真空玻璃与光伏建筑一体化应用

    光伏建筑一体化（BIPV）技术，是将太阳能（光伏）发电产品集成到建筑上。与光伏系统附着在建筑上（BAPV） 的形式不同，BIPV按照光伏系统和建筑物结合的形式，可分为光伏屋顶结构和光伏幕墙结构。太阳能光伏幕墙玻璃在建筑设计和使用中存在以下问题：

    （1）建筑物的隔热隔音。普通的太阳能组件没有隔热措施，只是简单地安装在建筑物或支撑件上，光伏组件在使用过程中往往会将大量的热量带入室内， 同时也不能满足建筑物的隔音要求。目前常见的解决办法是将太阳能电池做成Low-E中空玻璃的形式， 但是这一方法并不理想。

    （2）建筑物的采光。普通的光伏组件为了提高效率，会将电池片的间距缩小到2mm~5mm。但在幕墙的BIPV组件中，需考虑建筑物采光的要求，否则将加剧建筑物的照明能耗，所以往往要调整电池片的间距到25mm左右，使透光率达到30%左右，但这必然会降低组件的发电效率。

    对此，国内有公司研发了一种将染料敏化太阳能电池（DSSC）与真空玻璃相组合的太阳能光伏幕墙玻璃组件，有效解决了上述问题。

    真空玻璃，是基于保温瓶原理开发的新型节能玻璃（见图1）。两片玻璃之间用0.15mm高的细小支撑物隔开，四周用低熔点无机材料焊接熔封，并经抽气管排气后封口，形成气压低于0.1Pa的真空层，几乎不存在气体传导传热和对流传热，所以真空玻璃具有优异的隔热性能，同时又能够有效阻隔声音的传递。目前真空玻璃已广泛应用于建筑门窗幕墙、家电冰柜冰箱、汽车列车等能耗大节能需求高的行业。真空玻璃的各项性能指标见表1。由表1 可以看出，真空玻璃隔热性能明显优于中空玻璃。

    太阳能电池吸收太阳辐射，其中一小部分转换成电能，剩余的热量转化为热，其中一部分会向室内传递。根据测试，夏季太阳能电池背板的温度比环境温度高出20℃左右， 所以尽管太阳能电池阻挡了大部分太阳辐射热， 但由于温差带来的室内增热十分严重，即使在室内侧复合一层低辐射（Low-E）中空玻璃，仍然有相当一部分额外的热量进入室内，增加室内空调的制冷负荷， 这与太阳能电池节能的初衷是相违背的。而真空玻璃阻隔温差引起热传递的能力（由K值体现）是中空玻璃的2倍，这无疑可节省大量的空调制冷电耗，减少太阳能电池发热带来的负面影响。在冬季亦如此，冬季室内外温差大，光照强度小，真空玻璃可有效阻止室内热量向室外流失，节省大量的制热采暖能耗。真空玻璃的隔声性能也优于中空玻璃。真空层的高真空状态几乎杜绝了声音传播的介质。虽然支撑物在一定程度上成为声音传播的媒介，使真空玻璃损失了部分隔声量，但由于支撑物半径仅为0.25mm，与玻璃的接触面积极小，8mm 厚真空玻璃的隔声量可达36dB，隔声总量超过中空玻璃，特别是对人耳敏感的中低频，隔声性能优于中空玻璃（见图2）。

    染料敏化太阳能电池是一种光化学电池，与其他太阳能电池相比，原材料易得、成本低，制作工艺相对简单，能源回收周期短，性能稳定，衰减少，其工作原理与植物的光合作用相仿，结构见图3。

    硅太阳能电池板对太阳光照角度和照度有较高的要求。当太阳能电池使用于建筑立面时，受建筑物朝向和玻璃角度的限制，太阳光照角度和照度不可能具有在电站或屋顶的良好条件，从而影响电池的发电量。而染料敏化太阳能电池本身具有弱光发电特性（薄膜太阳能电池具有类似特点）， 在光度很弱的情况下依旧运行良好，在早晚天色不是很亮的情况下仍可有效发电，虽然效率不如硅电池，但发电总量却并不逊色。染料敏化太阳能电池的这一特点完全具备了在建筑立面上使用的条件。

    染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池板性能对比见表2。染料敏化太阳能电池（DSSC）应用实例见图4、图5。染料敏化太阳能电池本身特有的透光性，使其在建筑门窗或幕墙中使用时， 不用增加电池片之间的间距即可达到20%~30%的采光效果，在有效保证玻璃采光功能和建筑物美观的同时， 可保证电池的发电效率。

    真空玻璃与染料敏化太阳能电池通过复合中空或者夹层的形式组合成光伏组件，能够有效延长组件的使用寿命。

    染料敏化太阳能电池在封装时可使用PVB代替EVA，解决EVA胶片易老化的问题。在Low-E 中空的太阳能电池幕墙玻璃组件中，由于中空玻璃采用结构胶密封， 有一定的水汽透过率，虽然内置分子筛吸湿剂， 但随着使用时间的延长，分子筛逐渐饱和失效， 中空层内的空气湿度越来越大，充入的惰性气体也会随着时间的推移逐渐散失，我国中空玻璃使用寿命约为8~10年。渗透进中空腔的水汽氧化Low-E薄膜，降低Low-E玻璃的隔热性能。并且在像屋顶或屋面这种水平或倾斜的地方使用中空玻璃时，会因中空层内对流传热的路径变短造成隔热性能变差。这些都是掣肘中空玻璃太阳能组件节能性和使用寿命的关键因素。

    真空玻璃由于边部采用熔融的低熔点玻璃粉将两片玻璃焊接在一起（类似真空荧光显示屏VFD等电真空元器件的封接）， 气密性和结构强度优良，空气和水汽的渗透可忽略不计， 而且在真空玻璃内部还放置了长效吸气剂，可保持真空层的真空度。以上几点可保证真空玻璃的使用寿命大于25年。而在真空玻璃与太阳能电池复合成中空玻璃的组合方式中， 几乎所有的隔热效果都由真空玻璃承担， 并且Low-E镀膜在真空层内受到良好的保护， 即使中空的隔热效果变差， 对整个组件的节能效果也没有影响，而且真空玻璃的隔热性能不受使用地点、角度的限制（见图6）。

    另外，太阳能电池以真空玻璃作为基板，或者与真空玻璃夹层复合成光伏组件， 除具有以上优点外，还可充分发挥真空玻璃轻薄的优点，使整个光伏组件更加安全可靠。

    真空玻璃节能技术、导电玻璃技术与染料敏化太阳电池技术相结合的光伏真空玻璃组件， 是国际前沿的第三代太阳能光伏技术， 在大幅提高建筑物保温隔热功效的同时发电产能，减少采暖制冷能耗。光伏真空玻璃与建筑幕墙、门窗玻璃、采光顶等有效结合，可减少土地占用面积，降低安装成本。应进一步降低成本，推动光伏组件批量生产和应用。