摘要：本文介紹了
太陽能光電幕墻的基本原理和應用類型，以及國內(nèi)外開發(fā)與應用情況
關(guān)鍵詞：太陽能 幕墻 玻璃
1 前言
能源和環(huán)境是人類社會必須面對的兩大基本問題。據(jù)國際能源組織報告：2003年中國的石油消費日均549萬桶，超過日本的540萬桶，成為世界上僅次于美國的第二大石油消費國。能源供應成為中國能否持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素。化石燃料消耗，對環(huán)境造成根本的影響和破壞。我國科學家根據(jù)不同氣候模式就能源消耗對氣候的影響作出預測：氣候變化將使中國未來農(nóng)業(yè)面臨突出問題，估計到2030年，種植業(yè)產(chǎn)量因全球變暖會減少5％～10％左右。利用
太陽能電池是同時解決上述能源與環(huán)境兩個問題的最佳選擇[1]。
相對于地球本身的能源來說，太陽能是一種取之不盡，用之不竭又無污染的潔凈的
可再生能源。
太陽輻射到地球大氣高層的總能量雖只有其本身每年產(chǎn)生的能量(功率為3.8×1026瓦)的20億分之一，到達地球表面其功率約為8×106瓦，這大約相當于每秒鐘燃燒240萬噸優(yōu)質(zhì)煤所發(fā)出的能量。這一巨大的能量十分驚人。因此，大規(guī)模地開發(fā)和利用太陽能，以解決人類社會發(fā)展所需要的能源問題，是必然的趨勢，是新世紀能源科學技術(shù)發(fā)展的重點之一。
目前，已開發(fā)成功兩種類型的太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)裝置，并得到廣泛應用。一類是太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，即利用一種裝置吸收或反射太陽
輻射能并將其轉(zhuǎn)換成可利用的熱能；另一類是太陽能轉(zhuǎn)換為電能，即利用特制材料(玻璃、硅電池)所產(chǎn)生的
光電效應，使太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，早在100多年前，人們就發(fā)明了光電模板，即利用光照使浸入
電解液的鋅電板產(chǎn)生電流。到了1954年，美國研究人員使用元素硅取得巨大成就，光電模板首先被用在宇宙航行上。
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國起步較晚，尤其是在太陽能電池的開發(fā)、生產(chǎn)上還落后于國際水平，整體上仍處于產(chǎn)量小、應用面窄、產(chǎn)品單一、技術(shù)落后的初級階段。
上述的太陽能利用裝置和材料無論是
透光材料、吸收涂層和各種反射
薄膜，以及當今最為走俏的太陽能電池等都離不開玻璃。透明的
平板玻璃，具有高
透過率、低反射、耐高溫、易加工等特點，無論用于太陽能的熱轉(zhuǎn)化裝置，還是電能的轉(zhuǎn)換裝置都是一種優(yōu)異的基
板材料[2]�，F(xiàn)在，人們越來越關(guān)注健康，綠色環(huán)境意識日益增強，科技發(fā)展進步已將光電模板裝入
建筑幕墻中變?yōu)榭赡�，應用光電幕墻的時代已經(jīng)到來。
2 光電幕墻技術(shù)
2.1 技術(shù)概念
太陽能光電
玻璃幕墻[3]是指將太陽能轉(zhuǎn)換模板
密封在雙層
鋼化玻璃中，安全地實現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型生態(tài)
建材，它集發(fā)電、
隔音、
隔熱、安全、裝飾功能于一身，充分體現(xiàn)了建筑的智能化與人性化特點。
設(shè)計光電幕墻需考慮電池、模板、導線和變壓器各個因素，各電池組成模板，各模板組成小分格，并通過導線連接，所有導線又組成一個變壓器。變壓器是一個封閉的幕墻部分，每套光電
設(shè)備可由一個或多個變壓器組成。每套光電設(shè)備都先產(chǎn)生直流電，再由直流電轉(zhuǎn)變成交流電，并由電壓網(wǎng)傳輸，逆整流器再將230/400伏的電壓轉(zhuǎn)變成頻率通常為50赫茲的電能。
晶體電池通過導線相互連通，并被接在大表面的模板上，這些電池被嵌入堅硬的
樹脂玻璃中，導線可接在模板背面或玻璃邊緣。作為模板一個組成部分的非晶體是一個完整的
平面，相互連通，被嵌入兩塊玻璃和
透明度高的樹脂中。所有模板都可作為幕墻的
建筑材料使用，這些模板極為堅固，電
絕緣性好。采取這些措施后，即使發(fā)生失誤，在可觸摸部位也不會出現(xiàn)危險的電壓。光電模板具備抵御外界環(huán)境侵擾的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50攝氏度至90攝氏度的環(huán)境中，光電模板仍可使用幾十年，而且是極為美觀的造
型材料。
2.2 技術(shù)優(yōu)勢
光電幕墻首先是一種高科技的建筑外殼，可滿足抵御惡劣天氣的所有要求，當然也可滿足建筑物理上的要求，比如
阻燃、隔熱和消音等。光電幕墻還提供了一種與眾不同的造型，這是科技發(fā)展進步的標志。
