薄膜光伏技术在双层幕墙中的应用

    1.  前 言 

    目前发达国家建筑能耗占国家总能耗的20%～ 30%，建筑节能已成为了建筑行业最主要的问题之一。建筑节能既要利用太阳能和风能等自然能，也要从结构上减少热损失，以获得最佳经济效益。光伏幕墙可原地发电、原地使用，杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。光伏陈列安装在屋面和墙面上，直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高的问题，可降低空调负荷，改善室内环境。太阳能光伏幕墙集合了光伏发电技术和幕墙技术，因此太阳能光伏系统与建筑的结合成为了住宅建设中的一个最新亮点，代表着国际上建筑光伏一体化技术的最新发展方向。

    日本建造的太阳房，充分利用了自然能源：利用自然风来通风降温；采集太阳热为冷房、暖房供热水；利用太阳光进行发电、照明、采光；将采集的多余热量储存在地下，用来供暖、制冷。这些建筑中通常采用的特朗布壁结构如图1 所示，热通道受到太阳照射，其温度高于室外，在冬季室外新鲜空气经过热通道加热后才进入室内；夏季室内空气流过热通道，带走热通道的热量，降低内墙温度，保证了室内空气自然流通。

    20世纪80年代以来，严寒地区迫切需要一种新型玻璃幕墙：冬天获取大量的日照，夏天阻挡太阳辐射，同时提供良好的自然通风和建筑节能。建筑师和相关人员经过多年努力，开发了一种新型玻璃幕墙——智能玻璃幕墙。智能幕墙目前处于发展初期，造价昂贵，技术要求高，但在建筑节能中却显示了巨大的能力。根据英国工程师对一个建成的工程进行预算可知，采用智能幕墙的工程能耗只相当于传统建筑能耗的30%。智能玻璃幕墙包括热通道玻璃幕墙、通风系统、空调系统、环境监测系统和楼宇自动控制系统。智能建筑室内的吊顶单元装备光(烟) 感应装置、消防喷头、音响、灯光、吸音材料、辐射供暖和制冷装置，各装置与热通道幕墙内的风口和活动百页均受楼宇自动系统控制。

    智能玻璃幕墙的核心是双层幕墙，其与贮热结构、辐射供暖和制冷系统协同工作，从而获得能源的高效利用。为了节省建筑成本，目前人们倾向采用智能玻璃幕墙的核心技术——双层幕墙，其结构如图2所示，内、外侧玻璃之间为热空气流通通道，所以该结构又称为热通道幕墙或通风换气幕墙，其内侧采用中空玻璃，内片采用低辐射玻璃，在抑制夏季太阳透射的同时不会造成光污染，中间设置遮阳百页。热通道(或称外循环通道) 由于阳光的照射温度升高，冬天像一个温室，紧闭其进、出气口就等于提高了内侧幕墙的外表面温度，减少了建筑物供暖的运行费用；夏天热通道温度很高，打开上、下两端的风口，热烟囱效应产生气流，运动气流带走通道内的热量，这样就可以降低内侧幕墙的外表面温度，减少空调负荷。

    1980年建成的美国纽约西方化学中心采用了“外侧为双层中空玻璃，内侧为单层幕墙，1500mm宽的热通道”。此通道内安装了活动百页，该百页可以通过感应光线进行自动调节，通道热空气在过热时可以从通道顶端排走。

    1986年建成的劳埃德大厦采用了“外侧为双层中空玻璃，内侧为单层幕墙，75mm宽的热通道，通道为1 层楼高，之间互不连通”。被处理过的空气通过设在架空地板内的风道送入热通道，再从另一端排走，这样可以带走通道内50%的热量。

    1993年建成的德国杜伊斯堡的商业促进中心是应用智能幕墙的典型例子，采用了“外侧为单层玻璃幕墙，内侧为单元式幕墙，200mm宽的热通道，通道有控制光线的可调节式百页”。其外侧采用点式幕墙，内侧为充氩气低辐射的中空玻璃幕墙，内侧可开启。被处理的新鲜空气从通道底部进入通道内，并从顶部抽走。开启活动扇，幕墙可向室内供应新风。

    1997年在德国埃森建成的RWE总部可能是目前最精密复杂的幕墙系统，采用了“外侧点式幕墙，内侧双层中空玻璃幕墙，实际上是1个双扇推拉门，0. 5m 的热通道，通道内有活动百页”。幕墙为单元式，通道之间不连通。每个单元有独立的进、排风口，该风口是1个精巧的鱼嘴型装置，进入通道内的空气直接从室外引进，热通道为建筑物提供部分新风。

    2000年竣工的北京会计师培训中心幕墙是中国大陆最早的热通道玻璃幕墙。针对业主提出的既要透明，又要高效利用能源的要求，同时考虑北京地区的气候和地理环境，经过研究决定采用热通道幕墙.

