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光电幕墙及光电屋顶
本文论述了光电幕墙（屋顶）的基本原理、结构、设计计算、安装维护。
1 前 言
　　光电幕墙（屋顶）是将传统幕墙（屋顶）与光生伏打效应（光电原理）相结合的一种新型建筑幕墙（屋顶）。主要是利用太阳能来发电的一种新型的绿色的能源技术。
　　能源是人类生存和发展的基础，传统的能源是以消耗地球的有限资源，同时又污染人类生存环境为代价来生产的，20世纪70年代全球的能源危机，使世界很多国家清醒地认识到：太阳能是一种绿色（清洁，无污染）丰富的自然能源，争相加以开发和研究，因而太阳能电池从人造卫星发电开始向地面发电普及和应用（表1），据不完全统计，1999年全世界太阳能电池的年产量已超过2亿峰瓦（MWP）（图1和图2），但其年产量与世界能源总需求相比仍然相差甚远，为了在21世纪能得到突破性发展，一些国家正在围绕制约太阳能电池地面大规模普及应用的一些根本问题进行研究，其中一个问题就是接收面积问题，因为太阳能是分散的，为了提供所需的能源，必须有足够的接受面积。据测算：为了满足2000年全球电力的需求，以太阳能电池转换率10%计算，需要的面积为840km×840km=705600km2，这相当于德国和意大利两个国家的面积。
太阳能电池的五种应用领域:
　　1)应用领域成本效应标准系统市场潜力
　　2)人造卫星的发电系统佳，最早的太阳能发电应用数百～千瓦量小，但发展稳定
发展中国家居家用的太阳能系统佳，市场呈稳定成长5W～5000W预估世界上有十亿人口没有电网供应电力
　　3)工业应用利润最高的太阳能应用。 5W～1,500W公路的急救电话、公路标志、微波自动转换装置、电栏杆、街灯等
　　4)已发展国家建立建筑物整体性的太阳能系统（Building Intergrated Photovoltaiacs）依据电力成本及政府辅助金而定 2,000W～300,000W美国、日本和德国发展他们已经宣布的「屋顶方案」，市场将超过每年1,000万W,中央电力供应站太贵，是平常电价三倍。

　　5)我国1995年的发电量约为1亿MW•h，如果全部用太阳能电池发电，其接收面积约为12500km2，比天津市还要大。以上数值表明，所需的面积是相当可观的，利用建筑幕墙（屋顶）和太阳能电池相结合是解决接受面积的主要途径。
　　已建成的一些实例工程有：
德国慕尼黑银行光电屋顶: 面积140㎡，功率15kw
德国慕尼黑银行光电幕墙: 面积350㎡，功率35kw
丹麦太阳公寓光电屋顶: 面积970㎡，功率106kw
德商场光电幕墙面积650㎡，功率73kw
德国旭格集团总部光电幕墙大楼
南威尔斯的贝格隆园区, 一座光电幕墙典型建筑
　　德国慕尼黑商贸中心的6座大厦都装光电屋顶，共有7812个框架光电板，每个光电板共有84个单晶硅太阳能电池，输出功率为130w，光电板总和峰值功率为1.016kw，光电板占屋顶面积58%，发出的直流电经过逆变电器送至2万V中压电网，预计寿命20年，可减少2万t的CO2排放量（见Phptovoltaics Inside Report 1998 17（9）：3）。现在全世界能源约4/5由含碳的矿物燃料产生，如果其用量年增长率为3%，预计到2020年全世界的CO2排放量将增加40%，对人类生成环境将产生灾难性后果，多次国际会议都在研讨减少CO2排放量和发展绿色能源问题。光电幕墙（屋顶）的发展理所当然地被列为21世纪重要绿色能源。
　　美国制订了百万光电屋顶幕墙计划（表2）。德国于1999年开始10万光电屋顶光电幕墙计划，预计在6～8年完成，每个系统定为5kw，总容量可达500MW。日本截止于1997年已建立1600个光电屋顶，容量为37MW。预计到2010年，太阳能电池产量将达到1800MW/年以上，年产值将超过42亿美元。光伏系统保有量预计为：美国757MW，欧洲618MW，日本174MW。

美国百万屋顶计划的内容与指标 表2
年代　　　　　　　　　1997　　1998　　1999　　2000　　2005　　 2010
参加城市数　　　　　　 10　　　25　　　50　　　75　　　200　　　325
太阳能建筑物（千个）　　2　　　8.5　　23.5 　　513　　　76　　　1014
屋顶当量系统（kw）　　　1　　　1　　　　1　　　　２　　　3　　　4

