聚光光伏溫差復合發電技術在綠色建筑瓷片中的設計研究

謝旭　陳金亮

摘 要：目前光伏發電雖然擁有廣泛，但其發電效率低、占地面積廣的缺點使其在城市里沒有立足之地。本文立足于綠色建筑理念，將聚光光伏溫差復合發電系統嵌入到建筑瓷片，開發了聚光光伏溫差復合發電瓷片，并驗證了其可行性。并將其模擬使用。

關鍵詞：聚光光伏；溫差發電；發電瓷片

前言

環境問題和能源問題是日趨嚴重的全球性問題。近幾年國內出現的重度霧霾以及相關環境惡化的新聞層出不窮，這是一個環境惡化、能源過耗的信號。對于我國，經濟正處于最蓬勃的發展和復蘇時期，為了維持城市運行每天需要消耗大量的化石能源，產生大量三廢氣體污染環境。同時由于城市的大型化，“種種城市病”也將日益凸顯，尤其城市熱島效應，使得越來越多的城市變為“火爐”城市，降低如果不減少化石能源使用或者用新能源替代，已探明化石能源將會在一百年以內消耗。產生能源危機。太陽能是公認理想的下一代清潔可再生能源，但其發電效率低、占地面積廣極大地減緩了其在城市中的應用。如何將建筑物的大量的光伏能源利用起來，同時不降低建筑物美觀。迎合綠色建筑、智慧建筑的潮流。依據這種思想，本文實際設計了聚光光伏溫差復合發電瓷片。

1研究目的及意義

太陽能作為一種清潔能源，取之不盡用之不竭。經過合理的應用，是節約資源、保護環境的重要手段。本選題從節能環保角度出發，挖掘太陽能的多種應用方式。嘗試在現有太陽能光伏產品的基礎上進一步提高其發電效率并減少自身廢熱。進而實現對可持續資源的利用和對城市熱島的緩解。

其次，將光伏理論與溫差理論相結合，通過工業設計的方式進行組合設計。提高光電轉化效能和熱電轉化效能的收益。依照產品設計制作可操作的模型進行實例驗證，證明其性能的有效性，改善太陽能發電效能低且廢熱無法利用的基本情況，對太陽能光伏產品進行了完善和提高。

再次，通過實驗驗證聚光光伏溫差復合瓷片的合理有效。本文嘗試實現“聚光光伏溫差”三者復合一體式的設計研究，將其設計成一塊完整的瓷片。在研究過程中遵循的建筑設計的訴求，將光伏產品融入設計階段。這樣一方面改變了大量屋頂等空間的浪費，另一方面也促進了光伏產品介入建筑設計，預防斷電、儲能用電意識形態的建立。

2聚光光伏溫差復合發電瓷片的組成

聚光光伏溫差復合發電瓷片由以下部分構成，瓷片主體、菲涅爾透鏡、光伏發電單元、溫差發電單元、收集電路、瓷片電路接口等組成。

2.1瓷片主體

瓷片主體是發電瓷片重要組成部分，其主要是承載著建筑功能，區別普通瓷片本瓷片在表層附著一層高分子材料做成的菲涅爾鏡片，在發電瓷片底層布有凹坑，其為安裝聚光光伏發電系統位置。在其底層留有電能收集線路槽位置。

2.2菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡為聚光光伏溫差復合發電系統的聚光部分，其材質為有機高分子材料組成，在其內部經過加工工藝，使其具有透鏡功能，且使其透鏡的焦距保證落在光伏發電片上，可按照發電瓷片的厚度調整透鏡設計焦距，通常焦距為15mm。并按照150*150mm厚度為2mm，整體按線性在瓷片上排布。