    2003年位于深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程采用的光伏幕墙有效面积为93. 8m2，设计峰值发电功率为10. 3kW，建筑标高为97m，是我国第1栋光伏幕墙建筑。

    北京辉煌净雅大酒店的光伏幕墙由2300块、9种不同规格的光伏板组成，面积达2200m2，拥有亚洲最大的单体彩色光伏显示屏和国内第1套集成玻璃幕墙的光伏系统。

    中国电谷锦江国际酒店的光伏幕墙发电量可达0. 3 MW，相当于1个小型发电站，发出来的电直接并入电网。在外围护结构方面，大厦屋顶采用了5cm厚挤塑聚苯板保温，外墙采用5cm厚挤塑聚苯板抹灰系统，外窗则采用低能耗中空玻璃铝合金窗。在太阳能并网发电技术应用上，大厦主楼南立面5～24 层采用的是呼吸式太阳能玻璃幕墙。

    新慕尼黑贸易展览中心的光伏幕墙是世界上最大的太阳能屋顶光伏系统，由7812块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率为130W，总容量超过1MW，所发电量与20kV电网相联，每年能发电100万kWh，供德国家庭使用。

    在深圳已建成的1MW并网太阳能光伏电站示范工程位于“园博园”内，是目前全亚洲第一大并网光伏电站。2004年8月30日建成发电，该电站总容量为1000 kW，年发电能力约为100万kWh，所发的电量约占园区用电总量的15%。相对于火力发电，年节省标煤约384t，年减排SO₂约7. 68t，年减排CO₂约170余t，是真正无污染的绿色可再生能源项目，它的成功实施为我国太阳能技术的发展起到了良好的示范作用。

    示范楼南侧立面装有30m2 的光伏玻璃，所发的电量用于驱动玻璃幕墙开启窗扇和遮阳百叶。屋顶设有太阳能集热器，所获得的热量用于除湿系统的溶液再生。此外屋面还装有太阳能高温热发电装置，为抛物面碟式双轴跟踪聚焦形式，峰值发电功率为3kW。该示范楼的建设运用了多项节能技术和产品，包括智能围护结构、自然通风、个性化空调末端装置、湿度独立控制的送风方式、楼宇式热电联供系统、太阳能利用、检测和控制系统等。该建筑代表了今后建筑节能的发展方向。

    双层幕墙主要由1个单层玻璃幕墙和1 个中空玻璃幕墙组成，结构如图2 所示。将外侧单层普通玻璃换成太阳能电池板(用特殊的树脂将光伏材料粘贴在2片玻璃之间)，就变成了光伏双层幕墙。

    薄膜太阳能电池是世界上最先进的电池之一，价格便宜，且薄膜光伏组件非常适用于需要造型的建筑结构。随着非晶硅太阳能电池的衰减降低、GaAs和CdTe 太阳能电池制造技术的突破，薄膜太阳能电池更具备竞争性。目前较成熟且已经大批量生产的薄膜太阳能电池是基于非晶硅系的薄膜太阳能电池，具有以下突出优点：高温下的光伏输出特性好、比晶体硅太阳能电池有更大的实际功率输出、环境友好、更少的能量偿还时间。

    将薄膜光伏发电组件融合在通风换气式幕墙内就形成了薄膜光伏双层幕墙，它符合当今世界的发展方向——低碳、节能、高效益和可持续发展：将太阳能转化成电能，不会排放CO₂或产生有害的气体，无噪音，是一种洁净能源；薄膜光伏发电组件容易造型、价格适中、易于推广；能实现调节通风换气功能，同时具有明显的隔热、隔音、安全、装饰等功能。

