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提要：本文通過對(duì)光電幕墻（詞條“光電幕墻”由行業(yè)大百科提供）的發(fā)展、技術(shù)工作原理、光電幕墻形式在太陽能建筑一體化中的應(yīng)用、光電幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及原理等方面介紹，光電幕墻充分利用太陽能這種取之不盡、用之不絕的清潔能源，光電幕墻產(chǎn)生的電能不僅能夠提供給建筑物本身使用，還可以在發(fā)電高峰時(shí)供外網(wǎng)并網(wǎng)使用。
關(guān)鍵詞：太陽能、光電幕墻，太陽能光伏建筑一體化（詞條“光伏建筑一體化”由行業(yè)大百科提供），碳達(dá)峰、碳中和。
1、引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，節(jié)能減排迫在眉睫。我國 “十四五”規(guī)劃中指出：貫徹新發(fā)展理念，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展。2020年9月，我國承諾2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。我們國家建筑95%以上屬于高能耗建筑，建筑能耗在總能耗占比將近3成。修建建筑物時(shí)就已經(jīng)消耗了大量的能量，建筑物在使用過程中對(duì)空氣及溫度進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)時(shí)又消耗大量的能量，而對(duì)空氣及溫度調(diào)節(jié)時(shí)消耗的能量占到建筑物總能耗的近70%。 為了控制室溫，使用空調(diào)機(jī)或采用燃煤不僅消耗大量的能量，而且還給外界的環(huán)境帶來污染，所以建設(shè)環(huán)保節(jié)能型建筑意義重大。根據(jù)我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及保護(hù)環(huán)境的根本需要，在接下來的較長時(shí)間內(nèi)，太陽能光伏發(fā)電一定部分要替代常規(guī)能源發(fā)電。太陽能光伏建筑一體化(簡稱BIPV)就是將太陽能光伏發(fā)電與建筑結(jié)合技術(shù)。光電幕墻既有普通幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能(即裝飾美觀效果、安全性能、保溫（詞條“保溫”由行業(yè)大百科提供）隔熱性能、水密性能、氣密性能、隔聲性能等等)，又有產(chǎn)生電能供建筑自身使用的功能以及并網(wǎng)發(fā)電功能。隨著太陽能光伏建筑一體化進(jìn)程不斷推進(jìn)，光電幕墻技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。
2、光電幕墻技術(shù)
2.1光電幕墻技術(shù)原理
光電幕墻通過光伏電池把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，通過蓄電池中存儲(chǔ)或提供負(fù)載工作。發(fā)電原理是利用半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)(圖2.1)，也就是太陽光照射到光電電池上時(shí)，當(dāng)光伏電池吸收光能后，形成光生電子-空穴對(duì)，在光伏電池內(nèi)建電場的作用下，光生電子與空穴被分離形成電壓。
光伏電池主要種類有：晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。晶體硅太陽能電池包括多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池;薄膜太陽能電池包括銅銦硒太陽能電池、非晶硅太陽能電池和碲化鎘太陽能電池。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率較高，但是成本較高。多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化率較單晶硅太陽能電池低一些，但是成本較單晶硅太陽能電池低。非晶硅太陽能電池是僅通過低溫工藝，即可將原材料與光電板制作成組件，耗材較少且不依賴溫度變化，價(jià)格較低。我國目前晶體硅太陽能電池在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用較多，多晶硅太陽能電池應(yīng)用比例最多，但是近年來薄膜太陽能電池應(yīng)用比例明顯增加特別是銅銦硒太陽能電池，薄膜太陽能電池主要是跟適合與光電幕墻結(jié)合應(yīng)用。
