光电幕墙及光电屋顶

龙文志

一、 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，20世纪七十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，（见表一）据不完全统计，1999年，全世界太阳能电池的年产量已超过二亿峰瓦（MWP）（见图一、图二），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

=0000km2，这相当于德国和意大利两个国家的面积。我国1995年的发电量约为1亿MW ·h，

表一：太阳能电池的五种应用领域

应用领域

成本效应 标准系统

市场潜力 人造卫星的发电系统

佳，最早的太阳

能

发电应用

数百到千瓦

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

5瓦至5000瓦 预估世界上有十

亿人口没有电网供

应电力

工业应用

利润最高的太阳

能 应用。

5瓦特至1，500瓦

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 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 辅助金而定 2，000瓦至

300，000瓦

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1，000万瓦

电力供应站

太贵，约平常电价 三倍

一百万瓦至上千

百 万瓦

视石油价格及环保要求而定

图一：全世界1966年~1999年太阳能电池产量（单位MWP）

图二：世界主要太阳能电池公司1991年~1998年产量(单位

MWP)

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，因而光电幕墙

（屋顶）近年来发展相当迅速，已建成的一些实例工程有：

德国慕尼黑银行光电屋顶（照片一）面积140m2，功率15kw

德国慕尼黑银行光电幕墙（照片二）面积350m2，功率35kw

丹麦太阳公寓光电屋顶（照片三） 面积970m2，功率106kw

英格兰迪旦弗尔德商场光电幕墙面积650m2，功率73kw （照片四、五、六）

照片四

照片五

照片六

德国旭格集团总部光电幕墙大楼（照片七）

德国慕尼黑商贸中心的6座大厦都装光电屋顶，共有7812个无框架光电板，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2万伏中压电网，预计寿命20年，可减少2万吨的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（见表二）。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 。 表二 美国百万屋顶计划的内容与指标

年代→

指标↓

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 51 376 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

总的CO2的减少（千

2133911110373510

吨）

我国是1958年开始研究太阳能电池，1971年3月发射的我国第二颗人造卫星上开始空间应用，一直工作8年直到卫星坠毁。太阳能电池的地面应用开始1973年，1983~1986年间，我国先后从国外引进7条生产线，使太阳能电池具备了工业化生产能力。截止1998年底，全装的太阳能电池保有量为10MW，光电幕墙（屋顶）到目前尚未有工程实例，由于悉尼的奥运村采用了光电屋顶，预计北京的奥运建筑正在探讨光电幕墙和光电屋顶的使用计划。

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*1018千焦（KJ），相当于1700亿吨标准煤，每年日照时间大于2000h（小时），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（表三，图三），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的在廿一世纪将会得到迅猛的发展。

表三我国太阳辐射资源带

资源带号 名称 指标

Ⅰ 资源丰富带 ≥6700MJ/（m2·a）

Ⅱ 资源较富带 5400~6700MJ/（m2·a）

Ⅲ 资源一般带 4200~5400MJ/（m2·a）

Ⅳ 资源贫乏带 ＜4200MJ/（m2·a） 2

MJ/（m·a）--兆焦/（平方米·年）

32）

图2.5中国太阳能资源分布图（10J/（m·a）［焦耳/（平方米·年）］

图三: 中国太阳能资源分布图

二、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年美国的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。

单晶硅光电电池：

表面规则稳定，

通常呈黑色,

效率约14~17%

照片八→

多晶硅光电电池：

结构清晰，通常呈兰色

效率约12~14%

照片九→

非硅晶光电电池：

透明，不透明或半透明

透过12%的光时，颜色

为灰色，效率为5~7%

照片十→

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，其结构如图（四）所示

图四硅太阳电池结构

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，示意图见图五：

PN结和光生伏打效应（图五）

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/m2，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/m2。在地球表面的S值通常在零到1kw/m2之间变化。图六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：

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?quot;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。

图六不同S对应的曲线簇

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。图七给出了日照强度为1kw/m2，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：

图七各种不同温度下太阳电池的特性曲线

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。

三、光电板

3.1基本结构

（图八） （图九）

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（EV A）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：照片十四所显示的构造，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；照片十五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。模板外形见照片十一、照片十二，模板加工见照片十三。

照片十一 照片十二

照片十三

照片十四 照片十五

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。下面几种结构形式是德国旭格集团提供的：

旭格CW80系统（图十） 旭格FW50系统（图十一）