光伏总容量（Mw）　　　　1　　　6.5　　　15　　　55　　　270　　　610
单位成本（美元/Wp）　　6.5　　5.7　　　4.9　　　4.3　　　2.9　　　2.0
总的CO2的减少（kt）　　2　　　　13　　　39　　　111　　　1037　　3510
我国拥有丰富的太阳能资源，陆地表面每年接受的太阳辐射能为50×1018KJ，相当于1700亿t标准煤，每年日照时间大于2000h，辐射总量高于586KJ/m2的太阳能资源丰富地区和较丰富地区占全国总面积的2/3（表3、图3）。我国是耗能大国，建筑能源浪费更加突出。建筑能耗占全社会总能耗的25%，其中建筑采暖、空调、照明占14%，建筑建造能耗为11%，今后比例还可能有所上升。我国建筑能耗是相同气候条件发达国家的2至3倍，在全面建设小康社会的进程中，建设系统资源节约的任务十分艰巨。把资源节约、降低消耗放在突出位置，建筑节能是提高住宅舒适度、降低运行费用的基础，也是可持续发展的迫切要求。我国与国外先进水平的差距，不在材料和技术上，而是在设计标准和标准的落实上。建立以强制性标准为主体、推荐性标准为补充的建筑节能标准体系，新建建筑全面执行节能标准，建筑能耗减少50%。加大对建筑节能的检查力度，对违反规定的建设项目，已完工的不予验收备案并责令改。节能的65%主要由建筑围护系统承担。通过建筑一体化设计，推广应用光电幕墙（屋顶）的有效途径。尽管目前我国光电幕墙（屋顶）市场正在方兴未艾，但它具有强大的潜在市场，我们有理由预计，中国的光电幕墙\光电屋顶及光电工程在21世纪将会得到迅猛的发展。
MJ/（㎡•a）
我国太阳辐射资源带 表3
资源带号　　　名称　　　　　指标
Ⅰ　　　　资源丰富带 ≥6700MJ/（㎡•a）
Ⅱ　　　　资源较富带 5400~6700MJ/（㎡•a）
Ⅲ　　　　资源一般带 4200~5400MJ/（㎡•a）
Ⅳ　　　　资源贫乏带 ＜4200MJ/（㎡•a）

2 光电电池基本原理
　　光电幕墙（屋顶）的基本单元为光电板，而光电板是由若干个光电电池（又名太阳能电池）进行串、并联组合而成的电池阵列，把光电板安装在建筑幕墙（屋顶）相应的结构上就组成了光电幕墙（屋顶）。

2.1 光电现象
　　1983年，法国物理学家A.E贝克威尔观察到光照在浸入电解液的锌电板产生了电流，将锌板换成带铜的氧化物半导体，其效果更为明显。1954年美国科学家发现从石英提取出来的硅板，在光的照射下能产生电流，并且硅越纯，作用越强，并利用此原理做了光电板，称为硅晶光电电池。
2.2 硅晶光电电池分类
　　硅晶光电电池可分为单晶硅电池\多晶硅电池和非硅晶电池。
2.3 硅晶光电电池原理
　　硅晶光电电池的原理是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。为了减少光的反射损失，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。
2.4 光电电池（太阳电池）的效率
　　太阳电池的效率是指太阳电池的输出功率PM与投射到太阳电池面积上的功率Ps之比，其值取决于工作点。通常采用的最大值作为太阳电池的效率，即如果太阳电池不工作于最大功率点，则太阳电池的实际效率都低于按此定义的效率值，实际效率可能更低。
　　影响太阳电池的效率的因素很多，如日照强度、光谱、温度等，只有当这些因素都确定时，太阳电池的效率才能被确定。下面分别讨论上述三种因素对太阳电池效率的影响：日照强度S：其单位是w/㎡，在大气层之外其值最大，称为太阳常数。在大气层之外的日照强度为S≈1.37kw/㎡。在地球表面的S值通常在零到1kw/㎡之间变化。图6绘出了一簇以多种不同S值为参数的特性曲线。由图可见，短路电流ISC随着日照度S的变化而有较大改变，而空载电压VOC仅是随着S的变化而略有变化。如果进行粗略的简化，可以表示为（IM为负载最佳工作点的电流）：

