光伏真空玻璃在建筑節(jié)能中的應用

近年來，光伏技術在建筑上的應用得到了快速發(fā)展。光伏建筑一體化（BIPV）是太陽能光伏與建筑的完美結合，是光伏發(fā)電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，能有效減輕公共電網的壓力。“開源節(jié)流”是解決能源問題的唯一選擇。常規(guī)光伏組件與建筑結合實現了開源，卻沒達到節(jié)流的目的。其原因是玻璃熱工性能差，主要指標之一傳熱系數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），遠高于一般墻體的傳熱系數，使內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)電力負荷；另一方面，利用真空玻璃較低的傳熱系數，減少供暖和空調制冷期消耗的電力，達到開源節(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或光化學效應直接把光能轉化為電能的裝置。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，具有轉換效率高（為16%～18%）、穩(wěn)定性好的特點，是目前技術最成熟、應用最廣泛的太陽能光伏產品，占據世界光伏市場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、塑膠等廉價襯底上鍍的一層薄膜，鍍膜厚度可薄至2μm，遠低于晶體硅厚度80μm～300μm。但薄膜電池轉換效率比晶體硅電池低，目前市場份額還較小。

2.2 太陽能光伏建筑一體化

太陽能光伏建筑一體化（BIPV）技術即將太陽能發(fā)電產品集成或結合到建筑上的技術。其不但具有外圍護結構的功能，同時又能產生電能供建筑使用。光伏與建筑一體化（簡稱BIPV）是“建筑物產生能源”新概念的建筑，是利用太陽能可再生能源的建筑。根據光伏組件與建筑結合的方式不同，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)點是太陽電池板可以在普通流水線上大批量生產，成本低、價格便宜，既能安裝在建筑結構體上，又能單獨安裝。其缺點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，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，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要求相對更高，因為它不僅用來發(fā)電，而且還要兼顧建筑的防水、保溫、強度等基本功能要求。

要真正實現光伏建筑一體化，就要使光伏組件作為建筑結構的功能部分，取代部分傳統建筑結構如屋頂板、瓦、窗戶、建筑立面等，使其成為建筑的有機組成部分。將太陽能光伏發(fā)電作為建筑的一種體系進入建筑領域，做到與建筑同步設計、同步施工、同步驗收。

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，提高玻璃的保溫性能是關鍵之一。真空玻璃綜合了鍍膜玻璃、中空玻璃的技術優(yōu)勢，結合具有自主知識產權的真空技術，在保溫隔熱、防結露、隔聲、抗風壓等方面性能優(yōu)越，形成了超級節(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。由于內部是真空層，有效隔絕了熱量傳導與對流，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合在一起用在建筑上，在滿足常規(guī)采光和美學的基礎上，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有限公司已制作出薄膜光伏真空玻璃樣品，并進行了表面溫度、濕漏電測試、I-V 測試和機械載荷測試。測試結果表明，薄膜電池與真空玻璃結合后，性能基本不變。

5 光伏真空玻璃結構

光伏組件與真空玻璃結合方式：

（1）晶硅電池與真空玻璃集成時，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合太陽能電池片組成復合層，電池片之間由導線串聯或并聯匯集到引線端，合成夾膠結構。另一種是將鋼化夾層結構作為一塊玻璃，和真空玻璃組成中空結構。

（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，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構。

6 光伏真空玻璃節(jié)能分析

6.1 真空玻璃的節(jié)能效果計算

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

根據“冬夏季累積評價法”，以同一公共建筑為模型，嚴寒地區(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)約的能源費用、相對節(jié)能率和減排量如圖表2～表4 所示。

從以上計算結果可知，真空玻璃的節(jié)能量較其它玻璃有明顯優(yōu)勢，在嚴寒地區(qū)尤為突出。真空玻璃相對于其它玻璃，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，溫度升高，發(fā)電效率降低。本實驗選擇雙玻夾層組件、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合后，對發(fā)電效率的影響。三種光伏組件安裝在試驗房的南立面，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)記錄光伏組件的內外表面溫度和室內外環(huán)境溫度。試驗房在陽光充足的樓頂，通過空調控制試驗房室內環(huán)境溫度。試驗選取北京冬天最冷的1 月份進行。試驗結果如下：

(1) 白天，空調開，有光照情況。

圖2 為冬季白天有光照，室內空調開的條件下，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 之后到試驗結束，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，自身也產生熱量，并且由于真空玻璃熱阻大，熱量傳導小，所以外表面溫度最高。根據太陽能電池的溫度效應，表面溫度升高，發(fā)電效率下降。

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

表5 為根據上述公式計算的三種組件最高溫度下實際的輸出功率。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，但實際發(fā)電效率降低的并不大，比標準發(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顯著降低光伏組件的發(fā)電效率。

（2）夜晚，空調開，無光照情況。

圖3 為冬季夜晚無光照，室內空調開的條件下，三種組件內表面中心溫度曲線，從圖中可以看出，光伏真空組件內表面溫度最高，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，內部熱量全部來自空調，光伏真空組件內表面溫度最高，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，室內熱量源源不斷的從室內傳到室外，導致內表面溫度降低，熱量大量流失。光伏中空組件的保溫性能介于兩者之間。

7 結論

從上述試驗結果可知，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。