光伏電池轉(zhuǎn)換效率影響著太陽能光伏發(fā)電（詞條“光伏發(fā)電”由行業(yè)大百科提供）系統(tǒng)的發(fā)電效率，光伏電池自身的輸出功率（詞條“輸出功率”由行業(yè)大百科提供）與光伏陣列的光照功率情況影響著光伏電池轉(zhuǎn)換效率。光照輻射度越高光伏電池轉(zhuǎn)換效率越高，光伏電池外界溫度越高光伏電池轉(zhuǎn)換效率越低。因此為保持光伏電池轉(zhuǎn)換效率最高，應(yīng)該在任意外界溫度以及光照輻射度的基礎(chǔ)上，采用最大功率跟蹤方法等對(duì)光伏陣列進(jìn)行管理和控制，從而使光伏陣列能夠保持在最大功率點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電作業(yè)。
太陽能電池單體是光伏轉(zhuǎn)換的最小單元，工作電壓約為 0.45~0.5V，一般不能單獨(dú)作為電源使用。需通過太陽能電池單體串、并聯(lián)并且封裝后，形成可以單獨(dú)作為電源的光伏組件。
2.2國內(nèi)外光電幕墻發(fā)展
2.2.1國外光電幕墻的發(fā)展
上個(gè)世紀(jì)70年代，由于世界各國大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，全球性自然資源過度開發(fā)與消耗，環(huán)境污染嚴(yán)重，特別是受石油危機(jī)的影響。發(fā)展新能源和可再生能源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路成為世界各國共同長期發(fā)展戰(zhàn)略。光伏發(fā)電在發(fā)達(dá)國家受到高度重視，發(fā)展較快。光電幕墻的研究工作起源于上世紀(jì) 80 年代瑞典，一篇關(guān)于太陽能電池在建筑墻面應(yīng)用的文章，發(fā)起了光電幕墻在全世界范圍內(nèi)的研究。從此歐美發(fā)達(dá)國家的光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。國外光電幕墻系統(tǒng)應(yīng)用的案例較多，比較著名的有：德國寶馬世界中心、德國弗萊堡太陽能工廠、三洋太陽能電池科學(xué)館等等
2.2.2國內(nèi)光電幕墻的發(fā)展
雖然我國光伏研究較早，但是發(fā)展比較緩慢。目前我國光電幕墻的發(fā)展總體處于示范起步階段，隨著國家政策的扶持和光電幕墻技術(shù)日漸成熟，光電幕墻在幕墻行業(yè)中開發(fā)研究也越來越廣泛。比如近年來的一些示范性案例：上海世博會(huì)中國館、上海世博會(huì)主題館、保定錦江國際酒店、武漢中心、泉州海峽體育中心、北京火車站南站、長沙中建大廈光伏幕墻（詞條“光伏幕墻”由行業(yè)大百科提供）、廣東省科學(xué)中心、廣州電視塔光伏幕墻、無錫尚德光伏研發(fā)中心、我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)光電幕墻產(chǎn)品應(yīng)用在方大集團(tuán)科技中心大廈工程中等。
銅銦硒太陽電池中試線在南開大學(xué)建立，除了德、美、日之外，我國是第4個(gè)開展該電池中試的國家。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所對(duì)非晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率最低可限制在10%以內(nèi)。中國科學(xué)院物理研究所研制的有機(jī)納米晶太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.48%，為以后廣泛使用提供了更大可能性。近年來，我國太陽電池不論在生產(chǎn)能力還是在研發(fā)上都達(dá)到國際先進(jìn)水平，同時(shí)在有機(jī)納米晶太陽電池的研究中也取得國際領(lǐng)先的成果。
2.3太陽能光伏建筑一體化
2.3.1太陽能光伏建筑一體化的正確理解
太陽能光伏建筑一體化是把太陽能光伏發(fā)電與建筑結(jié)合的技術(shù)，將建筑建造成可以具有自我發(fā)電，自我循環(huán)的新型建筑。光電幕墻既有普通幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能， 又有產(chǎn)生電能供建筑使用的功能。不是簡單的太陽能與建筑的疊加，而是需要根據(jù)安全性、藝術(shù)性、節(jié)能、 環(huán)保以及實(shí)用經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，把太陽能光伏發(fā)電作為建筑的一部分納入建筑行業(yè)，與建設(shè)工程同步設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、管理，同時(shí)投入使用，使其成為建筑有機(jī)組成部分。太陽能光伏建筑一體化的核心是一體化，包括設(shè)計(jì)、制造、安裝等一體化，其主要是降低能耗、節(jié)約用電成本、是綠色環(huán)保的建筑技術(shù)。
2.3.2太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用的形式