光電幕墻加裝光電模板后，可節(jié)省傳統(tǒng)的建筑材料，比如光電模板可代替
拋光的自然建材。光電幕墻也大大減輕了環(huán)境的負擔，因為它保護自然資源免受損失。特別是太陽能電池發(fā)電不會排放二
氧化碳或產(chǎn)生對溫室效應有害的氣體，也無噪音，是一種凈能源，與環(huán)境有很好的
相容性。
光電幕墻的最大優(yōu)點在于，它不需燃料，不產(chǎn)生廢氣，無余熱，無廢渣，無噪音污染，可用來發(fā)電。由于能發(fā)電，可少交電費，在國外還可將多余的電賣給電力局。由此可見，光電幕墻本身就是一種可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益和綠色環(huán)保效益的高科技新產(chǎn)品。
2.3 技術(shù)類型
太陽能模板可分為以下幾類[4]:
類型
單晶硅 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
面積 4
cm2 4
cm2 4
cm2 1
cm2 100
cm2 1
cm2 3
cm2 1
cm2 4
cm2 1
cm2
光電轉(zhuǎn)換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量[5]。日本科學家采用的是第二種方案。這種新電池雖然在轉(zhuǎn)換直射陽光的效率上比不上硅，但它可吸收入射角度更小的光線，它甚至可以吸收漫反射光。因此，它能夠在早晚或則雨天、甚至在室內(nèi)都可工作。它的實際工作效率等于甚至超過了普通電池。研究人員正在努力提高電池容量，將它制成可
彎曲的、輕便的
塑料電池。
據(jù)報導，日本產(chǎn)業(yè)化技術(shù)綜合研究所通過在
玻璃基板上形成氧化鋅半導體(n型)與銅
鋁氧化物半導體(p型)的半導體pn結(jié)，試制成功透明的太陽能電池[6]。這是一種可使
可見光透過，利用紫外光進行發(fā)電的新型太陽能電池。太陽光的幅射能量分布在廣泛的波長領(lǐng)域，其中紫外光占6%，可見光5O%，紅外光占44%，以前太陽能電池都是以可見光的利用為中心開發(fā)的，利用禁帶寬度大的半導體通過對人體有害的紫外光發(fā)電，可以使可見光照樣透過。因此人們有可能制造出能對紫外光、可見光、紅外光的應答上進行控制的半導體裝置。
3光電幕墻應用
3.1 國外應用進展
進入90年代后，隨著常規(guī)發(fā)電成本的上升和人們對環(huán)境保護的日益重視，一些國家紛紛實施、推廣太陽能屋頂計劃，并提出了“建筑物產(chǎn)生能源”的新概念，由此推動了光電技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)與應用。美國、日本、德國、
意大利、印度等許多國家都已建有太陽能屋頂或外墻的建筑。
1996年美國就開始實施了一項稱為“
光伏建筑物計劃”生產(chǎn)大量的透明光伏玻璃幕墻制品，用于建筑物的屋面、墻面及光伏
智能門窗。專家們預言，這種采用光-電建筑一體化組件的
光電玻璃幕墻將成為21世紀的并網(wǎng)
太陽能發(fā)電系統(tǒng)最為走俏的工程。在國際上，太陽能電池在建筑物上使用與制造光電玻璃幕墻相結(jié)合的發(fā)展尤為迅速，其市場發(fā)展前景十分看好。
在1991年
慕尼黑最大的建筑行業(yè)
展覽會上，旭格公司首先展出了光電幕墻，這是一個發(fā)展項目，也是將光能應用于
建筑裝飾業(yè)的開始，自此，光電幕墻這一產(chǎn)品的應用引起了專業(yè)人士的關(guān)注。目前，世界上最大的太陽能屋頂光電系統(tǒng)安裝在新慕尼黑貿(mào)易展覽中心。該系統(tǒng)由7812塊西
門子單晶硅組件組成方陣，每塊功率130W，總?cè)萘砍^1MW，所發(fā)電力與20KV電網(wǎng)相聯(lián)，每年能發(fā)電100萬KWH，足夠340戶德國家庭使用。
2000年的悉尼奧運會太陽能光電幕墻、光電屋頂、太陽能路燈已隨處可見。
太陽能電池產(chǎn)量位居第一的夏普從2005年4月開始正式受理太陽能
薄膜電池定單，對于目前的太陽能電池產(chǎn)業(yè)來說，作為原材料的硅，在供應上越來越緊張，因此，需要開發(fā)出硅材料使用量不到原來1/10的薄膜型太陽能電池。這種技術(shù)是采用層積非晶硅單元和結(jié)晶硅薄膜單元的獨有構(gòu)造“結(jié)晶薄膜串疊型單元”通過采用這一構(gòu)造，轉(zhuǎn)換效率從原來非
晶體硅型太陽能電池的7%提高到了11%，另外，還投產(chǎn)了可以透過光線的透光型太陽能電池模塊。
3.2 國內(nèi)應用進展
我國
太陽能集熱器是太陽能應用最為廣泛、產(chǎn)業(yè)化最迅速的產(chǎn)業(yè)之一。1998年的產(chǎn)量居世界榜首，年銷售總額達到35億元。但
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國起步較晚，尤其是在太陽能電池的開發(fā)、生產(chǎn)上還落后于國際水平，整體上仍處于產(chǎn)量小、應用面窄、產(chǎn)品單一、技術(shù)落后的初級階段。
