太阳能光伏技术 在上海世博会园区 建筑中的应用

    2010年上海世博会在绿色技术上是一次巨大的突破，尤其是诸多太阳能技术科技创新的最新产品和技术成果的应用，为建筑利用太阳能技术的推广起到了很好的示范作用。光伏建筑一体化（BIPV）是将太阳能光电技术与建筑系统整合的技术，在建筑功能和形态设计中，追求将太阳能光电技术融入建筑设计，并替代部分建筑构件，以完善建筑功能、美化整体外观，使建筑从只能消耗能源到可以产生能源，从而实现建筑自给自足的零碳排放的目标。

    太阳光发电是指将光能直接转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。建筑上主要使用的是光伏发电系统。太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池（又称光伏电池）将太阳能转换为电能的发电系统，其工作原理主要是半导体的光电效应，太阳能光电板捕获太阳能并生成直流电（DC），逆变器（电力调节器）将直流电( DC) 转换成交流电(AC)，可直接和城市电网相连接，用以运行许多常用电器和设备。在太阳能电力充足的情况下向城市电网送电，否则由城市电网补充电力的不足。如果不能直接和城市电网相连接的时候，则需要蓄电池储存电力。太阳能光伏系统有着自身应用的条件，如光电板设置的角度、朝向以及选择材料都对太阳能光伏板光电的转换效率产生直接的影响，太阳能光电板安置在建筑表面可以最大接收太阳能，这对建筑设计提出了一定技术要求。

    1.1光电池

    光电池是由可直接将光能转化为电能的晶片制成，有时也称光电元件或太阳能电池。单晶元件的效率最高，但是价格也最贵。为了降低造价，多晶硅元件和薄膜光电元件被研制出来。薄膜光电元件是由非晶硅、二硒化铜铟或碲化钙制成。虽然这些元件的光电转化效率（约8% ) 只是单晶硅元件的一半。更多的研究致力于提高它们的光电转化率。在实验室中， 目前转化率最高可达33%。因为光电元件很小很易碎，而且只产生少量的电能，人们把它们组合成组件。这些组件有很多规格，组件可以被组装成排板，也可以更进一步被组装成阵板（图1）。

    1.2设计准则

    根据以下的设计准则将获得光电系统的最大效益：

    （1）使用光电建筑一体化节约资金并增加美感。

    （2）根据季节不同，结合建筑坡度选用适当坡度使效率最大。不同气候地区，不同的朝向和坡度，光电转换的效率不同（图2），在上海地区倾角在22°~23°效率最高，南向为最佳，水平面与南立面的发电效率大约为91%。

    （3）确认对光电板的遮挡在最低范围。

    （4）低温元件比高温元件效率更高，光电板背后通风为光电组件降温，可以减少效率损失。而在冬季则可以利用这些热量来转换成其它能源。

    （5）因为会积灰、积雪，避免使用没有倾角额光电阵板。

    2 屋顶上的太阳能利用

    2.1世博主题馆太阳能屋顶

    上海世博会主题馆安装太阳能电池板26000m2（图3），共敷设多晶硅光伏组件16250块，其中3 728块为异型光伏组件，采用并网发电运行方式，将太阳能发电传回城市电网。总装机容量2825kWh，年平均发电量250万kWh，可减少二氧化碳排放量约2500t。主题馆太阳能电站已成为我国乃至亚洲单体建筑最大的太阳能光伏建筑一体化发电站。主题馆采用与建筑肌理相吻合的菱形设计方案（图4），铺设多晶光伏组件，多晶硅呈深蓝色，与主题馆颜色相符。另外，为了节能，主题馆中庭屋顶采用了透光型的双玻组件，在日照充分的白天，将无需打开馆内的照明设施。

    2.2世博中国馆太阳能屋顶

    中国馆屋顶采用单晶硅太阳能组件，铺设在68m 高平台和60m观景平台（图5）。在60m平台上，四周安装着一排排黑色的太阳能组件，并用玻璃护栏围护（图6 、7），采用了与建筑幕墙安装节点相结合的安全、便捷、高效和易维护的光伏组件安装工艺。屋顶总共安装太阳能电池板2800m2，单晶硅光伏组件1616 块，装机容量302kW，年平均发电量30万kWh，约相当于少用107t标准煤，可减少二氧化碳排放量约285t，实现中国馆照明全部自给。