太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用形式較為廣泛，通過是否有采光要求，采用不同形式的太陽能光伏電池。可以利用屋頂、墻面以及建筑物局部構(gòu)件等部位設(shè)計(jì)光伏結(jié)構(gòu)。屋面部位：可以采用光電屋頂。可以采用框架、鋼結(jié)構(gòu)桁架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、拉桿拉索等結(jié)構(gòu)形式;立面部位：采用光電幕墻(有消防救援要求的窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）慎用)。按傳統(tǒng)幕墻形式可以采用框架形式、單元形式、雙層幕墻、點(diǎn)式幕墻等形式;局部建筑物構(gòu)件包括：光電雨篷、太陽能遮陽板、陽臺(tái)、天窗等部位;以及光電LED（詞條“LED”由行業(yè)大百科提供）多媒體動(dòng)態(tài)幕墻、天幕等。[4]
2.3.3太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
太陽能光伏建筑一體化建筑除了滿足建筑的美觀要求、采光要求、安全性要求、安裝方便要求、長使用壽命等要求外，還具有以下方面優(yōu)勢(shì)：
2.3.3.1在綠色能源方面：太陽能光伏建筑一體化生產(chǎn)綠色能源。利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，太陽能不僅是可再生，取之不盡，用之不竭，而且太陽能即清潔又廉價(jià)，不會(huì)污染環(huán)境。
2.3.3.2在占地方面：太陽能光伏陣列設(shè)計(jì)在建筑物的屋面或外立面處，不需要再額外占用土地，不增加建設(shè)建筑物所需的額外的占地使用成本。
2.3.3.3在光伏并網(wǎng)方面：夏天日照量最大，太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量相應(yīng)也最多。如果太陽能光伏建筑一體技術(shù)采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，那么對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)可以起到一定的調(diào)峰作用。在太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)情況下，不用配備蓄電池，既可以節(jié)省蓄電池部分投資，又不被蓄電池荷電狀態(tài)所限制。那么太陽能光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力就可以得到充分利用。
2.3.3.4在節(jié)能減排方面：太陽能光伏陣列系統(tǒng)在把吸收來的太陽能轉(zhuǎn)化為電能的時(shí)候，可以降低建筑物室外的綜合溫度，減少了太陽能傳遞給建筑墻體的熱量，從而降低了室內(nèi)空調(diào)制冷的負(fù)荷，對(duì)建筑節(jié)能起到積極的作用。所以太陽能光伏建筑一體化可以節(jié)能減排。
2.3.4太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用存在的問題
太陽能光伏建筑一體化盡管有諸多優(yōu)點(diǎn)，并且也已經(jīng)運(yùn)用到上海世博會(huì)中國館、上海世博會(huì)主題館等許多示范性工程中，但太陽能光伏建筑還未得到廣泛應(yīng)用，尤其是我國廣大普遍的民用住宅方面還未廣泛采用。影響太陽能光伏建筑一體化廣泛應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：
2.3.4.1在建筑設(shè)計(jì)美觀方面：太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用把建筑學(xué)、建筑師的設(shè)計(jì)概念理論指導(dǎo)為“實(shí)用、 經(jīng)濟(jì)、美觀”中的“實(shí)用”，應(yīng)用到的太陽能技術(shù)。這對(duì)傳統(tǒng)建筑美觀有很大的沖擊，需要建筑師重新塑造運(yùn)用太陽能的建筑自然美的理論與觀點(diǎn)。
2.3.4.2在建筑物造價(jià)方面：太陽能光伏建筑一體化由于建筑物設(shè)計(jì)有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，使得比普通建筑物造價(jià)高。一是受科研技術(shù)方面限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)價(jià)格偏高;其次還需大力發(fā)展太陽能光伏建筑一體化進(jìn)程，加大推廣力度。以降低建筑物造價(jià)成本。
2.3.4.3在太陽能發(fā)電（詞條“太陽能發(fā)電”由行業(yè)大百科提供）成本方面：太陽能發(fā)電的成本較高。2018年太陽能光伏組件成本下降至5000元/千瓦，從而使光伏系統(tǒng)的成本下降至0.9萬/千瓦，光伏發(fā)電成本下降到0.7元/度，太陽能光伏發(fā)電也具有了一定的競爭優(yōu)勢(shì)。但是太陽能光伏發(fā)電成本仍是燃煤發(fā)電的3倍多。所以太陽能光伏發(fā)電成本偏高限制著太陽能光伏建筑一體化的發(fā)展。
