光電幕墻及光電屋頂（摘錄）

　　1 前 言

　　光電幕墻（屋頂）是將傳統幕墻（屋頂）與光生伏打效應（光電原理）相結合的一種新型建筑幕墻（屋頂）。主要是利用太陽能來發電的一種新型的綠色的能源技術。

　　能源是人類生存和發展的基礎，傳統的能源是以消耗地球的有限資源，同時又污染人類生存環境為代價來生產的，20世紀70年代全球的能源危機，使世界很多國家清醒地認識到：太陽能是一種綠色（清潔，無污染）豐富的自然能源，爭相加以開發和研究，因而太陽能電池從人造衛星發電開始向地面發電普及和應用（表1），據不完全統計，1999年全世界太陽能電池的年產量已超過2億峰瓦（MWP）（圖1和圖2），但其年產量與世界能源總需求相比仍然相差甚遠，為了在21世紀能得到突破性發展，一些國家正在圍繞制約太陽能電池地面大規模普及應用的一些根本問題進行研究，其中一個問題就是接收面積問題，因為太陽能是分散的，為了提供所需的能源，必須有足夠的接受面積。據測算：為了滿足2000年全球電力的需求，以太陽能電池轉換率10%計算，需要的面積為840km×840km=705600km2，這相當于德國和意大利兩個國家的面積。

　　太陽能電池的五種應用領域:

應用領域	成本效應	標準系統	市場潛力
人造衛星的發電系統	佳，最早的太陽能發電應用	數百到千瓦	量小，但發展穩定
發展中國家居家用的太陽能系統	佳，市場呈穩定成長	5瓦至5000瓦	預估世界上有十億人口沒有電網供應電力
工業應用	利潤最高的太陽能應用。	5瓦特至1，500瓦	公路的急救電話、公路標志、微波自動轉換裝置、電欄桿、街燈等
已發展國家建立建筑物整體性的太陽能系統（Building Intergrated Photovoltaiacs）	依據電力成本及政府輔助金而定	2，000瓦至300，000瓦	美國、日本和德國發展他們已經宣布的「屋頂方案」，市場將超過每年1，000萬瓦
中央電力供應站	太貴，平常電價三倍。	一百萬瓦至上千百萬瓦	視石油價格及環保要求而定

圖一：全世界1966年~1999年太陽能電池產量（單位MWP）

圖二：世界主要太陽能電池公司1991年~1998年產量(單位MWP)

　　我國1995年的發電量約為1億MW?h，如果全部用太陽能電池發電，其接收面積約為12500km2，比天津市還要大。以上數值表明，所需的面積是相當可觀的，利用建筑幕墻（屋頂）和太陽能電池相結合是解決接受面積的主要途徑，應用方式有下列幾種：

　　德國慕尼黑商貿中心的6座大廈都裝光電屋頂，共有7812個框架光電板，每個光電板共有84個單晶硅太陽能電池，輸出功率為130w，光電板總和峰值功率為1.016kw，光電板占屋頂面積58%，發出的直流電經過逆變電器送至2萬伏中壓電網，預計壽命20年，可減少2萬噸的CO2排放量。（見Phptovoltaics Inside Report 1998  17（9）：3）。現在全世界能源約4/5由含碳的礦物燃料產生，如果其用量年增長率為3%，預計到2020年全世界的CO2排放量將增加40%，對人類生成環境將產生災難性后果，多次國際會議都在研討減少CO2排放量和發展綠色能源問題。光電幕墻（屋頂）的發展理所當然地被列為21世紀重要綠色能源。

　　美國制訂了百萬光電屋頂幕墻計劃（表2）。德國于1999年開始10萬光電屋頂光電幕墻計劃，預計在6～8年完成，每個系統定為5kw，總容量可達500MW。日本截止于1997年已建立1600個光電屋頂，容量為37MW。預計到2010年，太陽能電池產量將達到1800MW/年以上，年產值將超過42億美元。光伏系統保有量預計為：美國757MW，歐洲618MW，日本174MW。

指標      年代	1997	1998	1999	2000	2005	2010
參加城市數	10	25	50	75	200	325
太陽能建筑物（千個）	2	8.5	23.5	51	376	1014
屋頂當量系統（kw）	1	1	1	2	3	4
光伏總容量（Mw）	1	6.5	15	55	270	610
單位成本（美元/Wp）	6.5	5.7	4.9	4.3	2.9	2.0
總的CO2的減少（千噸）	2	13	39	111	1037	3510

 

 

 

 

 

 

 

 

