摘要：本文介绍了太阳能光电的基本原理和应用类型，以及国内外开发与应用情况 关键词：太阳能 幕墙 玻璃 1 前言 能源和环境是人类社会必须面对的两大基本问题。据国际能源组织报告：2003年中国的石油消费日均549万桶，超过日本的540万桶，成为世界上仅次于美国的第二大石油消费国。能源供应成为中国能否持续稳定发展的关键因素。化石燃料消耗，对环境造成根本的影响和破坏。我国科学家根据不同气候模式就能源消耗对气候的影响作出预测：气候变化将使中国未来农业面临突出问题，估计到2030年，种植业产量因全球变暖会减少5％～10％左右。利用太阳能电池是同时解决上述能源与环境两个问题的{zj0}选择[1]。 相对于地球本身的能源来说，太阳能是一种取之不尽，用之不竭又无污染的洁净的可再生能源。太阳辐射到地球大气高层的总能量虽只有其本身每年产生的能量(功率为3.8×1026瓦)的20亿分之一，到达地球表面其功率约为8×106瓦，这大约相当于每秒钟燃烧240万吨优质煤所发出的能量。这一巨大的能量十分惊人。因此，大规模地开发和利用太阳能，以xxx类社会发展所需要的能源问题，是必然的趋势，是新世纪能源科学技术发展的重点之一。 幕墙设计 目前，已开发成功两种类型的太阳能转换技术装置，并得到广泛应用。一类是太阳能转换为热能，即利用一种装置吸收或反射太阳辐射能并将其转换成可利用的热能；另一类是太阳能转换为电能，即利用特制材料(玻璃、硅电池)所产生的光电效应，使太阳能直接转换为电能，早在100多年前，人们就发明了光电模板，即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，光电模板首先被用在宇宙航行上。太阳能光伏发电系统在我国起步较晚，尤其是在太阳能电池的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。 上述的太阳能利用装置和材料无论是透光材料、吸收涂层和各种反射薄膜，以及当今最为走俏的太阳能电池等都离不开玻璃。透明的平板玻璃，具有高透过率、低反射、耐高温、易加工等特点，无论用于太阳能的热转化装置，还是电能的转换装置都是一种优异的基板材料[2]。现在，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，应用光电幕墙的时代已经到来。 2 光电幕墙技术 2.1 技术概念 幕墙设计 太阳能光电玻璃幕墙[3]是指将太阳能转换模板密封在双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材，它集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身，充分体现了建筑的智能化与人性化特点。幕墙设计 光电幕墙需考虑电池、模板、导线和变压器各个因素，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变压器。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。幕墙设计 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。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不会出现危险的电压。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摄氏度至90摄氏度的环境中，光电模板仍可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。幕墙设计 2.2 技术优势 光电幕墙首先是一种高科技的建筑外壳，可满足抵御恶劣天气的所有要求，当然也可满足建筑物理上的要求，比如阻燃、隔热和消音等。光电幕墙还提供了一种与众不同的造型，这是科技发展进步的标志。 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。光电幕墙也大大减轻了环境的负担，因为它保护自然资源免受损失。特别是太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。幕墙设计 光电幕墙的{zd0}优点在于，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力局。由此可见，光电幕墙本身就是一种可以产生经济效益和绿色环保效益的高科技新产品。幕墙设计 2.3 技术类型 太阳能模板可分为以下几类[4]: 幕墙设计 类型 单晶硅 多晶硅 聚光硅 多晶膜 非晶硅 GaAs CdTe CuInSe2 CdS/Cu2S 染料敏化膜 效率 20.4 14.5 17 13.6 8.6 20.1 7 9 12 10 面积 4cm2 4cm2 4cm2 1cm2 100cm2 1cm2 3cm2 1cm2 4cm2 1cm2 光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。