建筑立面上的光伏發(fā)電幕墻應(yīng)用

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摘要：光伏發(fā)電幕墻在當(dāng)代節(jié)能建筑應(yīng)用中越來越受業(yè)主的喜愛。如何將光伏電板和當(dāng)代建筑立面完美結(jié)合，是光伏電板在建筑中推廣應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文從光伏發(fā)電幕墻與當(dāng)代建筑立面的布置的角度考慮，對光電玻璃在建筑立面上的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)分析和研究，希望為當(dāng)代建筑的智慧、綠色設(shè)計(jì)提供更多支持。

關(guān)鍵詞：太陽能光伏；建筑立面一體化；發(fā)電幕墻；應(yīng)用

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭與環(huán)境保護(hù)的要求，我國大力扶持、鼓勵(lì)新能源的開發(fā)和利用，尤其是太陽能得到了前所未有的發(fā)展。最開始的太陽能是放在屋頂上為用戶提供電力。屋頂可利用面積有限，而當(dāng)代建筑多為高層，這就為立面光伏幕墻提供了很大的機(jī)遇。用光電玻璃替代普通玻璃用于當(dāng)代建筑幕墻中，能夠?yàn)楣夥怆姴Ａ峁┹^大的受光面積，又不需要額外的土地，同時(shí)還能省去光電玻璃的支撐結(jié)構(gòu)，是今后值得發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，也被認(rèn)為是太陽能建筑一體化的發(fā)展方向。太陽能建筑一體化，使建筑本身成為一個(gè)能源的提供者而不是純粹的消耗者，是當(dāng)代綠色、智慧建筑的發(fā)展方向。

1光伏幕墻光電玻璃

光伏幕墻使用的光電玻璃可分為硅基薄膜和碲化鎘（CdTe）薄膜兩大類。

1.1硅基薄膜太陽能電池

凡是以硅為主要材料的薄膜類太陽能電池稱之為硅基薄膜太陽能電池。材料主要為微晶硅與非晶硅，硅基薄膜太陽能電池的硅層厚度僅為晶硅電池的0.5%，約1μm左右。生產(chǎn)硅基薄膜太陽能電池的過程耗能少、無毒、無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)。其產(chǎn)品擁有良好的弱光性，在陰雨天等紫外線低的環(huán)境下，比晶體硅電池有更高的吸收率和更好的高溫性能。相比晶片型電池，它的透光率可調(diào)且更美觀協(xié)調(diào)。它的熱斑效應(yīng)不明顯，受局部光線遮擋影響少，比晶片電池更可靠。硅基薄膜太陽能電池的外觀呈現(xiàn)出紅褐色，是一種偏暖色調(diào)系列，適合于偏暖色系列的建筑使用。

1.2碲化鎘薄膜太陽能電池

在玻璃制品或其它材料上依次沉積多層薄膜而形成的光伏組件稱為碲化（CdTe）薄膜太陽能電池。CdTe是一種具有高吸收系數(shù)的化合物半導(dǎo)體，吸收系數(shù)是硅的100倍，其產(chǎn)品擁有良好的弱光性，對全光譜吸收都較好，所以在清晨、傍晚、陰雨天等紫外線低的環(huán)境下，與晶體硅電池相比有著較高的吸收率和高溫性能。同時(shí)，其溫度系數(shù)低，在高溫工作環(huán)境下受溫度影響導(dǎo)致功率下降幅度較小。相比晶片型電池，它的透光率可調(diào)且更美觀、更協(xié)調(diào)。它的熱斑效應(yīng)不明顯，受局部光線遮擋影響少，比晶片電池更可靠，能夠達(dá)到25年80%以上的輸出功率。CdTe薄膜太陽能電池的外觀呈現(xiàn)出淺灰色，是一種偏冷色調(diào)系列，適合于偏冷色系列的建筑使用。

2光伏發(fā)電幕墻在當(dāng)代建筑立面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

光伏發(fā)電幕墻中的光伏方陣與當(dāng)代建筑立面組合的形式有光伏方陣與立面結(jié)合、光伏方陣與立面集成兩種。根據(jù)不同的結(jié)合方式，建筑立面光伏產(chǎn)生的效果及發(fā)電量有很大的差異。

2.1垂直式

2.1.1垂直光伏幕墻如果與承重結(jié)構(gòu)分離布置，屬于非承載結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。本布置可不受承重結(jié)構(gòu)的影響，光伏幕墻可以建成一層獨(dú)立的外表，按照不同的外表面靈活設(shè)計(jì)。同時(shí)可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，應(yīng)用于商業(yè)綜合體建筑、圖書館和展覽館等建筑的立面。還可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟惹闆r，將建筑立面設(shè)計(jì)成可呼吸的生態(tài)玻璃幕墻，溫度較高時(shí)利用雙層玻璃幕墻的“煙囪效應(yīng)”，減少進(jìn)入建筑內(nèi)的太陽輻射能量，起到保溫隔熱的作用，降低建筑內(nèi)制冷能耗；溫度較低時(shí)利用光伏幕墻的“溫室效應(yīng)”，提高建筑的保溫能力，減少了供熱能耗。

