【幕墙技术】光电玻璃与幕墙技术结合形成光电

  摘要：本文主要论述了太阳能光电玻璃、幕墙技术及其结合形成的光电幕墙玻璃。

  地球上每平方米土地每年所获得的太阳直射光和斜射光平均为1000kW·h，在能源紧缺的今天，怎么样才可以有效利用太阳赋予我们的宝贵财富呢？早在1883 前， 人们就发现了利用光照使浸入电解液的锌电板产生电流。到了1954年，美国研究人员使用元素硅取得巨大成就，光电模板首先被用在宇宙航行上。现在，国家大力建设节约型社会，提倡各个行业的节能减排，人们越来越关注健康环保，绿色环境意识日益增强；所以，太阳能———人类所能利用的最洁净，无污染的自然能源之一，自然的进入了我们生活的每个部分。随着城市的发展，一栋栋高楼大厦十分的壮观，不过怎么样才可以让其在高大的形状上发挥节能、环保的作用呢？这又成为了一个十分有意义的话题。

  顾名思义太阳能光电玻璃就是光能、电能和玻璃的有机结合体，利用电能使玻璃兼具光亮和通透性。光电玻璃作为一种新型的环保节能材料，广泛适用于各种工程，大型建筑、室内装潢设计、娱乐场所、户外广告展示应用等方面。

  光电玻璃由低铁玻璃、太阳能光电模块、背面玻璃、特殊金属导线、EVA胶等组成，它是用一片低铁玻璃和背面玻璃通过EVA胶片的作用把太阳能光电模块密封在两片玻璃的中间，是一种最新颖的建筑用高科技玻璃产品。采用低铁玻璃覆盖在太阳能光电模块上，以确保有更好的光线透过率，产生更多的电能。经过钢化处理的低铁玻璃具有更高的强度，能承受更大的风压及较大的昼夜温差变化。EVA的使用增强了太阳能光电模块的安全性，同时也不会降低太阳能光电模块的功效。（注：EVA是一种聚烯烃塑料）

  光伏玻璃是一种通过层压入太阳电池，能利用太阳辐射发电，并具有相关电流引出装置以及电缆的特种玻璃。它有着美观、透光可控、节能发电且它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染的优点，应用十分普遍，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光伏玻璃建筑顶棚，以及光伏玻璃幕墙等等。光伏玻璃可分为晶体硅光伏玻璃和薄膜光伏玻璃两大类，其中幕墙最常用的是晶体硅类。按特性又分单晶硅、多晶硅和无定型硅电池三类，其物理性能不同，外表形状、颜色、太阳能电池转化效率也有很大的差别。能够准确的通过不同的建筑效果和想要实现电能转化量的要求来选不一样的太阳能电池板。其中一种光伏玻璃是由玻璃－PVB（EVA）胶膜－太阳电池－PVB（EVA）胶膜－玻璃共5层组成，类似于建筑上常用的夹胶玻璃，具有非常好的安全性。能够最终靠控制双面玻璃之间的电池间隙和边缘空隙，来制成5%～80%透光率的光伏玻璃。中空光伏玻璃是将中空玻璃的外层玻璃替换成双玻夹胶光伏组件，在生产的基本工艺上比双玻夹胶光伏组件多一些合成中空的步骤。并无本质区别。由于晶体硅光伏组件在高温时的发电效率会下降一些，因此中空光伏组玻璃一般在非高温地区使用较多。薄膜光伏玻璃的特点是重量轻、厚度薄、可弯曲、易携带，弱光性好，在早晚光线弱的情况下，发电效果优于单晶硅电池，但并没有传统硅晶电池转化效率高。

  无论是规整的矩阵，还是满天的星光。色彩随心而定，变化层出不穷。产品还用於标志、隔断、顶棚、内外墙面，艺术效果更为丰实。

  LED视频玻璃是采用独特的创新技术将LED光源复合嵌入玻璃内，使电光技术和传统玻璃融为一体，既保留玻璃的透光特性，又能展示动画及各种炫丽的色彩，极大的提升了玻璃的应用范围。

