光伏真空玻璃在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

近年來，光伏技術(shù)在建筑上的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。光伏建筑一體化（BIPV）是太陽能光伏與建筑的完美結(jié)合，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，能有效減輕公共電網(wǎng)的壓力。“開源節(jié)流”是解決能源問題的唯一選擇。常規(guī)光伏組件與建筑結(jié)合實(shí)現(xiàn)了開源，卻沒達(dá)到節(jié)流的目的。其原因是玻璃熱工性能差，主要指標(biāo)之一傳熱系數(shù)U 值高，單層玻璃的約為6W/（m2·K），普通中空玻璃的約為2.8W/（m2·K），Low-E 中空玻璃的約為2.0W/（m2·K），遠(yuǎn)高于一般墻體的傳熱系數(shù)，使內(nèi)外溫差帶來的傳熱很高。

真空玻璃是一種新型節(jié)能玻璃，超級(jí)節(jié)能Low-E 真空玻璃的U 值可降到0.6W/（m2·K）以下，真空玻璃和中空玻璃組合成復(fù)合真空玻璃，保溫隔熱效果十分顯著。光伏真空玻璃與建筑相結(jié)合，一方面利用光伏組件為建筑發(fā)電，增加太陽能發(fā)電量，降低供電高峰常規(guī)電力負(fù)荷；另一方面，利用真空玻璃較低的傳熱系數(shù)，減少供暖和空調(diào)制冷期消耗的電力，達(dá)到開源節(jié)流的效果。

2 太陽能光伏建筑一體化

2.1 太陽能光伏電池種類

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。目前太陽能電池主要有晶體硅型和薄膜型兩大類型。晶體硅太陽能電池可分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池，具有轉(zhuǎn)換效率高（為16%～18%）、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的太陽能光伏產(chǎn)品，占據(jù)世界光伏市場(chǎng)80%的份額。

薄膜太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池和碲化鎘薄膜電池等，是在玻璃、塑膠等廉價(jià)襯底上鍍的一層薄膜，鍍膜厚度可薄至2μm，遠(yuǎn)低于晶體硅厚度80μm～300μm。但薄膜電池轉(zhuǎn)換效率比晶體硅電池低，目前市場(chǎng)份額還較小。

2.2 太陽能光伏建筑一體化

太陽能光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)即將太陽能發(fā)電產(chǎn)品集成或結(jié)合到建筑上的技術(shù)。其不但具有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，同時(shí)又能產(chǎn)生電能供建筑使用。光伏與建筑一體化（簡(jiǎn)稱BIPV）是“建筑物產(chǎn)生能源”新概念的建筑，是利用太陽能可再生能源的建筑。根據(jù)光伏組件與建筑結(jié)合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：

（1）光伏組件附著在建筑上。這種方式是將光伏組件依附于建筑物上，建筑物作為光伏組件載體，起支承作用。其優(yōu)點(diǎn)是太陽電池板可以在普通流水線上大批量生產(chǎn)，成本低、價(jià)格便宜，既能安裝在建筑結(jié)構(gòu)體上，又能單獨(dú)安裝。其缺點(diǎn)是無法直接代替建筑材料使用，太陽能電池板與建材重疊使用造成浪費(fèi)，施工成本高。

（2）光伏組件與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏組件成為建筑物不可分割的一部分。相比較而言，光伏組件與建筑的集成技術(shù)要求相對(duì)更高，因?yàn)樗粌H用來發(fā)電，而且還要兼顧建筑的防水、保溫、強(qiáng)度等基本功能要求。

要真正實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化，就要使光伏組件作為建筑結(jié)構(gòu)的功能部分，取代部分傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)如屋頂板、瓦、窗戶、建筑立面等，使其成為建筑的有機(jī)組成部分。將太陽能光伏發(fā)電作為建筑的一種體系進(jìn)入建筑領(lǐng)域，做到與建筑同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收。

3 真空玻璃

在建筑中，玻璃是能耗大戶。要提高建筑的保溫性能，提高建筑節(jié)能指標(biāo)，提高玻璃的保溫性能是關(guān)鍵之一。真空玻璃綜合了鍍膜玻璃、中空玻璃的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的真空技術(shù)，在保溫隔熱、防結(jié)露、隔聲、抗風(fēng)壓等方面性能優(yōu)越，形成了超級(jí)節(jié)能玻璃。真空玻璃基于保溫瓶原理，將兩片玻璃四周密封，中間抽真空，間隙為0.1mm～0.2mm，其中置有規(guī)則排列的微小支撐物來承受大氣壓力。由于內(nèi)部是真空層，有效隔絕了熱量傳導(dǎo)與對(duì)流，而Low-E玻璃有效降低了輻射傳熱，因此Low-E真空玻璃的傳熱系數(shù)U 值可降到0.6W/（m2·K）以下，具有較好的保溫隔熱效果。

4 光伏真空玻璃

將真空玻璃與光伏組件結(jié)合在一起用在建筑上，在滿足常規(guī)采光和美學(xué)的基礎(chǔ)上，既能保溫、隔熱、隔聲，又能提供清潔環(huán)保的電能。北京新立基真空玻璃技術(shù)有限公司已制作出薄膜光伏真空玻璃樣品，并進(jìn)行了表面溫度、濕漏電測(cè)試、I-V 測(cè)試和機(jī)械載荷測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，薄膜電池與真空玻璃結(jié)合后，性能基本不變。

5 光伏真空玻璃結(jié)構(gòu)