    3 立面上的太阳能一体化

    3 . 1 阿尔萨斯馆的“水幕太阳能墙”位于浦西世博园“城市最佳实践区”一角的阿尔萨斯案例馆，被青枝绿叶覆盖着，但这栋建筑最新奇的不是绿墙，而是“水幕太阳能墙”（图8）。该“墙体”包括三个层面，外层为太阳能电板（斜板）和第一层玻璃，中间层为密闭舱，第三层为水幕玻璃。水幕太阳能墙具有气候调节机制，尤其适用于上海地区气候这样的冬冷夏热地区。阿尔萨斯案例馆的原型是法国阿尔萨斯布克斯韦尔中学的太阳墙，据介绍，在当地主要应用于冬季供暖。但考虑到上海夏季高温潮湿的气候特点，太阳能水幕墙增加了密闭舱可以打开的功能。这样，在炎热的夏季，密闭舱中的空气和沿着立面往下流的水幕相连（图9），加上太阳能墙产生的阴影，起到给建筑降温的效果。利用这种太阳能水幕墙，可以在夏季有效降低室内温度，在冬季补充室内温度，极大地降低对空调的依赖。

    展馆的上半部则设计成为一个太阳能供电系统，可以提供场馆的所有运作能源。观众会看到，澳门馆外墙的上半部是一排排百叶形太阳能板。这些太阳能板每块的面积在1.3m2 左右，厚度约为4cm，它们既能发电，又能起到遮阳的效果。这些太阳能板都是可以活动，会根据光线的角度转动30°~45°(图10)。

    4 太阳能集成技术

    伦敦零碳馆是中国第一栋建成的零二氧化碳排放的公共建筑。该项目原型取自于世界上第一栋零二氧化碳排放的社区贝丁顿社区。零碳馆由两栋建筑前后相接而成，总面积2500m2，坐落在城市最佳实践区上海案例的北侧。零碳馆通过传承来自世界第一个零二氧化碳排放社区BEDZED科技，结合上海地区的气候特征，采用本土化的产品实现了中国第一栋零碳排放的展示性建筑。该建筑使用太阳能、风能和水源热能联动来实现空间内的通风、制热、制冷、除湿、加湿等满足室内舒适性的各项指标。系统的特色在于安置在屋顶上的22个五颜六色的风帽，风帽可以随着风向灵活转动，利用温压和风压将新鲜的空气源源不断地输入每个房间，并将室内空气排出。同时利用太阳能和江水源给进入室内的新风降温除湿。零碳馆所需的电力，由建筑附加的太阳能发电板产生。阳光和水的利用也在伦敦零碳馆中体现得淋漓尽致。在建筑的南面，通过透明的玻璃太阳房保存从阳光中吸收的热量，转化为室内热能。屋顶上的太阳能热水板将太阳能转化为热能。建筑的北面通过漫射的阳光培育绿色的屋顶植被，同时北向漫射光为室内提供了相应的自然采光。零碳馆还通过屋顶雨水的收集，用来冲洗马桶或灌溉植物等，减少了馆内对自来水的需求。零碳馆最基本的建筑节能技术做得非常到位，采用整体外保温的策略，墙壁是用导热材料建造的，减少室外热渗透，吸收室内多余热量，稳定室内气温波动。这些基本的被动式设计，为前面的太阳能集成技术的应用最大化奠定了基础。

    为了减少建筑对全球变暖和气候变化带来的消极影响，建筑一方面需要通过各种节能设置减少对能耗的需求，另一方面也需要通过可再生能源的利用，满足余下能源需求以实现建筑的零二氧化碳排放。常规电站发电时产生的热量被当作副产品，通过冷却塔等途径放射到环境中，被白白浪费掉，而丰富的太阳能，是取之不尽用之不竭、无污染的能源。世博会上建筑展现的太阳能技术和一体化的设计，对我们今后在上海推广太阳能技术起到了很好的示范作用，尤其是伦敦零碳馆的太阳能技术与其他绿色节能集成的运用，更是我们未来太阳能技术在建筑上运用提供了更高的要求，使建筑逐步实现能源自给自足的目标。