  LED是世纪新光源，它能够直接将电能转化为光能，且拥有最长达8万小时之后的常规使用的寿命，同时具有省电、环保无汞、体积小反应快速、高耐震、可应用在低温度的环境、光源具方向性、光害少、色彩饱和度高与色域丰富等优点

  使用透明电路，通电後内置LED灯源发光，除光源点外玻璃依然发光。关闭电源後与普通玻璃无异。在室内（或暗处），画面效果清晰绚丽。在强日光下，画面依然清晰可见。无尺寸局限（可按需进行超大尺寸制作）、无形状。

  基于光照射到硅半导体PN 结而产生的光伏效应（Photovoltraic Effect，缩写为PV），它的外形结构有圆形的和方形的两种。这是一种N/P 型光电电池，它的基本材料为P 型单晶硅， 厚度在0.4mm 以下，上表面是N 型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个PN 结，在N 型层上面制作金属栅线，作为正面栅状电极（负极），在整个背面也制作金属膜，作为背面金属电极（正极），这样就形成晶体硅光电电池。为减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。当N 型半导体和P 型半导体紧密接触时，在交界处形成PN 结：N 型半导体的电子和P 型半导体的空穴，都会向对方扩散，从而形成一个内建电场。当光照射到PN 结时，如果光子的能量大于禁带宽度（对硅而言，其数值为1.1ev），满带中的电子就会被激发到导带中去，形成由N 区流向P 区的内光致电流，光致电流使N和P 区分别积累了负电荷和正电， 从而在PN 结上形成附加的电势差，这就是光生伏打效应（PV），如果将PN 结两端与外电路相连，负载便会有电流通过。这样的一个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

  光电玻璃是一种具有入射光线减反射作用的新型高科技玻璃组合，它起到减少光污染的作用，同时，增加了光的吸收率，提高了太阳能光电模块的作用，减少温室效应。

  光电玻璃能够大大减少室外热量的渗入，也能够大大减少室内能量的向外辐射和传导量，减少夏季冷气的供应和冬天暖气的补充，起到节能的作用。

  光电玻璃是一种采用EVA胶片把太阳能光电模块胶合在中间的建筑用玻璃产品，EVA胶片的应用有效地降低了室外的噪音量，能够更好的降低约30dB。同时光电玻璃自身在运行、产生电能的过程中不产生任何噪音，是一种安静的能量发生器。

  光电玻璃是一种夹层玻璃，它不但具有利用光线产生电能的作用，同时具有建筑夹层玻璃破碎后不飞溅的优点，是一种安全的建筑用玻璃产品，同时光电玻璃能承受最大风速：200km/h，工作时候的温度可经受-45℃至+95℃的变化。

  光电玻璃具有美化建筑装扮修饰的效果。可以整面玻璃幕墙和玻璃天棚全部采用光电玻璃，和蓝天白云相映；也可以在透明的玻璃幕墙或玻璃天棚中点缀穿插，构成各种美丽的几何图案。

  光电玻璃拥有非常良好的透光率（18%），而半透明型光电玻璃的透光率更可达30%，它克服了一般光电产品的不透明或极低透光率的弱点，使得光电玻璃产品大规模应用于建筑玻璃幕墙和玻璃天棚成为现实。

  随着观念的改变及政府的推动作用，人们越来越关注健康，绿色环境意识日益增强，科技发展进步已将光电模板装入幕墙中变为可能，使用光电幕墙的时候到了。进入90年代后，随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视，一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划，并提出了“建筑物产生能源”的新概念，由此推动了光电技术的大规模开发与应用。美国、日本、德国、意大利、印度等许多国家都已建有太阳能屋顶或外墙的建筑。在1991年慕尼黑最大的建筑行业展览会上，德国的旭格公司首先展出了光电幕墙，这是一个发展项目，也是将光能应用于建筑装饰业的开始，引起了专业技术人员的关注。光电幕墙还提供了一种与众不同的造型，因为这是科技发展进步的标志，也是企业文化不可或缺的一个要素。

