光伏玻璃在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用

黃帆

（秦皇島市建筑設(shè)計院 秦皇島 066000）

0 引言

太陽能光伏玻璃（Solar photovoltaic glass）是分布式光伏發(fā)電裝置太陽能電池的一個組件，通過層壓入太陽能電池，將透過的太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，是一種設(shè)置有相關(guān)電流引出裝置和電纜的高透過率玻璃。它是由高透過率的低鐵玻璃、太陽能電池片、膠片、背面玻璃、特殊金屬導(dǎo)線等構(gòu)件組成，將太陽能電池片通過膠片密封在一片高透過率的低鐵玻璃和一片背面高強度平板玻璃的中間，是一種建筑用玻璃產(chǎn)品。采用高透過率低鐵玻璃覆蓋在太陽能電池上，保證高的太陽光透過率；經(jīng)過鋼化處理的高透過率低鐵玻璃具有更強的抗風(fēng)壓和承受晝夜溫差變化大的能力。

建筑是能耗大戶，其能耗占城市總能耗的40%左右。將太陽能光伏玻璃產(chǎn)品用于建筑幕墻、建筑屋頂和太陽能智能窗上，使之與建筑完美的結(jié)合起來，建筑整合太陽能（BIPV）使用太陽能光伏材料取代傳統(tǒng)建筑材料，將太陽光照射在建筑幕墻、建筑屋頂和窗的光能收集起來轉(zhuǎn)換為電能，使建筑物本身成為一個能量來源，滿足建筑物自身的用能需求。光電建筑能夠減少建筑能耗，緩解節(jié)能減排壓力。

1 屋頂光伏發(fā)電

光伏發(fā)電組件主要是由光伏玻璃、光伏膠膜、電池片、光伏膠膜和光伏背板構(gòu)成，發(fā)展光伏的初衷是希望在建筑上使用，以解決建筑方面的節(jié)能。光伏的發(fā)電特征是分布式，在建筑上安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，其電力可以即發(fā)即用。國際上最早發(fā)展光伏發(fā)電的是德國，80%的光伏發(fā)電是安裝在居民住宅的屋頂。圖1為屋頂發(fā)電的居民建筑住宅。

圖1 屋頂發(fā)電的居民建筑住宅

從圖1中可以看出，這種模式市場潛力大，但規(guī)模比較小，發(fā)電量低、業(yè)主投資能力有限。

我國是一個能源資源短缺但能源消耗量大的國家，傳統(tǒng)的化石能源短期內(nèi)不會再生；水電、風(fēng)電和核電又受到地理環(huán)境和安全因素的限制，而光伏發(fā)電只需要一塊可以利用的空地就能將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，對生態(tài)環(huán)境無任何影響，是清潔能源之一。我國光電建筑的發(fā)展初期，主要是工業(yè)廠房的屋頂。 圖2為某玻璃工廠廠房的屋頂光電建筑。

圖2 某玻璃工廠廠房的屋頂光電建筑

圖2模式是以工業(yè)廠房作為載體，施工安裝比較簡單。但應(yīng)注意：①光伏發(fā)電組件既要與廠房屋頂牢固結(jié)合，同時也不能破壞原有屋頂?shù)姆浪畬雍捅貙樱虎趯τ谳p型鋼結(jié)構(gòu)廠房金屬屋面，必須對屋面結(jié)構(gòu)進行加固；③普通光伏組件的背板采用的是復(fù)合材料，燃燒性能難以滿足屋頂?shù)姆阑鹨蟆?/p>

截止目前，國內(nèi)光電建筑應(yīng)用的主流模式仍然是工業(yè)廠房的屋面附加為主。但光伏發(fā)電組件技術(shù)經(jīng)過近10年的發(fā)展，發(fā)電成本大幅下降，接近火力發(fā)電成本，不需要政府補貼就具備市場競爭能力。光電建筑不僅能自發(fā)自用，余電還可以上網(wǎng)，按目前的投資成本計算，只需要6～7年就能收回成本。

2 光伏建筑一體化

經(jīng)過近10年光伏市場的培育與發(fā)展，我國出現(xiàn)了一批專業(yè)從事光伏組件建材化研發(fā)的企業(yè)，將光伏組件與建筑幕墻和屋頂一體化，將建筑墻面、屋頂與光伏發(fā)電集成做成建筑構(gòu)件，使建筑物自身利用太陽能發(fā)電，滿足建筑物自身用電需求。