光伏組件與真空玻璃結(jié)合方式：

（1）晶硅電池與真空玻璃集成時(shí)，一種是真空玻璃整體作為一片玻璃，與另一片鋼化玻璃中間復(fù)合太陽能電池片組成復(fù)合層，電池片之間由導(dǎo)線串聯(lián)或并聯(lián)匯集到引線端，合成夾膠結(jié)構(gòu)。另一種是將鋼化夾層結(jié)構(gòu)作為一塊玻璃，和真空玻璃組成中空結(jié)構(gòu)。

（2）薄膜電池是在玻璃基板上鍍的一層薄膜，與Low-E鍍膜玻璃類似，可以作為一片玻璃使用。與真空玻璃集成時(shí)，直接作為外片玻璃與真空玻璃夾膠。另一種是將薄膜組件作為一片玻璃，與真空玻璃組成中空結(jié)構(gòu)。

6 光伏真空玻璃節(jié)能分析

6.1 真空玻璃的節(jié)能效果計(jì)算

北京新立基真空玻璃技術(shù)有限公司與建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)所合作，共同研究了建筑節(jié)能的計(jì)算方法，開發(fā)了“冬夏季累積評(píng)價(jià)法”，研究玻璃類型見表1。

根據(jù)“冬夏季累積評(píng)價(jià)法”，以同一公共建筑為模型，嚴(yán)寒地區(qū)（哈爾濱）和寒冷地區(qū)（北京）氣候條件為代表，使用真空玻璃窗代替普通白玻窗、普通中空玻璃窗和Low-E中空玻璃窗后，節(jié)約的一次能源消耗和節(jié)約的能源費(fèi)用、相對(duì)節(jié)能率和減排量如圖表2～表4 所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，真空玻璃的節(jié)能量較其它玻璃有明顯優(yōu)勢(shì)，在嚴(yán)寒地區(qū)尤為突出。真空玻璃相對(duì)于其它玻璃，全年的節(jié)能率至少在56%以上，其污染物減排量效果也十分明顯。

6.2 光伏真空玻璃表面溫度研究

由于太陽能電池的溫度效應(yīng)，溫度升高，發(fā)電效率降低。本實(shí)驗(yàn)選擇雙玻夾層組件、光伏中空組件和光伏真空組件，研究光伏組件與真空玻璃結(jié)合后，對(duì)發(fā)電效率的影響。三種光伏組件安裝在試驗(yàn)房的南立面，從左向右依次是夾層組件、光伏真空組件和光伏中空組件，熱電偶直接粘貼在組件的內(nèi)外表面中心位置，如圖1 所示。

用無紙記錄儀連續(xù)記錄光伏組件的內(nèi)外表面溫度和室內(nèi)外環(huán)境溫度。試驗(yàn)房在陽光充足的樓頂，通過空調(diào)控制試驗(yàn)房室內(nèi)環(huán)境溫度。試驗(yàn)選取北京冬天最冷的1 月份進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1) 白天，空調(diào)開，有光照情況。

圖2 為冬季白天有光照，室內(nèi)空調(diào)開的條件下，三種組件外表面中心溫度曲線，從圖中可以看出，在中午11︰00 之前，三種組件外表面溫度相差不大，因此發(fā)電效率也相差不大。11︰00 之后到試驗(yàn)結(jié)束，真空玻璃表面溫度最高，中空玻璃次之，夾層組件溫度最低，原因是光伏組件在吸收太陽能發(fā)電的同時(shí)，自身也產(chǎn)生熱量，并且由于真空玻璃熱阻大，熱量傳導(dǎo)小，所以外表面溫度最高。根據(jù)太陽能電池的溫度效應(yīng)，表面溫度升高，發(fā)電效率下降。

薄膜電池的溫度系數(shù)為-0.22%/℃，即溫度每升高1℃，發(fā)電效率降低0.22%。實(shí)際發(fā)電效率：P_m=P_mo×[1+（T-25℃）]其中，α 為溫度系數(shù)；P_mo為光伏組件額定發(fā)電效率。

表5 為根據(jù)上述公式計(jì)算的三種組件最高溫度下實(shí)際的輸出功率。從表5 可知，雖然真空玻璃組件表面溫度較其它兩種組件高，但實(shí)際發(fā)電效率降低的并不大，比標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電效率相比只降低了3%左右，因此，使用光伏真空玻璃不會(huì)顯著降低光伏組件的發(fā)電效率。

（2）夜晚，空調(diào)開，無光照情況。

圖3 為冬季夜晚無光照，室內(nèi)空調(diào)開的條件下，三種組件內(nèi)表面中心溫度曲線，從圖中可以看出，光伏真空組件內(nèi)表面溫度最高，其次是光伏中空組件，光伏夾層組件溫度最低。在夜晚無光照條件下，內(nèi)部熱量全部來自空調(diào)，光伏真空組件內(nèi)表面溫度最高，減少了熱量損失，保溫性能最好，具有很好的節(jié)能作用。而光伏夾層組件保溫性能差，室內(nèi)熱量源源不斷的從室內(nèi)傳到室外，導(dǎo)致內(nèi)表面溫度降低，熱量大量流失。光伏中空組件的保溫性能介于兩者之間。

7 結(jié)論

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，冬季條件下，使用光伏真空玻璃既不影響光伏組件的發(fā)電效果，又具有較好的保溫作用，因此，將光伏真空玻璃與建筑一體化，既能大幅提高建筑物的保溫、隔熱功效，又能提供清潔環(huán)保的電能，是一種既節(jié)能又發(fā)電的低碳建筑材料。