太陽能光伏玻璃在建筑上的應用

蔣杰

摘 要 隨著太陽能光伏玻璃設備的快速發展和太陽能產品的廣泛應用，太陽能資源消耗與需求之間的矛盾日益突出。實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減少對建筑物自身的能量消耗。對實驗數據的比較結果表明，真空光伏組件的玻璃化轉換溫度最接近光伏玻璃化轉換的標準溫度。在足夠的光照條件下，光伏組件的玻璃溫度也只比標準室溫低百分之三。夜間無光時，真空光伏玻璃內部溫度較高，隔熱效果更好，節能效果更明顯。

關鍵詞 太陽能光伏玻璃 建筑能源 光伏發電

中圖分類號：TQ171 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0068-03

建筑能源很重要，發達國家總能耗的三分之一以上都是用于建筑，因此，建筑行業加快了對太陽能光伏玻璃的研發，尤其是在住宅建設中有著巨大的實用價值[1]。近年來，光伏玻璃技術在建筑行業中的應用得到了快速發展，所謂建筑光伏玻璃集成技術（BIPV）是指太陽能光伏玻璃技術和建筑材料的完美融合，光伏系統是世界上使用最簡單的網絡元件安裝模型，本實用新型可有效降低網絡組件的壓力。解決傳統光伏玻璃模塊化問題的唯一選擇是將其與建筑結合起來，實現開源，但玻璃熱性能差，傳熱系數的主要指標之一是U值高。高真空窗口的相同傳熱系數被鎖定在內部和外部熱量，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合窗中，隔熱效果很低。真空與光伏玻璃建筑相結合：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擔;另一方面，降低了真空窗的傳熱系數，降低了空調的能量和冷凍循環[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，與傳統懸掛型太陽能板不同

將太陽能電池等產品整合在建筑物中，以完成太陽能光伏玻璃設備和建筑物本身的融合。與太陽能光伏玻璃設備與建筑結合方法的不同，太陽能光伏玻璃設備與建筑的結合又可以分成兩種：一種是把太陽能發電設備簡單地和利用光學玻璃陣列的載體的建筑相結合;另一種是太陽能光伏玻璃設備和建筑物的集成。該方法使用太陽能光伏玻璃設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開始太陽能玻璃光伏發電建筑也逐步建成

當今世界各國都不斷嘗試著把光伏和以及太陽能玻璃設備和建筑材料相結合，并獲得了不少成功。我國目前也在跟隨國外發達國家的腳步，主動汲取相關經驗與技術，逐步發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了太陽能系統總發電量可達6.5兆瓦。它還可以節約能源和減少排放;北京大興已于2003年完成了建筑新能源生態利用示范項目;2004年深圳建成了亞洲最大的玻璃光伏發電廠，且其供電網絡相對成熟，光伏玻璃廠總發電能力可達1兆瓦，年發電量約100萬千瓦，使用光伏電網的發電系統也取得了突破，在北京南部的一個水電站，主能源房的中央照明區也采用了太陽能光伏玻璃發電系統來解決發電廠的問題。

1.3 光伏建設在住宅建設中的應用價值

光伏建設的集成技術提供了潔凈能源，太陽能并不污染環境。首先，因為太陽光是潔凈、免費和易于獲取的，在利用過程中沒有生態副作用。光伏建設就真正地打造綠色生態建筑;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，尤其是商業樓層和電梯等公共區域，這實際上降低了很多潛在的安全風險，也可以更好地應對大停電。而且，由于太陽能光伏發電玻璃建筑基本上不需要電池（特別是電網的輔助調節），所以這樣不但節約了資金，并且也不會受到電池充電的影響，還能夠充分利用光伏玻璃廠所產生的能量，從而發揮對建筑物改造的效果。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換為能量，不但能夠減少建筑室內外溫差，還能夠降低外墻的發熱，從而達到建筑節能的效果。同時在太陽能光伏玻璃應用的階段中，還能夠根據建筑工程項目的需求，調節太陽能光伏玻璃的應用方式，大大的優化了節能效果。

2 太陽能光伏玻璃設備要求

近年來，隨著人類社會的不斷進步和宏觀經濟的快速發展，人類對能源的需求日益增長，人們生活與生產的各個領域它與能耗關系密不可分，尤其是建筑能源大約占社會總能源的百分之五十以上[3]。要緩解人們在能源需求和環境之間的矛盾問題，迫切需要合理開發與使用可再生資源，走可持續發展路線，努力建成資源環境友好節約型社會。在諸多的新能源中，太陽光具有儲量豐富、無污染、取之不竭、保護環境等優點。隨著建筑科技與藝術的蓬勃發展，建筑光伏一體化也將成為未來建筑的發展趨勢，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，中國首家透明膜應用單位試點項目——天威光伏膜玻璃建筑一體化項目）。此外，還必須考慮到安全性能、外觀、施工方便等因素，因此，光學玻璃設備應滿足下述幾點要求。

2.1 電池要求

光伏復合玻璃系統對電池等公用事業幾乎沒有嚴格要求[4]。在確定光伏復合玻璃的容量時，不需要進行精確計算，例如光伏獨立發電廠。而普通家庭使用1～5kW范圍內的光伏玻璃系統就足夠了。