　　我國擁有豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能為50×10¹⁸KJ，相當于1700億t標準煤，每年日照時間大于2000h，輻射總量高于586KJ/m²的太陽能資源豐富地區和較豐富地區占全國總面積的2/3（表3、圖3）。我國是耗能大國，建筑能源浪費更加突出。建筑能耗占全社會總能耗的25%，其中建筑采暖、空調、照明占14%，建筑建造能耗為11%，今后比例還可能有所上升。我國建筑能耗是相同氣候條件發達國家的2至3倍，在全面建設小康社會的進程中，建設系統資源節約的任務十分艱巨。把資源節約、降低消耗放在突出位置，建筑節能是提高住宅舒適度、降低運行費用的基礎，也是可持續發展的迫切要求。我國與國外先進水平的差距，不在材料和技術上，而是在設計標準和標準的落實上。建立以強制性標準為主體、推薦性標準為補充的建筑節能標準體系，新建建筑全面執行節能標準，建筑能耗減少50%。加大對建筑節能的檢查力度，對違反規定的建設項目，已完工的不予驗收備案并責令改。節能的65%主要由建筑圍護系統承擔。通過建筑一體化設計，推廣應用光電幕墻（屋頂）的有效途徑。盡管目前我國光電幕墻（屋頂）市場正在方興未艾，但它具有強大的潛在市場，我們有理由預計，中國的光電幕墻\光電屋頂及光電工程在21世紀將會得到迅猛的發展。

MJ/（m²·a）——兆焦/（平方米·年）

          圖二十三: 中國太陽能資源分布圖

　　2  光電電池基本原理

　　光電幕墻（屋頂）的基本單元為光電板，而光電板是由若干個光電電池（又名太陽能電池）進行串、并聯組合而成的電池陣列，把光電板安裝在建筑幕墻（屋頂）相應的結構上就組成了光電幕墻（屋頂）。

　　2.1  光電現象

　　1983年，法國物理學家A.E貝克威爾觀察到光照在浸入電解液的鋅電板產生了電流，將鋅板換成帶銅的氧化物半導體，其效果更為明顯。1954年美國科學家發現從石英提取出來的硅板，在光的照射下能產生電流，并且硅越純，作用越強，并利用此原理做了光電板，稱為硅晶光電電池。

　　2.2  硅晶光電電池分類

　　硅晶光電電池可分為單晶硅電池\多晶硅電池和非硅晶電池。

單晶硅光電電池：
表面規則穩定，
通常呈黑色,
效率約14~17% 

多晶硅光電電池：                     
結構通常清晰，呈蘭色
效率約12~14% 

非硅晶光電電池：
透明，不透明或透明
透過12%的光時，顏色

　　2.3  硅晶光電電池原理

　　硅晶光電電池的原理是基于光照射到硅半導體PN結而產生的光伏效應（Photovoltraic Effect，縮寫為PV），它的外形結構有圓形的和方形的兩種。

圖二十七 硅太陽電池結構

　　這是一種N+/P型光電電池，它的基本材料為P型單晶硅，厚度在0.4mm以下，上表面是N型層，是受光層，它和基體在交界面處形成一個PN結，在n型層上面制作金屬柵線，作為正面柵狀電極（負極），在整個背面也制作金屬膜，作為背面金屬電極（正極），這樣就形成晶體硅光電電池。為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜。

　　當N型半導體和P型半導體緊密接觸時，在交界處形成PN結：N型半導體的電子和P型半導體的空穴，都會向對方擴散，從而形成一個內建電場。當光照射到PN結時，如果光子的能量大于禁帶寬度（對硅而言，其數值為1.1ev），滿帶中的電子就會被激發到導帶中去，形成由N區流向P區的內光致電流，光致電流使N和P區分別積累了負電荷和正電，從而在PN結上形成附加的電勢差，這就是光生伏打效應（PV），如果將PN結兩端與外電路相連，負載便會有電流通過。

　　2.4  光電電池（太陽電池）的效率

　　太陽電池的效率是指太陽電池的輸出功率PM與投射到太陽電池面積上的功率Ps之比，其值取決于工作點。通常采用的最大值作為太陽電池的效率，即

　　如果太陽電池不工作于最大功率點，則太陽電池的實際效率都低于按此定義的效率值，實際效率可能更低。

　　影響太陽電池的效率的因素很多，如日照強度、光譜、溫度等，只有當這些因素都確定時，太陽電池的效率才能被確定。下面分別討論上述三種因素對太陽電池效率的影響：日照強度S：其單位是w/㎡，在大氣層之外其值最大，稱為太陽常數。在大氣層之外的日照強度為S≈1.37kw/㎡。在地球表面的S值通常在零到1kw/㎡之間變化。圖二十九繪出了一簇以多種不同S值為參數的特性曲線。由圖可見，短路電流I_SC隨著日照度S的變化而有較大改變，而空載電壓V_OC僅是隨著S的變化而略有變化。如果進行粗略的簡化，可以表示為（IM為負載最佳工作點的電流）：