ISC ～ IM ～S
以及
VOC ～ VM～ LnS
因此，太阳电池的效率也可以表示为：
η=ηmpp≈(S LnS)/S ≈ LnS
　　由上式可以看出，效率η仅是随着日照强度S的变化而微弱地变化，它们的关系是近似的对数关系。当太阳电池的最佳工作点始终保持在它的最大功率点上时，太阳电池具有相当好的“部分负荷特性”，既它带有部分负荷时的效率不见得会比它带有额定负荷时的效率小。
光线的波长λ或频率f ：在非单色光的照射下，太阳电池的效率和光谱特性有关。由于地球表面上日照光谱既取决与测量瞬间的天气条件（云、雾、空气、湿度等）。因为在每一天中对应的时间不同，太阳光线与地球表面的夹角即日照投射的倾角θ不同，因此地球表面的日照光谱取决于日照投射的倾角θ。当θ不同的时候，太阳光在大气中所经过的距离不同，即大气质量AM不一样，则太阳光谱曲线就不一样。因此，需要给定太阳电池在某一光谱下的效率时，应该在相应的大气质量下给定。
太阳电池的效率还和温度有关。太阳电池具有负的温度系数，即太阳电池的效率随着温度的上升而下降。图7给出了日照强度为1kw/㎡，而温度变化范围为20～70℃时效率变化的情形。可用下面的公式近似表示：
η=ηO•[1-α（T-TO）]
上式中，ηO=0.1，TO =0℃；α=0.0049/℃。可以看出，温度每升高10℃，其效率大约降低5%。由上述我们可以看出，太阳电池的效率和很多因素有关。当我们定义太阳电池的效率的时候，必须确定它的工作环境才能够得出明确的效率值。

3 光电板
3.1 基本结构
　　上层一般为4mm白色玻璃，中层为光伏电池组成光伏电池阵列，下层为4mm的玻璃，其颜色可任意，上下两层和中层之间一般用铸膜树脂（EVA）热固而成，光电电池阵列被夹在高度透明，经加固处理的玻璃中，在背面是接线盒和导线。模板尺寸：500mm×500mm至2100mm×3500mm。从接线盒中穿出导线一般有两种构造：照片所显示的构造，是从接线盒穿出的导线在施工现场直接与电源插头相连，这种结构比较适合于表面不通透的建筑物，因为仅外片玻璃是透明的；照片所显示的构造是导线从装置的边缘穿出，那样导线就隐藏在框架之间，这种结构比较适合于透明的外立面，从室内可以看见此装置。
3.2 光电幕墙的基本结构
　　光电模板安装在建筑幕墙（屋顶）的结构上则组成光电幕墙，一般情况下，建筑幕墙的立柱和横梁都是采用断热铝型材，除了要满足JGJ102规范和JG3035标准要求之外，刚度一般高一些为好，同时，光电模板要能够便于更换。
4 光电幕墙(屋顶)光电面积设计计算
4.1 光电幕墙(屋顶)一般电学结构
　　光学幕墙(屋顶)结构设计可按照玻璃工程技术规范(JGJ102)、建筑玻璃应用技术规程(JGJ113)等有关标准和规范进行,这里简介其电学设计。光电幕墙(屋顶)电学结构一般采用单路自然能——单蓄电池结构，
　　光电幕墙（屋顶）所产生的电能，经过输入电能变换器，转换成能蓄电池组要求的充电电压和充电电流，向蓄电池充电，蓄电池容量按用户要求的无太阳天气连续供电天数进行设计；输出电能变换器，将蓄电池组中的直流电能转换成负载要求的电压和电流及电能形式，向负载供电。有些国家由于光电幕墙（屋顶）发出电量，经过逆变器后可并入电网，可以不设蓄电池组，中国目前还做不到这一点，所以建议采用电池组。在阴雨天气或太阳光少的情况下，也能保证一段时间的连续供电，由于输入电能变换器和输出电能变换器互相独立，其设计更为容易，光能的波动对供电质量几乎没有影响。

4.2 光电幕墙(屋顶)产生电能的计算公式:
PS=H×A×η×K ————————————（1）
PS——光电幕墙（屋顶）每年生产的电能（MJ/a）；
H——光电幕墙（屋顶）所在地区，每1㎡太阳能一年的总辐射能（MJ㎡/•a），可参照图3查取；
A——光电幕墙（屋顶）光电面积（㎡）；
η——光电电池效率，建议如下：
单晶硅：η=12%
多晶硅：η=10%
非晶硅：η=8%
K——参正系数；
K=K1•K2•K3•K4•K5•K6
各分项系数建议值如下：
K1——光电电池长期运行性能参正系数，K1=0.8；
K2——灰尘引起光电板透明度的性能参正系数，K2=0.9；
K3——光电电池升温导致功率下降参正系数，K3=0.9；
K4——导电损耗参正系数，K4=0.95；
K5——逆变器效率，K5=0.85；
K6——光电模板朝向修正系数，其数值可参考表4选取。
光电板朝向与倾角的修正系数K6 表4
幕墙方向 光电阵列与地平面的倾角
　　　 　0°　　30° 60° 　90°
东 　　　93%　　90% 　78% 　55%
南-东　　93%　　96% 　88% 　66%
南 　　　93% 　100%　91% 　68%
南-西　　93%　　96% 　88% 　66%
西 　　　93%　　90% 　78% 　55%
4.3 光电幕墙（屋顶）光电面积计算举例：
[已知]：