2.3.4.4在太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定方面：太陽能光伏發(fā)電受天氣影響較大，太陽日照時(shí)長、日照強(qiáng)度等的影響，導(dǎo)致太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定、有波動(dòng)性。因此亟待解決太陽能光伏發(fā)電的波動(dòng)性，使太陽能光伏發(fā)電更加穩(wěn)定，使建筑物或外電網(wǎng)能更好、更方便的應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)所發(fā)的電能。
3、光電幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及原理
光電幕墻發(fā)電系統(tǒng)主要結(jié)合了建筑物的負(fù)載，在本建筑物實(shí)際負(fù)載的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，通過就近發(fā)電方式保障本建筑的電能供給。光電幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更好的靈活性，結(jié)合建筑實(shí)際的需要和系統(tǒng)建設(shè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝。
光電幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩種利用形式。一種是太陽能光伏獨(dú)立系統(tǒng)，主要的硬件裝置包含配電箱、逆變器、匯流箱、蓄電池等。一種是太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，主要的硬件裝置包含配電箱、并網(wǎng)逆變器、匯流箱、雙向電表等。太陽能光伏獨(dú)立系統(tǒng)與太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相比較，需要設(shè)置蓄電池。二者都是由光電幕墻光伏電池組件通過串聯(lián)方式或并聯(lián)方式構(gòu)成光伏陣列，最大效率收集太陽輻射能量，并將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化為直流電，太陽能光伏獨(dú)立系統(tǒng)是通過蓄電池直接輸送給直流荷載或者在通過逆變器輸送給交流荷載;太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通過并網(wǎng)逆變器進(jìn)行輸送給交流負(fù)載或是主電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器主要的功能就是把直流電轉(zhuǎn)化為交流電，太陽能光伏電池方陣產(chǎn)生的是低壓的直流電，要使之與外電網(wǎng)連接，就要轉(zhuǎn)換為220 伏、380 伏甚至更高電壓的交流電，并且對(duì)于電壓波動(dòng)、頻率、諧波和功率因素等電能質(zhì)量參數(shù)都有一定的要求。為確保電網(wǎng)、設(shè)備和人身安全，還應(yīng)設(shè)有并網(wǎng)檢測(cè)保護(hù)裝置，必須明確規(guī)定處理過/欠電壓、過/欠頻率、防孤島效應(yīng)、恢復(fù)并網(wǎng)、直流隔離、防雷和接地、短路保護(hù)、斷路開關(guān)、功率方向保護(hù)等。逆變器和控制器是太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。完成轉(zhuǎn)化交流電之后，在發(fā)電高峰時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)向主電網(wǎng)當(dāng)中輸送電力，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，節(jié)約能源及成本。通過雙向電表對(duì)光電幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電和用電情況進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)和顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力用量及發(fā)電量的計(jì)算統(tǒng)計(jì)。
光電幕墻光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主要原理結(jié)構(gòu)圖如下：(圖3-1)
光電幕墻光伏發(fā)電獨(dú)立系統(tǒng)的主要原理結(jié)構(gòu)圖如下：(圖3-2)