这一过程有两种解决途径，最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置，另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量[5]。日本科学家采用的是第二种方案。这种新电池虽然在转换直射阳光的效率上比不上硅，但它可吸收入射角度更小的光线，它甚至可以吸收漫反射光。因此，它能够在早晚或则雨天、甚至在室内都可。它的实际工作效率等于甚至超过了普通电池。研究人员正在努力提高电池容量，将它制成可弯曲的、轻便的塑料电池。 据报导，日本产业化技术综合研究所通过在玻璃基板上形成氧化锌半导体(n型)与铜铝氧化物半导体(p型)的半导体pn结，试制成功透明的太阳能电池[6]。这是一种可使可见光透过，利用紫外光进行发电的新型太阳能电池。太阳光的幅射能量分布在广泛的波长领域，其中紫外光占6%，可见光5O%，红外光占44%，以前太阳能电池都是以可见光的利用为中心开发的，利用禁带宽度大的半导体通过对人体有害的紫外光发电，可以使可见光照样透过。因此人们有可能制造出能对紫外光、可见光、红外光的应答上进行控制的半导体装置。幕墙设计 3光电幕墙应用 3.1 国外应用进展 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的建筑。幕墙设计 1996年美国就开始实施了一项称为“光伏建筑物计划”生产大量的透明光伏玻璃幕墙制品，用于建筑物的屋面、墙面及光伏智能。专家们预言，这种采用光-电建筑一体化组件的光电玻璃幕墙将成为21世纪的并网太阳能发电系统最为走俏的工程。在国际上，太阳能电池在建筑物上使用与制造光电玻璃幕墙相结合的发展尤为迅速，其市场发展前景十分看好。幕墙设计 在1991年慕尼黑{zd0}的建筑行业展览会上，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，自此，光电幕墙这一产品的应用引起了专业人士的关注。目前，世界上{zd0}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KWH，足够340户德国家庭使用。幕墙设计 2000年的悉尼奥运会太阳能光电幕墙、光电屋顶、太阳能路灯已随处可见。 太阳能电池产量位居{dy}的夏普从2005年4月开始正式受理太阳能薄膜电池定单，对于目前的太阳能电池产业来说，作为原材料的硅，在供应上越来越紧张，因此，需要开发出硅材料使用量不到原来1/10的薄膜型太阳能电池。这种技术是采用层积非晶硅单元和结晶硅薄膜单元的独有构造“结晶薄膜串叠型单元”通过采用这一构造，转换效率从原来非晶体硅型太阳能电池的7%提高到了11%，另外，还投产了可以透过光线的透光型太阳能电池模块。幕墙设计 3.2 国内应用进展 我国太阳能集热器是太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。1998年的产量居世界榜首，年销售总额达到35亿元。但太阳能光伏发电系统在我国起步较晚，尤其是在太阳能电池的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。 目前，我国国内经粗略统计表明，约仅建有5个（单晶硅）太阳能电池生产厂，年产量约有4.5兆瓦，工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达18.3％，比目前平均转换效率提高了3个百分点。据业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国产化程度低，如封装玻璃就xx依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求，科研成果还没有迅速及xx转化为产业优势。幕墙设计 令人欣慰的是，我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模{zd0}的多晶硅太阳能电池生产基地，该项目集太阳能电池、组件及应用系统等为一体，一期工程完成后可达到年产3兆瓦多晶硅太阳能电池的能力，填补了我国在太阳能开发应用方面多项空白，并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。 另据报道，北新集团是最早率先组织专家对国内、国际太阳能光伏发电产业进行调查的单位之一。{zh1}该集团决定与瑞士的ATLANTIS公司合资组建了北京-阿脱兰太阳能科技有限公司，合资生产太阳能光伏发电组件和屋面发电组件两大系列、多个品种的光伏发电产品，并将这一{sjlx}的太阳能利用新技术引入中国。北新集团于1998年在国内xx引进了76千瓦国际上先进的屋面太阳能发电系统，至今一直运行稳定、效果良好。这套系统日均发电量为12千瓦时以上，可满足1个小康之家用电要求。 目前，国家计委和国家科委对发展太阳能技术及其应用给予了大力的支持。随着节能和环保的需要，我国正在逐渐接受这种光电幕墙。目前光电幕墙现多用于标志性建筑的屋顶和外墙。为了满足国内市场需求，已经有多家企业通过与海外企业合资、合作，引进、生产这种光电幕墙产品。