2.3光伏發電單元

光伏發電單元是發電系統的主要部分，其承擔將太陽能轉變成電能，本作品中，為了提高發電效率，縮小太陽能板，本作品中選用砷化鎵太陽能電池板。其大小為表面大小20mm*20mm，厚度為4mm。砷化鎵太陽能電池板相對于普通太陽能硅電池板發電效率高，承受溫度高等特點。其禁帶較寬，使得它的光譜響應性和空間太陽光譜匹配能力較好。硅電池的理論效率大概為23%，而單結的砷化鎵電池理論效率達到27%，而多結的砷化鎵電池理論效率更超過50%。其甚至在250°溫度下工作，現對于普通單晶硅太陽能板，具有，體積小，發電效率高，工作溫度高的特點，為溫差復合發電提供發電基礎。

2.4溫差發電單元

溫差發電單元是發電瓷片的核心部分，其功能是用導熱膠隔層封裝在光伏發電片厚，主要作用是給光伏發電片降溫，提高光伏發電效率，其二通過較大的溫差，進行太陽能輻射熱的電能轉化。因在瓷片上運用，故其熱冷端距離不能太大，因此本產品中選取封裝形式，其型號為采用SP1848-27145外觀尺寸為40mm*40mm厚度為3.4mm。

2.5收集電路

收集電路本瓷片的電能的收集系統，其由兩部分組成。一是并聯導線系統，是將瓷片上發電單元并聯其來。二是并聯穩壓模塊，將收集起來的單個瓷片涓電流通過穩壓厚為外界供電，便有有效的與整個建筑的發電系統連接。

2.6瓷片電路接口

瓷片電路接口是瓷片發電系統與外界聯系端口，為了便于建筑施工，采用封裝直插接口，便于瓷片施工后與建筑整體發電系統連接。

3聚光光伏溫差復合發電原理及瓷片設計

聚光光伏溫差復合發電系統是由聚光光伏溫差復合發電封裝瓷片、電能收集系統、電能存儲系統、電壓升壓系統及逆變器系統組成。其構建如圖1所示。

其中聚光光伏溫差復合發電封裝瓷片為整個系統的重點。主要創新是將聚光光伏溫差復合發電系統嵌入到瓷磚中，是其成為發電單元。同時保留瓷片的建筑功能。電能收集電源是將分散的由電壓升壓系統封裝瓷片微電能進行收集。電能存儲系統是將分散的由聚光光伏溫差復合發電封裝瓷片微電能進存儲。直流穩壓模塊為將蓄電池中的電壓保持在一定范圍。電壓升壓系統將電壓升壓系統電壓升高到較高電壓，方便下步的使用。逆變器系統是將直流轉變成交流電能，進一步儲電以作他用。

瓷片主體是發電瓷片重要組成部分，其主要是承載著建筑功能，區別普通瓷片本瓷片在表層附著一層高分子材料做成的菲涅爾鏡片，在發電瓷片底層布有凹坑，其為安裝聚光光伏發電系統位置。在其底層留有電能收集線路槽位置。

聚光光伏溫差復合發電系統 由菲涅爾透鏡、光伏發電單元、溫差發電單元組成，其原理如圖2所示。

其中菲涅爾透鏡材質為有機高分子材料組成，且使其透鏡的焦距保證落在光伏發電片上，可按照發電瓷片的厚度調整透鏡設計焦距，通常焦距為15mm。并按照150*150mm厚度為2mm，整體按線性在瓷片上排布。光伏發電單元選用砷化鎵太陽能電池板。具有發電效率高，承受溫度高等特點。其禁帶較寬，使得它的光譜響應性和空間太陽光譜匹配能力較好。溫差發電單元是功能是用導熱膠隔層封裝在光伏發電片后面，給光伏發電片降溫，提高光伏發電效率，同時將太陽能輻射熱的電能轉化。故其熱冷端距離不能太大，選取封裝形式。

瓷片收集電路其由兩部分組成。一是并聯導線系統，是將瓷片上發電單元并聯其來；二是并聯穩壓模塊，將收集起來的單個瓷片涓電流通過穩壓厚為外界供電，便有有效的與整個建筑的發電系統連接。同時瓷片具有封裝直插接口，便于后期建筑施工。聚光光伏溫差復合瓷片模型如圖3所示。