η=η_mp≈ LnS

　　由上式可以看出，效率η僅是隨著日照強度S的變化而微弱地變化，它們的關系是近似的對數關系。當太陽電池的最佳工作點始終保持在它的最大功率點上時，太陽電池具有相當好的“部分負荷特性”，既它帶有部分負荷時的效率不見得會比它帶有額定負荷時的效率小。

　　光線的波長λ或頻率f ：在非單色光的照射下，太陽電池的效率和光譜特性有關。由于地球表面上日照光譜既取決與測量瞬間的天氣條件（云、霧、空氣、濕度等）。因為在每一天中對應的時間不同，太陽光線與地球表面的夾角即日照投射的傾角θ不同，因此地球表面的日照光譜取決于日照投射的傾角θ。當θ不同的時候，太陽光在大氣中所經過的距離不同，即大氣質量AM不一樣，則太陽光譜曲線就不一樣。因此，需要給定太陽電池在某一光譜下的效率時，應該在相應的大氣質量下給定。

　　太陽電池的效率還和溫度有關。太陽電池具有負的溫度系數，即太陽電池的效率隨著溫度的上升而下降。圖7給出了日照強度為1kw/㎡，而溫度變化范圍為20～70℃時效率變化的情形。可用下面的公式近似表示：

　　上式中，ηO=0.1，TO =0℃；α=0.0049/℃。可以看出，溫度每升高10℃，其效率大約降低5%。由上述我們可以看出，太陽電池的效率和很多因素有關。當我們定義太陽電池的效率的時候，必須確定它的工作環境才能夠得出明確的效率值。

　3  光電板

　　3.1  基本結構

　　上層一般為4mm白色玻璃，中層為光伏電池組成光伏電池陣列，下層為4mm的玻璃，其顏色可任意，上下兩層和中層之間一般用鑄膜樹脂（EVA）熱固而成，光電電池陣列被夾在高度透明，經加固處理的玻璃中，在背面是接線盒和導線。模板尺寸：500mm×500mm至2100mm×3500mm。從接線盒中穿出導線一般有兩種構造：照片所顯示的構造，是從接線盒穿出的導線在施工現場直接與電源插頭相連，這種結構比較適合于表面不通透的建筑物，因為僅外片玻璃是透明的；照片所顯示的構造是導線從裝置的邊緣穿出，那樣導線就隱藏在框架之間，這種結構比較適合于透明的外立面，從室內可以看見此裝置。

　　3.2  光電幕墻的基本結構

　　光電模板安裝在建筑幕墻（屋頂）的結構上則組成光電幕墻，一般情況下，建筑幕墻的立柱和橫梁都是采用斷熱鋁型材，除了要滿足JGJ102規范和JG3035標準要求之外，剛度一般高一些為好，同時，光電模板要能夠便于更換。

　　4  光電幕墻(屋頂)光電面積設計計算

　　4.1  光電幕墻(屋頂)一般電學結構

　　光學幕墻(屋頂)結構設計可按照玻璃工程技術規范(JGJ102)、建筑玻璃應用技術規程(JGJ113)等有關標準和規范進行,這里簡介其電學設計。光電幕墻(屋頂)電學結構一般采用單路自然能——單蓄電池結構，其結構圖如下

　　光電幕墻（屋頂）所產生的電能，經過輸入電能變換器，轉換成能蓄電池組要求的充電電壓和充電電流，向蓄電池充電，蓄電池容量按用戶要求的無太陽天氣連續供電天數進行設計；輸出電能變換器，將蓄電池組中的直流電能轉換成負載要求的電壓和電流及電能形式，向負載供電。有些國家由于光電幕墻（屋頂）發出電量，經過逆變器后可并入電網，可以不設蓄電池組，中國目前還做不到這一點，所以建議采用電池組。在陰雨天氣或太陽光少的情況下，也能保證一段時間的連續供電，由于輸入電能變換器和輸出電能變換器互相獨立，其設計更為容易，光能的波動對供電質量幾乎沒有影響。

　　4.2  光電幕墻(屋頂)產生電能的計算公式:

　　PS=H×A×η×K  ————————————（1）
　　PS——光電幕墻（屋頂）每年生產的電能（MJ/a）；
　　H——光電幕墻（屋頂）所在地區，每1㎡太陽能一年的總輻射能（MJ㎡/?a），可參照圖3查取；
　　A——光電幕墻（屋頂）光電面積（㎡）；
　　η——光電電池效率，建議如下：
　　單晶硅：η=12%
　　多晶硅：η=10%
　　非晶硅：η=8%
　　K——參正系數；
　　K=K1·K2·K3·K4·K5·K6
　　各分項系數建議值如下：
　　K1——光電電池長期運行性能參正系數，K₁=0.8；
　　K2——灰塵引起光電板透明度的性能參正系數，K₂=0.9；
　　K3——光電電池升溫導致功率下降參正系數，K₃=0.9；
　　K4——導電損耗參正系數，K₄=0.95；
　　K5——逆變器效率，K₅=0.85；
　　K6——光電模板朝向修正系數，其數值可參考表4選取。