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特點，既要滿足發展要求，又要滿足建筑材料的性能要求。如保溫、防水、裝飾等要有足夠強度，在施工過程和運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，需要生產多種太陽能電池模塊。

2.3 電池要求

在獨立光伏玻璃系統中，光伏玻璃的安裝范圍應盡量向赤道傾斜，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電量，在光伏玻璃系統中光伏玻璃的排列要考慮到大部分出口，這樣才可以實現光伏合網玻璃。

2.4 逆變器的要求

太陽能電池盒陣列所發出的直流電壓一般較低，但當電網電壓是220V交流電時，對電力品質也有嚴格要求[5]。為確保光伏并網玻璃設備的安全性，避免傷亡事故，還需要安裝并網監測安全保護器。

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，其核心是將太陽能發電機組集成或組合成建筑技術，不僅能保護外部結構，還可以產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電系統，光伏發電系統建筑節能是指以節能、環保、安全、美觀、經濟為出發點，對建筑進行初步規劃、勘察設計、施工、竣工驗收的過程。子模塊或子項目是一個完整的體系結構，它們包含在基本建設過程中，與整個建設項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、建筑光伏發電系統的安裝類型是目前建筑光伏發電系統的主要形式。

（1）建筑光伏發電體系，是由太陽能器件和材料所構成的建筑光伏發電體系的有機組成，復合材料不但具備了建筑物的基本特征和用途，同時還可將太陽光轉換為能源。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電廠的主要建筑材料。

（2）建筑的光伏發電廠由一個光伏發電系統組成。光伏發電系統由模塊化光伏建筑組件組成，包括串聯、并聯或獨立光伏系統。由建筑構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、一般維護結構、外墻外立面或屋頂的施工，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、辦公樓、綜合樓和餐廳等建筑中都配備了系統控制、儲能、充電站等。如果光伏發電不能通過儲能裝置時，就可通過并網逆變器直接轉換為相頻商業電能，然后接入市政公用網形成電網。

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

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

（2）不穩定。太陽能光伏發電玻璃不穩定，受天氣影響大、波動大，如何解決太陽能光伏發電玻璃的不穩定問題也是一個緊迫的問題。

（3）維修問題。由于本實用新型安裝在住宅內，與公共建筑和太陽能發電站不同，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。并且涉及到個人隱私，很難安排人員進行定時檢修。

4 展望

目前，ISO/TC 160/SC 1/WG9工作組僅發布一項標準——ISO/TS18178《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》，這一標準是首次把太陽能光伏技術與建筑玻璃技術融合進國際化標準，并且是我國組織發展制定的。通常是將建筑太陽能光伏夾層玻璃產品作為基礎研發，重點了解太陽能光伏產品的電器、機械等方面的性能，同時綜合分析研究產生安全性方面，提取了相應的玻璃和太陽能光伏的關系點，通過技術的融合實現合理開發和應用。從標準深入研究可以發現，經過相應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，都應用ISO12543-4：2011的標準進行。而落球沖擊測試對于安全性要求是比較高的，當前測試并不能達到使用的標準要求，所以要制定相關的測試標準。隨著節能環保理念的深化落實，各項政策有效應用，光伏建筑一體化技術不斷地得到提高，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域發展而不斷的擴大規模。通過ISO與IEC兩個方面標準的對比分析，建筑工程的太陽能光伏玻璃標準才開始實行，當前的玻璃標準與太陽能光伏標準是否能夠滿足太陽能光伏玻璃這一全新領域的要求，還要進一步的研究與論證。

隨著全球一體化建設與合作，國際貿易規則受到了很多國家的影響，貿易保護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，將是我們研究的重點。從國際標準方面分析，需要采取科學合理的工具，才能解決上述存在的問題。我國是目前世界范圍內太陽能光伏以及建筑玻璃的主要生產國，所以我國在世界上影響力巨大，尤其是標準建立方面，對于保障我國的國際地位、促進社會的發展有著積極作用。就我國企業經營的實際情況分析，先進技術不斷被開發和利用，我國已經從標準的采用者逐步轉化為標準的制定者，所以未來會對相關行業產生更大的影響。中國是世界上最大的光伏建筑一體化市場，并且技術經驗豐富，該領域在國際上都有著重要的影響，所以還要更加重視國際規則的制定和實施，以促進該領域全面發展。

5結語

太陽能光伏玻璃在建筑中的應用，特別是在住宅建筑中的應用，對促進生態社區建設具有較高的戰略價值，也有一定的可行性。展望未來，隨著技術難題不斷得到解決，太陽能光伏建筑玻璃將越來越普及，前景十分廣闊。通過深化節能環保理念，頒布和實施國家相關法律法規，綠色建筑將是未來建材行業的必然趨勢，也是建筑設計相關企業的發展趨勢。隨著光伏發電機組的發展和相關技術參數的不斷提高，光伏發電系統的成本將會越來越低。建筑與建筑相結合的光伏建筑集成系統要考慮到建筑的觀賞價值、生態經濟性和實用性，筆者認為建筑光伏一體化系統將為未來建筑業帶來新的發展方向。

參考文獻：

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

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

[3] 國家建設部.JG J110—2008建筑工程飾面磚粘結強度檢驗標準[S].2008-03-12.

[4] 江蘇省建設廳.太陽能光伏與建筑一體化應用技術規程（DGJ32J8720091）[S]. 2009-11-10.

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