4產品應用實踐及其特點

在一般的建筑中，建筑上方區域需根據需求一般會增加設備夾層，由于面積有限，需在整體頂層空間加以控制，出于對屋頂綠化區域難以進行維護、結構荷載強度過大等因素的考慮，在設計中，可以將屋頂形式變換為環形屋架，將頂層建筑面積減少一層，可以局部增加設備夾層，考慮建筑面積、建筑空間的可變性與可持續發展理念等多方面需求，屋架所包含區域可作為日后建筑設備與屋面系統更新預留用地，在此將太陽能光伏產品介入設計，并以本文所設計的聚光光伏溫差復合發電瓷片進行后期建設時的場地內部能源擴充使用，其使用范圍可根據需求進行控制，在屋架區內以支架形式進行串聯，形成局部甚至大面積覆蓋，如圖4所示。

4.1建筑內電能供給

在改造策略中，為一般大型公建屋面屋面增設聚光光伏溫差復合發電瓷片，其高效聚光發電性能可配合城市電網為大型公共建筑各內部設備供電，如中央空調系統，新風系統，照明系統，熱水系統等需電力支持設施。

同時，在一般建筑內都有多處不間斷通電設備，如特殊指示燈，重要展品溫控設備等，可利用日間光伏采集儲存電量或夜間溫差進行持續供電，當城市電路出現故障導致的大面積停電檢修時，本產品的應用可提供應急供電方案，前章敘述該發電瓷片擁有比常規光伏板更大的發電蓄電量，故在大型建筑中可在短時間為更多的用電設備提供電力支持。

4.2調節局部小氣候

建筑屋頂為太陽直接輻射區域，加之屋頂設有太陽能熱水或常規光伏板系統，溫度遠遠高于室內溫度，也將會影響頂層室內的室溫，會帶來溫度過高導致的不適。聚光光伏溫差復合發電瓷片在接收太陽能發電基礎上，其利用溫差轉換電能的發電模式，在一定程度上將屋頂與太陽直射隔絕開來，同時其溫度調節性能也避免了光伏產品自身運行導致的二次發熱，對頂層建筑內部的空間舒適度以及屋頂局部景觀區域均有溫度氣候調節功能。

4.3便于拆卸，靈活輕巧

聚光光伏溫差復合發電瓷片，造型簡易 ，拆卸方便，對建筑的后期增設與維護提供了很大便利，對于其可用模數化組合的形式，結合建筑尺度進行覆蓋面積調控，對于建筑維護結構外立面均可進行安裝，成為公共建筑后期提升自身節能措施的一項便捷方式。

4.4外觀美化提升

由于產品核心理念位于菲涅爾鏡部分的能量轉換區，其通透程度完全不影響瓷磚的裝飾性能，同時也增加了瓷片的光澤與輕盈程度，根據業主或企業需求，瓷片的形狀與色彩紋理均可進行相關調節更新，以適應更多不同類型的建筑，在解決建筑技術問題的同時，對建筑的外觀設計也有相當大的提升空間。

5結語

本文基于光伏發電、溫差發電原理，提出了復合發電的思路，針對提高光伏發電效率，減少城市廢熱的問題，設計了“聚光光伏溫差復合發電瓷片”產品。產品將聚光光伏溫差發電系統嵌入到建筑瓷片中。既有效的提高了發電效率，解決散熱問題、廢城市熱問題。進一步提高發電量。同時得到既不影響建筑美觀，又能完成產品功能的綠色建筑材料。并根據實驗結論，未來可將本文光伏產品推廣使用到更多大型公建屋面、城市廣場甚至是工農業用房的屋面等。產生較好的社會效應。

本文系西安建筑科技大學青年科技基金項目，項目編號為QN1643。