光伏組件與建筑物構(gòu)件完全結(jié)合為一體，既能降低建筑物和光伏組件系統(tǒng)的成本，又能美化建筑物的外觀。光伏組件系統(tǒng)、建筑構(gòu)件材料和電能變換配套裝置有機的結(jié)合使得整個系統(tǒng)高度集成，具備很強的抗陰影能力和參數(shù)匹配能力，電氣系統(tǒng)連線簡單，而且容易通過智能終端實行維護。圖3為民用建筑屋頂應(yīng)用實例。圖4為工業(yè)廠房屋頂應(yīng)用實例。

圖3 民用建筑屋頂應(yīng)用實例

圖4 工業(yè)廠房屋頂應(yīng)用實例

利用光伏組件玻璃材料的憎水性，將光伏組件與有一定的坡度屋頂面和支撐水槽構(gòu)件結(jié)合起來，形成一種剛性的防水結(jié)構(gòu)。即保持了屋頂面的防水、保溫功能，同時還增加了屋頂面的發(fā)電功能，增強了建筑物的美觀程度。

屋頂面光伏發(fā)電項目規(guī)模比較大、模式相對簡單、業(yè)主對光伏認知度高。缺點是競爭相對激烈、產(chǎn)品附加值小。圖5為建筑物墻面應(yīng)用實例。

圖5 建筑物墻面應(yīng)用實例

在建筑立面設(shè)計上采用縱橫向分割的方法，在每層建筑的窗間墻位置安裝太陽能幕墻，保持了原有窗戶模式，使建筑物立面造型豐富、生動，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電、隔音、隔熱、采光等多種功能。這種模式使建筑節(jié)能降耗與光伏發(fā)電完美結(jié)合，達到了有效互補的理想狀態(tài)。產(chǎn)品附加值高，但規(guī)格尺寸需要預(yù)先定制、制作成本高、外觀要求比較嚴。

圖6為國家發(fā)展改革委能源研究所《中國2050年光伏發(fā)展展望》公布的各種類型發(fā)電的成本趨勢圖。

圖6 各種類型發(fā)電的成本趨勢圖

目前，光伏發(fā)電的成本為0.3～0.4元/kWh，與煤電的售電價差不多，但建筑是用電場所，特別是工業(yè)建筑和公共建筑，高峰時期的電價約1元/kWh，平均為0.7～0.8元/kWh，因此，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的光電建筑就有了很大的利潤空間。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測：中國全面的光伏上網(wǎng)平價時代就會到來，光伏電價與煤電價持平，未來將遠低于煤電價格。

3 常見光伏玻璃組件的缺陷及對光伏玻璃質(zhì)量的要求

3.1 外觀質(zhì)量

光伏玻璃表面厚度、鍍膜膜面顏色要求均勻一致。否則就會出現(xiàn)色差缺陷，遠看就像棋盤，影響建筑物的美觀。

光伏玻璃鍍膜膜面顏色均勻性以色差表示，反射色色差≯2.5；同時要求：1 000 mm距離目視（左右目視角度0～60°）不允許有漏鍍，同一片玻璃板整體色差不明顯。對光伏玻璃厚度偏差及鍍膜膜面顏色均勻性的要求見表1。

表1 光伏玻璃厚度允許偏差及厚薄差 mm

3.2 物理性能

光伏組件背玻的強度和耐熱沖擊性不能太低，否則會出現(xiàn)破裂。要求光伏組件背玻在耐2 400 Pa靜壓條件下不被破壞；光伏組件背玻在耐200 ℃溫差條件下不破壞。

3.3 光學(xué)性能

正面玻璃的透光度要求94%以上，正面玻璃和背面玻璃的雙面率要求平均70%以上。

4 結(jié)語

光伏建筑一體化，使產(chǎn)能端和用能端在建筑物上合二為一，這不僅符合國家住建部頒布的《綠色建筑評價標準》，同時也符合國家住建部頒布的《近零能耗建筑技術(shù)標準》；分布式一體化光伏建筑直接發(fā)電技術(shù)無疑是近零能耗建筑的首選，在全國總建筑面積700億m3中，可以利用的墻面面積和屋頂面面積約300億m3，將節(jié)約大量成本，實現(xiàn)建筑用能自給自足；假設(shè)將全國總建筑面積的20%安裝光伏系統(tǒng)，預(yù)計發(fā)電量約3 600億kWh，經(jīng)濟效益十分顯著，建筑用能基本上能自給自足，實現(xiàn)國家綠色建筑、近零能耗建筑的總體目標。

在城鎮(zhèn)廣泛實施光伏建筑一體化將是未來建筑節(jié)能的一個重要手段。如何在目前的技術(shù)上進一步升級優(yōu)化, 提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性、穩(wěn)定性，是需要進一步研究探討的內(nèi)容。