、微波自动转换装置、电栏杆、街灯等已发展国家建立建筑物整体性的太阳能系统（Building Intergrated Photovoltaiacs）依据电力成本及政府辅助金而定2，000 瓦至300，000 瓦美国、日本和德国发展他们已经宣布的屋顶方案，市场将超过每年 1，000 万瓦中央电力供应站太贵，平常电价三倍。一百万瓦至上千百万瓦视石油价格及环保要求而定图一：全世界 1966 年1999 年太阳能电池产量（单位 MWP）图二：世界主要太阳能电池公司 1991 年1998 年产量(单位 MWP)我国 1995 年的发电量约为 1 亿 MW?h，如果全部用太阳能电池发电，其接收面积约为12500km2，比天津市还要大。以上数值表明，所需的面积是相当可观的，利用建筑幕墙（屋顶）和太阳能电池相结合是解决接受面积的主要途径，应用方式有下列几种：德国慕尼黑商贸中心的 6 座大厦都装光电屋顶，共有 7812 个框架光电板，每个光电板共有84 个单晶硅太阳能电池，输出功率为 130w，光电板总和峰值功率为 1.016kw，光电板占屋顶面积 58%，发出的直流电经过逆变电器送至 2 万伏中压电网，预计寿命 20 年，可减少 2 万吨的CO2 排放量。（见 Phptovoltaics Inside Report 1998 17（9）：3）。现在全世界能源约 4/5由含碳的矿物燃料产生，如果其用量年增长率为 3%，预计到 2020 年全世界的 CO2 排放量将增加40%，对人类生成环境将产生灾难性后果，多次国际会议都在研讨减少 CO2 排放量和发展绿色能源问题。光电幕墙（屋顶）的发展理所当然地被列为 21 世纪重要绿色能源。美国制订了百万光电屋顶幕墙计划（表 2）。德国于 1999 年开始 10 万光电屋顶光电幕墙计划，预计在 68 年完成，每个系统定为 5kw，总容量可达 500MW。日本截止于 1997 年已建立1600 个光电屋顶，容量为 37MW。预计到 2010 年，太阳能电池产量将达到 1800MW/年以上，年产值将超过 42 亿美元。光伏系统保有量预计为：美国 757MW，欧洲 618MW，日本 174MW。指标 年代199719981999200020052010参加城市数10255075200325太阳能建筑物（千个）28.523.5513761014屋顶当量系统（kw）111234我国拥有丰富的太阳能资源，陆地表面每年接受的太阳辐射能为 50×1018KJ，相当于 1700亿 t 标准煤，每年日照时间大于 2000h，辐射总量高于 586KJ/m2的太阳能资源丰富地区和较丰富地区占全国总面积的 2/3（表 3、图 3）。我国是耗能大国，建筑能源浪费更加突出。建筑能耗占全社会总能耗的 25%，其中建筑采暖、空调、照明占 14%，建筑建造能耗为 11%，今后比例还可能有所上升。我国建筑能耗是相同气候条件发达国家的 2 至 3 倍，在全面建设小康社会的进程中，建设系统资源节约的任务十分艰巨。把资源节约、降低消耗放在突出位置，建筑节能是提高住宅舒适度、降低运行费用的基础，也是可持续发展的迫切要求。我国与国外先进水平的差距，不在材料和技术上，而是在设计标准和标准的落实上。建立以强制性标准为主体、推荐性标准为补充的建筑节能标准体系，新建建筑全面执行节能标准，建筑能耗减少 50%。加大对建筑节能的检查力度，对违反规定的建设项目，已完工的不予验收备案并责令改。节能的 65%主要由建筑围护系统承担。通过建筑一体化设计，推广应用光电幕墙（屋顶）的有效途径。尽管目前我国光电幕墙（屋顶）市场正在方兴未艾，但它具有强大的潜在市场，我们有理由预计，中国的光电幕墙光电屋顶及光电工程在 21 世纪将会得到迅猛的发展。资源带号名称指标资源丰富带6700MJ/（m2·a）资源较富带54006700MJ/（m2·a）资源一般带42005400MJ/（m2·a）资源贫乏带4200MJ/（m2·a）光伏总容量（Mw）16.51555270610单位成本（美元/Wp）6.55.74.94.32.92.0总的 CO2 的减少（千吨） 2133911110373510MJ/（m2·a）兆焦/（平方米·年）图二十三: 中国太阳能资源分布图2 2 光电电池基本原理光电电池基本原理光电幕墙（屋顶）的基本单元为光电板，而光电板是由若干个光电电池（又名太阳能电池）进行串、并联组合而成的电池阵列，把光电板安装在建筑幕墙（屋顶）相应的结构上就组成了光电幕墙（屋顶）。2.1 光电现象1983 年，法国物理学家 A.E 贝克威尔观察到光照在浸入电解液的锌电板产生了电流，将锌板换成带铜的氧化物半导体，其效果更为明显。1954 年美国科学家发现从石英提取出来的硅板，在光的照射下能产生电流，并且硅越纯，作用越强，并利用此原理做了光电板，称为硅晶光电电池。2.2 硅晶光电电池分类硅晶光电电池可分为单晶硅电池多晶硅电池和非硅晶电池。