  现代建筑物提倡节能和环保的概念，而作为主要外装饰项目的玻璃幕墙，也就相应的产生了新的体系—原理：太阳光照射在光电幕墙的玻璃面板内的太阳能电池板上，太阳能电池板组件方阵所产生的直流电，通过导线传输到并网逆变器，输出单相或三相交流电进入城市电网，也可提供建筑自身用电的需求，达到原地发电，原地用电的目的，同时对城市电网也有“削峰填谷”的作用。

  光电玻璃幕墙与普通玻璃幕墙的唯一区别是其面板材料为太阳能光电玻璃。光电幕墙技术是一种集发电、隔音、隔热、装饰等功能于一身的新型建筑幕墙，充足表现了建筑智能化的特点。它非常大程度上减轻了环境的负担，同时也满足建筑的物理需求，比如阻燃、保暖、隔热等。光电幕墙装了光电模板后，可节省传统的建筑材料，比如，光电模板可代替抛光的自然建材，并且光电幕墙的生产、使用直至报废都能轻松实现对环境的无污染。光电板成分中没有有毒物质，不会在建筑物起火时出现任何诸如释放有毒气体等危险。重要的是光电幕墙在具有普通幕墙功能的同时，还可以把光能转换成电能，这种能源生产型幕墙是幕墙技术发展的最新代表。目前，世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812 块西门子单晶硅组件组成方阵， 每块功率130W，总容量超过1MW，所发电力与20kV 电网相联，每年能发电100 万千瓦时，足够340 户德国家庭使用。光电幕墙技术可用于建筑物外表装饰的许多方面，安装时要放置在建筑物中受阳光照射时间比较久的部位，例如建筑物面朝南方向的幕墙，采光棚及遮阳棚等部位，以保证太阳能电池的效率。光电幕墙的经济效益是显而易见的。光电幕墙虽然具有较强的节能功效，但由于造价昂贵，尚未被普遍的使用。相信，在不久的将来，这种优异的节能建筑装饰形式必将在未来建筑中放出异彩。

  简单一点的说光电幕墙，即用特殊的树脂将太阳电池粘贴在玻璃上，镶嵌于两片玻璃之间，通过电池可将光能转化成电能.这就是--太阳能光电幕墙。它是用光电池、光电板技术，把太阳光转化为电能，它关键的技术是太阳能光电池技术。太阳能光电池是利用太阳光的光子能量，使得被照射的电解液或者半导体材料的电子移动，由此产生电压，这称为光电效应。

  设计光电幕墙需考虑电池、模板、导线与变压器各个因素，各电池组成模板，各模板组成小分格，并通过导线连接，所有导线又组成一个PV变压器。一个PV变压器是一个封闭的幕墙部分，每套光电设备可由一个或多个变压器组成。每套光电设备都先产生直流电，再由直流电转变成交流电，并由电压网传输，逆整流器再将230/400伏的电压转变成频率通常为50赫兹的电能。晶体电池通过导线相互连通，并被接在大表面的模板上，这些电池被嵌入坚硬的树脂玻璃中，导线可接在模板背面或玻璃边缘。作为模板一个组成部分的非晶体是一个完整的平面，相互连通，被嵌入两块玻璃和透明度高的树脂中。所有模板都可作为幕墙的建筑材料使用，这些模板极为坚固，电绝缘性好，符合二级安全标准。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不可能会出现危险的电压。光电模板具备抵御外界环境侵扰的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50至90℃的环境中，光电模板仍可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。