4、 光電幕墻光伏發(fā)電的性能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效率分析
光電幕墻的光電轉(zhuǎn)換率一般可以設(shè)計(jì)為10%-15%,設(shè)計(jì)峰值發(fā)電功率為0.1kw/m2-0.15kw/m2。輸出頻率為50Hz。
從成本方面分析：首先是初始一次性投資費(fèi)用，其次是運(yùn)營過程中維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，第三為廢棄后電池處理費(fèi)用。隨著國家扶持光伏產(chǎn)業(yè)政策出臺(tái)，建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本降低。也就是初始一次性投資費(fèi)用呈下降趨勢(shì)。廢棄后出售使用過設(shè)備，還可以回收一部分資金流。可以獲得利益最大化，提高市場競爭力。
從收益方面分析：節(jié)省外網(wǎng)用電量及并網(wǎng)發(fā)電的電價(jià)收益是整個(gè)收益的來源。當(dāng)前電價(jià)收益主要還是靠政策補(bǔ)貼，以便更好發(fā)展太陽能光伏發(fā)電。盡管初始一次性投資費(fèi)用較大，但是從長遠(yuǎn)角度考慮，可以產(chǎn)生較長遠(yuǎn)的成本投資回收期，可獲得比較可觀的投資回報(bào)收益。
以安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓為例，分析光電幕墻帶來的經(jīng)濟(jì)效益。該工程建筑面積約 5600m2，全年實(shí)際用電量約12 萬k Wh，其中光電幕墻面積約1200 m2，裝機(jī)容量約160 k W，2020 年全年發(fā)電量為6.37萬k Wh，占總用電的 53%。該工程選用銅銦鎵硒薄膜發(fā)電玻璃，既有普通鋼化玻璃功能，還有利用太陽能發(fā)電功能，此發(fā)電玻璃有弱光發(fā)電、溫度系數(shù)低等特點(diǎn)。其弱光發(fā)電特性優(yōu)于普通光伏組件，不僅在高溫天氣發(fā)電效率維持較高水平，還對(duì)室內(nèi)溫度維持穩(wěn)定有很大的益處。綜上數(shù)據(jù)可知：用電費(fèi)用節(jié)省一半有余，帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益。
所以應(yīng)該大力發(fā)展光電幕墻光伏發(fā)電項(xiàng)目，不僅具有維護(hù)環(huán)境污染的社會(huì)效益，還可以實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)的可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
5、 結(jié)束語
光電幕墻在發(fā)電過程中不會(huì)消耗自然資源，不會(huì)產(chǎn)生各種污染。如余熱、廢氣、廢渣、噪音等。GB/T51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)（詞條“技術(shù)標(biāo)”由行業(yè)大百科提供）準(zhǔn)》的發(fā)布與實(shí)施，標(biāo)志著我國超低近零和零能耗建筑節(jié)能時(shí)代到來了，實(shí)現(xiàn)建筑零能耗還需要利用建筑本身創(chuàng)能技術(shù)-太陽能光伏建筑一體化(BIPV)。隨著儲(chǔ)能技術(shù)、光伏發(fā)電電流并網(wǎng)控制技術(shù)、綜合能源管理技術(shù)的不斷提高，新能源發(fā)電相對(duì)不均衡不充足與建筑實(shí)際能耗的匹配問題得以解決;隨著建筑師認(rèn)為把利用太陽能到建筑，使“建筑自然美”的成為主流;隨著發(fā)電型建材和光電建筑一體化技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)規(guī)范的完善;在碳達(dá)峰與碳中和的國家戰(zhàn)略背景下，各級(jí)政府相關(guān)部門及行業(yè)都在出臺(tái)支持光電建筑一體化推廣應(yīng)用的相關(guān)措施。一次性投入成本不斷降低，隨著并網(wǎng)發(fā)電的電價(jià)不斷提高，獲得電價(jià)的收益也日益增加。所以光電幕墻的應(yīng)用前景會(huì)非常廣闊。
參考文獻(xiàn)
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[5]李 虎，劉 祥，殷建家，“碳中和”背景下零能耗建筑BIPV技術(shù)研究與案例分析-以安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓為例.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2022年，第2期，第21卷(總119期)
作者單位：北京佑榮索福恩建筑咨詢有限公司