在研发具有自主知识产权的光电幕墙产品方面，国内业界紧紧追踪国际先进技术，于2002年开发出具有自主知识产权的光电幕墙产品，并成功首次应用在位于深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程中，其采用的光电幕墙有效面积为93.8平方米，设计峰值发电功率10.3千瓦，建筑标高97米，是我国{dy}幢光电幕墙建筑。 此外，值得一提的是我国河北振海铝业集团有限公司已将从事多年的建筑玻璃幕墙业务向太阳能光电玻璃幕墙领域奋力开拓发展，迄今已迈出了可喜的一步。该集团在国家大力支持下，率先在公司总部基地投资1.6亿多元，建设一条年生产能力为6万平方米的多晶硅光电幕墙生产线。该项目引进国外20世纪90年代末国际先进的6万平方米光电玻璃幕墙生产装备线。共主要指标大致为：多晶硅片生产量240千克，多晶硅太阳能电池平均效率≥13％，生产能力为6万平方米/年。幕墙设计 据业内人士介绍，该光电玻璃幕墙封装线采用引进德国凯特米化学制品有限公司的{zx1}隔音、安全玻璃湿法夹胶设备和湿法夹胶玻璃浆液进行玻璃封装，以确保其光电转换效率及玻璃幕墙的使用寿命。据介绍，该引进的光电玻璃幕墙封装生产线产量大、效率高、产品质量好；其玻璃封装流程大致如下：玻璃上片→湿法灌浆→静置→紫外线固化→下片→检验→包装→出厂，并能够生产封装4.2米×2.0米的大型尺寸的光电玻璃幕墙制品。与此同时，还可生产用户型常规尺寸的光电幕墙，其产品品种规格大致如下： 1400×620×38(mm),功率97瓦；1220×510×38(mm),功率70瓦；980×435×38(mm),功率43瓦；504×220×25(mm),功率11瓦。河北振海铝业集团公司除了生产上述光电玻璃幕墙制品外，同时也可将基本光电幕墙单元与各种玻璃组合制造成各种多功能幕墙结构如普通玻璃光电幕墙、LOW-E（低辐射）中空玻璃幕墙形式等。幕墙设计 河北振海铝业集团公司是德国皮尔金顿太阳能国际有限公司在中国{dj2}总代理，现已投入生产世界先进的太阳能电池玻璃封装设备和配套材料，如德国凯米特化学制品有限公司的优质湿法玻璃层压设备、湿法灌浆液（封装介质）等。振海集团的基地于1999年11月已在我国率先安装了100多平方米的光电玻璃幕墙示范建筑物，现已竣工投入应用，其运行使用效果良好，已成国内一大景观及太阳能光伏发电工程的典范，在建造及安装100多平方米光电幕墙实施期间，德国皮尔金顿太阳能公司在中国现场与振海集团公司人员共同进行光电幕墙的规模化生产、光电转化多晶硅片在双层玻璃中的布控、接线、光电幕墙制品件的边框封装直至建筑物上的安装调试、试用、检测，使振海集团在生产、安装、调试、检测、使用等和对光电玻璃幕墙的维护等方面积累了宝贵经验。为该集团公司今后将该项工程及其光伏发电产品的生产、应用、销售等推向国内外市场打下了坚实的基础。 据悉，我国光伏产品在过去几年增长率已达30％左右。专业人士预测，在今后的10年里，我国光伏产品年增长率将高达20％～30％，同时由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑构件相结合供电的方向发展，光伏发电补充能源向替代能源过渡已是不争的事实。光伏发电工程中的光电玻璃幕墙组件如得到广泛应用于我国今后的新建筑物上，它能够使玻璃和建筑结构完善和谐结合，智能化并产生能量，将表现出具有高效率的应用价值。同时会进一步使国人认识到大力推广、发展生产、使用光电玻璃幕墙，除了发电供能的功能之外，光电幕墙还同样具有隔音、隔热功能、安全功能（双层钢化、夹层工艺）、装饰功能（彩色硅片）、和谐环境功能等特有的功效。 4 展望 光电玻璃幕墙制品可广泛用于建筑物的遮阳系统、建筑物幕墙、光伏屋顶、光伏门窗等光伏发电。也可用于边远山区居民、交通、通信、气象、军事等部门，如电视转播站、卫星地面站、微波中继站、公路及铁路信号灯、农用光伏系统、航标灯、灯塔等。幕墙设计 虽然光电玻璃幕墙在我国的研制、生产及应用起步较晚，但美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国开展的“光明工程”将掀起中国的节能环保生态建材的开发应用热潮，大大促进了光伏建材产品的发展及推广应用。幕墙设计 光电玻璃幕墙是当今太阳能利用的光伏发电工程中重要产品之一，现已成世界能源产业中走俏的“朝阳工业产品”。据介绍，1997年世界光电玻璃幕墙组件（产品）为122万平方米，年增长率为38.5%，1998年的年增长率为29%，1999年的年增长率为22%；xx人士估计，进入21世纪的今后几年里，世界对光电玻璃幕墙的需求年增长率将会稳定保持在20%左右的良好势头里。 到2010年，世界光伏工程中的光电玻璃幕墙组件需求将会上升到1600万平方米，如果以仅仅2000元/平方米市场价格来计算，可达30亿美元的产值，这一偌大的市场，将大大拉动作为太阳能利用光伏工程用低铁浮法玻璃、LOW-E（低辐射）玻璃、普通浮法平板玻璃的市场需求，前景十分诱人。 |
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