2.1.2結(jié)構(gòu)式光伏幕墻與垂直式幕墻不同，結(jié)構(gòu)式光伏幕墻由光伏構(gòu)件和玻璃共同構(gòu)成，是建筑的立面的兩個(gè)組成部分（如圖2）。結(jié)構(gòu)式光伏幕墻在設(shè)計(jì)過程中，通過選擇光伏板種類和透明度，滿足建筑內(nèi)視線和光伏發(fā)電的要求。建筑立面上安裝透明和半透明的光伏組件在視線范圍內(nèi)，其它位置采用不透明的光伏組件，采用這樣的設(shè)計(jì)可避免光伏幕墻產(chǎn)生的光污染等問題。

2.2傾斜式

2.2.1鋸齒式垂直幕墻鋸齒式垂直幕墻可設(shè)計(jì)成橫向和豎向布置。通常建筑在設(shè)計(jì)過程中，受位置和周圍場地等條件的影響，建筑局部采用水平鋸齒狀布置(如圖3)來解決朝向和景觀問題。這樣既使建筑立面多樣化、增強(qiáng)立面的紋理感，同時(shí)也有利于對太陽輻射的利用。采用這種幕墻布置不僅對幕墻的結(jié)構(gòu)要求高、施工復(fù)雜而且存在難清理等問題。豎直鋸齒狀（如圖4）優(yōu)點(diǎn)是能夠使光伏幕墻獲得更大的受光面積，排列錯(cuò)落有致、韻律感強(qiáng)。同時(shí)為了滿足采光和光伏電板的安裝要求，解決視線和遮陽問題，建筑的窗戶和墻體在人視線范圍以下部分向下傾斜布置；在視線以上的部分設(shè)計(jì)光伏組件，實(shí)現(xiàn)建筑能源供應(yīng)。

2.2.2傾斜式光伏幕墻建筑外表面立面采用傾斜處理是當(dāng)代建筑常用的方法。傾斜建筑體不僅造型獨(dú)特、視覺沖擊力強(qiáng)，又增加了光伏受光面增大發(fā)電量。對于當(dāng)代建筑比如商業(yè)綜合體建筑、博物館和展覽館等，在滿足相關(guān)功能前提下，如果將南立面傾斜設(shè)計(jì)，這樣光伏組件就形成了傾斜式光伏幕墻(見圖5)，這樣就實(shí)現(xiàn)建筑的能源供應(yīng)。

2.3獨(dú)立式光伏幕墻

在當(dāng)代的新建建筑和既有建筑節(jié)能改造中比較常見獨(dú)立式光伏幕墻。它是使用太陽能光伏板作為遮陽板與建筑立面一體化設(shè)計(jì)(見圖6)。建筑窗戶考慮當(dāng)?shù)靥柛叨冉恰⒄陉栃屎褪覂?nèi)采光需求等情況，采用光伏板遮陽。選擇不透明、半透明的光伏組件來控制太陽輻射量，這樣就達(dá)到遮陽和采光的要求，同時(shí)利于室內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)，從而降低了制冷的能耗。

3經(jīng)濟(jì)分析

參考上海某建筑光伏立面幕墻的案例：立面光伏幕墻面積約1700m2，南面立墻布置為垂直光伏幕墻，總裝機(jī)量為120kW,一年可發(fā)電14.3萬kWh，可節(jié)能約50tce，年均減少二氧化碳排放約140t，年均減少二氧化硫排放1t，年均減少氮氧化物0.7t，相當(dāng)于為城市種了10000棵綠樹。可以看出光幕幕墻能產(chǎn)生可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4結(jié)語

通過將光伏組件與建筑立面的不同方式的組合，使光伏發(fā)電幕墻成為建筑的有機(jī)組成部分，達(dá)到能源與建筑的完美結(jié)合。因此光伏發(fā)電幕墻在當(dāng)代建筑立面的應(yīng)用研究和推廣中，我們首先應(yīng)該由常規(guī)的設(shè)計(jì)思想向綠色、智慧建筑的方向轉(zhuǎn)變。其次，應(yīng)根據(jù)當(dāng)代建筑立面實(shí)際情況，開發(fā)適應(yīng)當(dāng)代建筑立面光伏幕墻的構(gòu)造技術(shù)，使建筑本身成為一個(gè)能源的提供者而不是純粹的消耗者。光伏發(fā)電幕墻在當(dāng)代建筑立面上的應(yīng)用是當(dāng)代綠色、智慧建筑的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]于波,韓帥,吳翠姑,等.光伏建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新[J].電氣技術(shù),2009(8):120-121.

作者：謝龍 單位：陜西鼓風(fēng)機(jī)有限公司