  它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染，可用来发电。由于能发电，可少交电费，在国外还可将多余的电卖给电业局。由此可见，光电幕墙本身就是效益。光电幕墙加装光电模板后，可节省传统的建筑材料，比如光电模板可代替抛光的自然建材。光电幕墙也非常大程度上减轻了环境的负担，因为它保护自然资源免受损失。在传统的发电厂内，最常见的是用化石类燃料发电，而用光电模板发电100千瓦时，可省油26升或省煤50千克，这也代表着少排放57千克的二氧化碳、71克的二氧化硫和75克氮的氧化物。

  光电幕墙先不要说光伏电池的价格，只是外侧的高透光率的玻璃的价格就很贵。而且现在大多还依赖进口。太阳能电池的价格现在也很昂贵，而且转换效率很低，一般的都不到20%，而且是阳光直射，阴天的时候就发挥不出作用，并且墙面每天日照时间正常情况下不会很长，而且大部分时间都不是直射，这样一来，效率几乎达不到2%，花很高的成本做成很不实用的东西，这就是光电幕墙不能推广的原因。

  4.3、特点1）节约能源——由于光电幕墙作为建筑外围护体系，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，可以大大降低墙面及屋面温升，减轻空调负荷，降低空调能耗。2）保护自然环境——光电幕墙通过太阳能进行发电，它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染。3）新型实用——舒缓白天用电高峰期电力需求，解决电力紧张地区及无电少电地区供电情况。可原地发电、原地使用，减少电流运送过程的费用和能耗；同时避免了放置光电阵板的额外占用宝贵的建筑空间，与建筑结构合一省去了单独为光电设备提供的支撑结构，也介于了昂贵的外装饰材料，减少建筑物的整体造价。4）特殊效果——光电幕墙本身就具有很强的装扮修饰的效果。玻璃中间采用各种光伏组件，色彩多样，使建筑有着非常丰富的艺术表现力。同时光电模板背面还可以衬以设计师喜欢的颜色，以适应不一样的建筑风格。

  世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率130W，总容量超过IMW，所发电力与20KV电网相联，每年能发电100万KWH，足够340户德国家庭使用。

  该项目坐落于上海浦东，由日本著名建筑大师矶崎新设计。包括酒店、办公楼、异形体等建筑。整个幕墙面积超过6万平米。

  该项目坐落于江西新余，为一全木结构外加全玻璃幕墙及采光顶建筑，造型新颖。

  该项目坐落于东台市中心，包括酒店主体楼、康体楼、娱乐楼、餐厅、会所等建筑。由香港著名建筑师巴马丹拿(P&T)设计。

  该项目坐落于宁波鄞州中心区，包括一幢异形高层办公楼和大型绳索状商业裙楼。

  该项目坐落于中国上海的浦东开发区，包括一幢47层楼的办公楼，和一座6层高的裙楼，主入口建上海第一幅单层索网幕墙。主要幕墙系统包括单元式玻璃幕墙、石材幕墙、铝板幕墙、玻璃肋系统、拉索幕墙等。

  总结：我国是世界上首要的太阳能电池出口国家，太阳能电池技术对我们来说已经相当成熟，但是转化效率还有待提升。对于光电幕墙在我国并不多见，因为造价昂贵，即使具有较强的节能功效。不过我们始终相信，在不久的将来，这种优异的节能建筑装饰形式必将在未来建筑中放出异彩。

  本工程光伏幕墙系统用于该大厦正立面红色三角形的电梯筒顶部，未能最大限度地考虑太阳光的高度角和方位角，顶面标高为97.100m。光伏电池共分为两部分，其中一部分朝向为正南向，与地面垂直，玻璃采用5+1+6mm多晶硅光伏电池玻璃；另一部分朝向为东偏北26º，与地面的夹角为31.4º，玻璃采用8+1+8mm多晶硅光伏电池玻璃。峰值发电功率为10.8kWp，设计光电转换率12~15%，输出频率为50±0.5HZ，电压220±10%V。