（一）室内用电负载：
① 设备一台，日均耗电640 W•h；
② 8W日光灯6盏，平均每天照明3 h；
③ 标称功率60W彩电，平均每天收看2 h。
（二）幕墙所在地：北京。
（三）选用旭格集团或上海东连公司提供的单晶硅光电板。
（四）光电阵列与地平面倾角为90°，幕墙方向南。
[求]：光电幕墙的光电面积。
[解]：
　　（一）负载用量计算
根据室内负载用电要求，日均耗电量Pd为：
Pa=640W•h +8×6×3 W•h +60×2 W•h
=904 W•h
以全年工作280d计算全年的耗电总量Pd为：
Pa = 904×280×3600WS/a
=911×106 WS/a
=911×106 J/a
　　（二）光电幕墙全年的产生电能与室内负载全年消耗的电能相等，则根据式（1）得：
PS= Pa =H×A×η×K
查图3：北京地区全年㎡太阳能总辐射能约为：H=50MJ/m2a= 5000×106J/㎡•a
单晶硅光电板的效率η=12%
依照4.2节的建议参考数据：
K=K1•K2•K3•K4•K5•K6
=0.8×0.9×0.9×0.95×0.85×0.68
=0.355
则：
选用旭格集团或上海东连公司的光电板，
规格：1003mm×760mm共计8块

则实际光电板的面积为：1.03m×0.76m×8≈6.3㎡
满足设计要求
5 光电幕墙（屋顶）安装与维护
　　5.1 安装地点要选择光照比较好，周围无高大的物体遮挡太阳光照地方，当安装面积较大的光电板时，安装地方要适当宽阔一些，避免碰损光电板。
　　5.2 通常光电板总是朝向赤道，在北半球其表面朝南，在南半球其表面朝北。
　　5.3 为了更好利用太阳能，并使光电板全年接受太阳辐射量比较均匀，一般将其倾斜放置，光电电池阵列表面与地平面的夹角称为阵列倾角。
　　5.4 当阵列倾角不同时，各个月份光电板表面接受到太阳辐射量差别很大。有的资料认为：阵列倾角可以等于当地的纬度，但这样又往往会使夏季光电阵列发电过多而造成浪费，而冬天则由于光照不足而造成亏损。也有些资料认为：所取阵列倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量，但这样又往往会使夏季削弱过多而导致全年得到的总辐射量偏小。在选择阵列倾角，应综合考虑太阳辐射的连续性，均匀性和冬季极大性等因素。大体来说，在我国南方地区，阵列倾角可比当地纬度增加10°～15°；在北方地区，阵列倾角可比当地纬度增加5°～10°。
　　5.5 光电幕墙（屋顶）的导线布线要合理，防止因布线不合理而漏水，受潮，漏电，进而腐蚀光电电池，缩短其寿命；为了防止夏天温度较高影响光电电池的效率，提高光电板寿命，还应注意光电板的散热。
　　5.6 光电幕墙（屋顶）安装还应注意以下几点：
　　安装时最好用指南针确定方位，光电板前不能有高大建筑物或树木等遮蔽阳光。
仔细检查地脚螺钉是否结实可靠，所有螺钉、接线柱等均应拧紧，不能有松动。
光电幕墙和光电屋顶都应有有效的防雷、防火装置和措施。必要时还要设置驱鸟装置。
　　安装时不要同时接触光电板的正负两极，以免短路烧坏或电击，必要时可用不透明材料覆盖后接线、安装。
　　安装光电板时，要轻拿轻放，严禁碰撞、敲击，以免损坏。注意组件、二极管、蓄电池、控制器等电器极性不要接反。

　　5.7 光电幕墙（屋顶）每年至少进行两次常规性检查，时间最好在春天和秋天。在检查的时候，首先检查各组件的透明外壳及框架，有无松动和损坏。可用软布、海绵和淡水对表面进行清洗除尘，最好在早晚清洗，避免在白天较热的时候用冷水冲洗。
除了定期维护之外，还要经常检查和清洗，遇到狂风、暴雨、冰雹、大雪等天气应及时采取防护措施，并在事后进行检查，只有检查合格后再正常使用。
光电幕墙（屋顶）在中国的大规模推广应用，除了有关研究开发机构及公司企业进一步努力之外，很重要的一个方面，还需要政府有关机构和部门对其重要性和迫切性进一步提高认识，进一步扩展其战略规划和发展计划，进一步制订有效的扶持政策和措施，进一步加强指导和引导，使光电幕墙、光电屋顶在不太长的时间内，大规模合理应用，大规模健康发展。