　　光電板朝向與傾角的修正系數K₆         表4

幕墻方向	光電陣列與地平面的傾角
	0°	30°	60°	90°
東	93％	90％	78％	55％
南-東	93％	96％	88％	66％
南	93％	100％	91％	68％
南-西	93％	96％	88％	66％
西	93％	90％	78％	55％

　　4.3  光電幕墻（屋頂）光電面積計算舉例：

　　　　H=50MJ/m2a= 5000×106J/m2·a

　　　

　　5  光電幕墻（屋頂）安裝與維護

　　5.1  安裝地點要選擇光照比較好，周圍無高大的物體遮擋太陽光照地方，當安裝面積較大的光電板時，安裝地方要適當寬闊一些，避免碰損光電板。

　　5.2  通常光電板總是朝向赤道，在北半球其表面朝南，在南半球其表面朝北。

　　5.3  為了更好利用太陽能，并使光電板全年接受太陽輻射量比較均勻，一般將其傾斜放置，光電電池陣列表面與地平面的夾角稱為陣列傾角。

　　5.4  當陣列傾角不同時，各個月份光電板表面接受到太陽輻射量差別很大。有的資料認為：陣列傾角可以等于當地的緯度，但這樣又往往會使夏季光電陣列發電過多而造成浪費，而冬天則由于光照不足而造成虧損。也有些資料認為：所取陣列傾角應使全年輻射量最弱的月份能得到最大的太陽輻射量，但這樣又往往會使夏季削弱過多而導致全年得到的總輻射量偏小。在選擇陣列傾角，應綜合考慮太陽輻射的連續性，均勻性和冬季極大性等因素。大體來說，在我國南方地區，陣列傾角可比當地緯度增加10°～15°；在北方地區，陣列傾角可比當地緯度增加5°～10°。

　　5.5  光電幕墻（屋頂）的導線布線要合理，防止因布線不合理而漏水，受潮，漏電，進而腐蝕光電電池，縮短其壽命；為了防止夏天溫度較高影響光電電池的效率，提高光電板壽命，還應注意光電板的散熱。

　　5.6  光電幕墻（屋頂）安裝還應注意以下幾點：

　　安裝時最好用指南針確定方位，光電板前不能有高大建筑物或樹木等遮蔽陽光。

　　仔細檢查地腳螺釘是否結實可靠，所有螺釘、接線柱等均應擰緊，不能有松動。

　　光電幕墻和光電屋頂都應有有效的防雷、防火裝置和措施。必要時還要設置驅鳥裝置。

　　安裝時不要同時接觸光電板的正負兩極，以免短路燒壞或電擊，必要時可用不透明材料覆蓋后接線、安裝。

　　安裝光電板時，要輕拿輕放，嚴禁碰撞、敲擊，以免損壞。注意組件、二極管、蓄電池、控制器等電器極性不要接反。

　　5.7  光電幕墻（屋頂）每年至少進行兩次常規性檢查，時間最好在春天和秋天。在檢查的時候，首先檢查各組件的透明外殼及框架，有無松動和損壞。可用軟布、海綿和淡水對表面進行清洗除塵，最好在早晚清洗，避免在白天較熱的時候用冷水沖洗。

　　除了定期維護之外，還要經常檢查和清洗，遇到狂風、暴雨、冰雹、大雪等天氣應及時采取防護措施，并在事后進行檢查，只有檢查合格后再正常使用。

　　光電幕墻（屋頂）在中國的大規模推廣應用，除了有關研究開發機構及公司企業進一步努力之外，很重要的一個方面，還需要政府有關機構和部門對其重要性和迫切性進一步提高認識，進一步擴展其戰略規劃和發展計劃，進一步制訂有效的扶持政策和措施，進一步加強指導和引導，使光電幕墻、光電屋頂在不太長的時間內，大規模合理應用，大規模健康發展。

　　主要參考文獻

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　　2．主編：雷永泉. 副主編：萬群、石永康.新能源材料.天津：天津大學出版社
　　3．文/左元淮，林瓊輝，王疏君.晶體硅太陽電池.臺灣電子月刊第六卷二月專輯
　　4．陳澤民主編.近代物理與高技術物理基礎.北京：清華大學出版社
　　5．德國旭格集團.用光電材料構造幕墻和發電
　　6．SGG PROSOL；BUILDING INTEGRETED PHOTOVOLTAIC  SOLUTIONS
　　7．IN DETAIL BUILDING SKINS CONCEPTS LAYERS MATERIALS Birkhauser- Publishers for Architecture Basel?Boston?Berlin

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