    光伏幕墙目前存在的主要问题包括：没有将光伏组件与热通道技术完美结合；绝大部分采用晶体硅光伏材料，价格昂贵。本文提出了通风换气式薄膜光伏幕墙方案来解决这个问题。以下为此结构的设计和实践经验。

    1)双层幕墙的结构

    围护结构幕墙要求透明之处的结构平面如图3所示，内侧采用中空玻璃，中间设置遮阳百页。不要求透明的幕墙内侧采用防火板、防火保温棉和复合铝板，其立面结构如图4所示。中间设置遮阳百页和布帘，有助于隔音隔热。同时根据季节改变热通道风口方向，有利于室内空气流通或能量交换。

    如果需要热通道承担室内部分或全部通风，通常将外侧幕墙设计成封闭式，内侧幕墙设计成开启式，通过对上下两端的进、排风口的调节在热通道内形成压差，利用开启扇在建筑物内形成气流，进行通风。通过管道向通道内送风，可以随时向室内提供新风，承担部分或全部通风负荷。

    通风换气主要依靠热通道实现，热通道设计优化主要解决热通道宽度和风口设置。寻找最佳空气层厚度，使结构具有最大热阻是设计热通道的关键问题。

    1)光伏发电的适宜性及其与建筑的匹配

    首先，要做好太阳能光伏发电与建筑一体化需要解决一系列问题：
①光伏幕墙适宜性、当地全年太阳能资源和当地气候状况的调查。
②环境温度对太阳能光伏电池的效率有影响，一般来说，温度越高效率越低。因此，在严寒和寒冷地区，温度的影响较低；在炎热气候条件下应采取一定的措施，使得太阳能电池板的温度不至于过高。
③光伏幕墙作为建筑构件，应根据项目当地的气候条件，综合考虑抗风、防雨、雪荷载等问题。
④光伏组件与玻璃幕墙结合通常会形成幕墙上的非透明或半透明部分，因此光伏幕墙具有一定遮阳的功能，同时也降低了玻璃幕墙的透光性能。不同气候区的建筑对遮阳和采光的需求不同，因此光伏幕墙的设计也应有所不同。

    其次，光伏发电系统要适应热通道的特殊结构，保持与原建筑风格的一致性。因此要解决组件密封、接线盒隐蔽、粘胶在高温与台风作用下的结构受力问题；要改善组件的散热情况、降低电池片温度，以减少组件效率损失。

    除此之外，光伏系统、通风换气件的智能自动控制应具备数据自动采集、智能调节风口和百叶、光伏发电等功能，并可将这些数据送往管理中心。

    2)电池组件的选用

    多晶薄膜、非晶硅薄膜电池在建筑一体化设计中比较有优势，宜采用与建筑屋面、墙面和玻璃幕墙相结合的方式。同时，应按照地区特点将太阳能电池板与屋面和东、南、西向墙面相结合。根据建筑要求确定合适的玻璃性能(如采光) 及结构(如夹层、中空、异型) ；根据抗风等要求确定玻璃的强度要求(钢化、厚度)。在建筑光伏一体化设计中，必须研究选择性价比最高的光伏电池。

    薄膜太阳能电池有一个重要优点是适合作为与建筑结合的光伏发电组件(BIPV) ：双层玻璃封装刚性的薄膜太阳能电池组件可以根据需要制作成不同的透光率，部分代替玻璃幕墙；而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。对于后者，一方面具有漂亮的外观，能够发电；另一方面，用于薄膜太阳能电池的透明导电薄膜(TCO) 又能很好地阻挡外部红外射线的进入和内部热能的散失，双层玻璃中间的乙烯聚合物丁酸盐(PVB)能够有效隔断能量的传导，起到Low-E玻璃的功能。据预测，到2030年薄膜太阳能电池将占整体太阳能电池份额的30%以上，与晶体硅太阳能电池平分秋色。

    光伏双层幕墙融合了热通道技术和光伏发电技术，具有明显的隔热、隔音、充分阳光、节能、装饰等功能；光伏发电将太阳能转化成电能，不会排放CO₂或产生有害的气体，无噪音，与环境有很好的相容性。光伏双层幕墙符合当今世界的发展方向——低碳、节能、环保、可持续发展，在住宅建筑中意义深远。