单晶硅光电电池： 表面规则稳定，通常呈黑色,效率约 1417% 多晶硅光电电池： 结构通常清晰，呈兰色效率约 1214% 非硅晶光电电池：透明，不透明或透明透过 12%的光时，颜色2.3 硅晶光电电池原理硅晶光电电池的原理是基于光照射到硅半导体 PN 结而产生的光伏效应（Photovoltraic Effect，缩写为 PV），它的外形结构有圆形的和方形的两种。图二十七 硅太阳电池结构这是一种 N+/P 型光电电池，它的基本材料为 P 型单晶硅，厚度在 0.4mm 以下，上表面是 N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个 PN 结，在 n 型层上面制作金属栅线，作为正面栅状电极（负极），在整个背面也制作金属膜，作为背面金属电极（正极），这样就形成晶体硅光电电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。当 N 型半导体和 P 型半导体紧密接触时，在交界处形成 PN 结：N 型半导体的电子和 P 型半导体的空穴，都会向对方扩散，从而形成一个内建电场。当光照射到 PN 结时，如果光子的能量大于禁带宽度（对硅而言，其数值为 1.1ev），满带中的电子就会被激发到导带中去，形成由 N区流向 P 区的内光致电流，光致电流使 N 和 P 区分别积累了负电荷和正电，从而在 PN 结上形成附加的电势差，这就是光生伏打效应（PV），如果将 PN 结两端与外电路相连，负载便会有电流通过。2.4 光电电池（太阳电池）的效率太阳电池的效率是指太阳电池的输出功率 PM 与投射到太阳电池面积上的功率 Ps 之比，其值取决于工作点。通常采用的最大值作为太阳电池的效率，即如果太阳电池不工作于最大功率点，则太阳电池的实际效率都低于按此定义的效率值，实际效率可能更低。影响太阳电池的效率的因素很多，如日照强度、光谱、温度等，只有当这些因素都确定时，太阳电池的效率才能被确定。下面分别讨论上述三种因素对太阳电池效率的影响：日照强度 S：其单位是 w/，在大气层之外其值最大，称为太阳常数。在大气层之外的日照强度为S1.37kw/。在地球表面的 S 值通常在零到 1kw/之间变化。图二十九绘出了一簇以多种不同 S 值为参数的特性曲线。由图可见，短路电流 ISC随着日照度 S 的变化而有较大改变，而空载电压 VOC仅是随着 S 的变化而略有变化。如果进行粗略的简化，可以表示为（IM 为负载最佳工作点的电流）：=mp LnS 由上式可以看出，效率 仅是随着日照强度 S 的变化而微弱地变化，它们的关系是近似的对数关系。当太阳电池的最佳工作点始终保持在它的最大功率点上时，太阳电池具有相当好的“部分负荷特性”，既它带有部分负荷时的效率不见得会比它带有额定负荷时的效率小。光线的波长 或频率 f ：在非单色光的照射下，太阳电池的效率和光谱特性有关。由于地球表面上日照光谱既取决与测量瞬间的天气条件（云、雾、空气、湿度等）。因为在每一天中对应的时间不同，太阳光线与地球表面的夹角即日照投射的倾角 不同，因此地球表面的日照光谱取决于日照投射的倾角 。当 不同的时候，太阳光在大气中所经过的距离不同，即大气质量 AM 不一样，则太阳光谱曲线就不一样。因此，需要给定太阳电池在某一光谱下的效率时，应该在相应的大气质量下给定。太阳电池的效率还和温度有关。太阳电池具有负的温度系数，即太阳电池的效率随着温度的上升而下降。图 7 给出了日照强度为 1kw/，而温度变化范围为 2070时效率变化的情形。可用下面的公式近似表示：=O·1-（T-TO）上式中，O=0.1，TO =0；=0.0049/。可以看出，温度每升高 10，其效率大约降低 5%。由上述我们可以看出，太阳电池的效率和很多因素有关。当我们定义太阳电池的效率的时候，必须确定它的工作环境才能够得出明确的效率值。3 光电板3.1 基本结构上层一般为 4mm 白色玻璃，中层为光伏电池组成光伏电池阵列，下层为 4mm 的玻璃，其颜色可任意，上下两层和中层之间一般用铸膜树脂（EVA）热固而成，光电电池阵列被夹在高度透明，经加固处理的玻璃中，在背面是接线盒和导线。模板尺寸：500mm×500mm 至2100mm×3500mm。从接线盒中穿出导线一般有两种构造：照片所显示的构造，是从接线盒穿出的导线在施工现场直接与电源插头相连，这种结构比较适合于表面不通透的建筑物，因为仅外片玻璃是透明的；照片所显示的构造是导线从装置的边缘穿出，那样导线就隐藏在框架之间，这种结构比较适合于透明的外立面，从室内可以看见此装置。3.2 光电幕墙的基本结构光电模板安装在建筑幕墙（屋顶）的结构上则组成光电幕墙，一般情况下，建筑幕墙的立柱和横梁都是采用断热铝型材，除了要满足 JGJ102 规范和 JG3035 标准要求之外，刚度一般高一些为好，同时，光电模板要能够便于更换。4 光电幕墙(屋顶)光电面积设计计算4.1 光电幕墙(屋顶)一般电学结构光学幕墙(屋顶)结构设计可按照玻璃工程技术规范(JGJ102)、建筑玻璃应用技术规程(JGJ113)等有关标准和规范进行,这里简介其电学设计。光电幕墙(屋顶)电学结构一般采用单路自然能单蓄电池结构，其结构图如下光电幕墙（屋顶）所产生的电能，经过输入电能变换器，转换成能蓄电池