目前，我國國內(nèi)經(jīng)粗略統(tǒng)計表明，約僅建有5個（單晶硅）太陽能電池生產(chǎn)廠，年產(chǎn)量約有4.5兆瓦，工廠設(shè)施仍停留在已有引進的
生產(chǎn)線上。而國外不少企業(yè)已把眼光瞄準更為先進的薄膜晶體太陽能電池的開發(fā)與生產(chǎn)上。這種新一代的先進的薄膜晶體太陽能電池其轉(zhuǎn)換效率可高達18.3％，比目前平均轉(zhuǎn)換效率提高了3個百分點。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，我國太陽能電池平均轉(zhuǎn)換效率不高，其主要原因是專用材料國產(chǎn)化程度低，如封裝玻璃就完全依賴進口，低鐵含量的高透過率基板玻璃市場仍不能滿足需求，科研成果還沒有迅速及完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。
令人欣慰的是，我國的太陽能產(chǎn)業(yè)已開始運作。中國科學院宣布啟動西部行動計劃，將在兩年內(nèi)投入2.5億元人民幣開展研究，建立若干個太陽能發(fā)電、太陽能供熱、太陽能空調(diào)等示范工程。目前河北保定國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)正加快建設(shè)我國規(guī)模最大的
多晶硅太陽能電池生產(chǎn)基地，該項目集太陽能電池、組件及應用系統(tǒng)等為一體，一期工程完成后可達到年產(chǎn)3兆瓦多晶
硅太陽能電池的能力，填補了我國在太陽能開發(fā)應用方面多項空白，并將大大推動太陽能電池用低鐵玻璃的生產(chǎn)、銷售市場。
另據(jù)報道，北新集團是最早率先組織專家對國內(nèi)、國際
太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進行調(diào)查的單位之一。最后該集團決定與瑞士的ATLANTIS公司合資組建了北京-阿脫蘭太陽能科技有限公司，合資生產(chǎn)太陽能
光伏發(fā)電組件和屋面發(fā)電組件兩大系列、多個品種的光伏發(fā)電產(chǎn)品，并將這一世界領(lǐng)先的太陽能利用新技術(shù)引入中國。北新集團于1998年在國內(nèi)首家引進了76千瓦國際上先進的屋面太陽能發(fā)電系統(tǒng)，至今一直運行穩(wěn)定、效果良好。這套系統(tǒng)日均發(fā)電量為12千瓦時以上，可滿足1個小康之家用電要求。
目前，國家計委和國家科委對發(fā)展太陽能技術(shù)及其應用給予了大力的支持。隨著節(jié)能和環(huán)保的需要，我國正在逐漸接受這種光電幕墻。目前光電幕墻現(xiàn)多用于
標志性建筑的屋頂和外墻。為了滿足國內(nèi)市場需求，已經(jīng)有多家企業(yè)通過與海外企業(yè)合資、合作，引進、生產(chǎn)這種光電幕墻產(chǎn)品。在研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光電幕墻產(chǎn)品方面，國內(nèi)業(yè)界緊緊追蹤國際先進技術(shù)，于2002年開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光電幕墻產(chǎn)品，并成功首次應用在位于深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的方大集團科技中心大廈工程中，其采用的光電幕墻有效面積為93.8平方米，設(shè)計峰值發(fā)電功率10.3千瓦，
建筑標高97米，是我國第一幢光電幕墻建筑。
此外，值得一提的是我國河北振海鋁業(yè)集團有限公司已將從事多年的
建筑玻璃幕墻業(yè)務向太陽能光電玻璃幕墻領(lǐng)域奮力開拓發(fā)展，迄今已邁出了可喜的一步。該集團在國家大力支持下，率先在公司總部基地投資1.6億多元，建設(shè)一條年生產(chǎn)能力為6萬平方米的多晶硅光電幕墻生產(chǎn)線。該項目引進國外20世紀90年代末國際先進的6萬平方米光電玻璃幕墻生產(chǎn)裝備線。共主要指標大致為：多晶
硅片生產(chǎn)量240千克，多晶硅太陽能電池平均效率≥13％，生產(chǎn)能力為6萬平方米/年。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，該光電玻璃幕墻封裝線采用引進德國凱特米化學制品有限公司的最新隔音、
安全玻璃濕法夾膠設(shè)備和濕法
夾膠玻璃漿液進行玻璃封裝，以確保其光電轉(zhuǎn)換效率及玻璃幕墻的使用壽命。據(jù)介紹，該引進的光電玻璃幕墻封裝生產(chǎn)線產(chǎn)量大、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好；其玻璃封裝流程大致如下：玻璃上片→濕法灌漿→靜置→紫外線
固化→下片→檢驗→包裝→出廠，并能夠生產(chǎn)封裝4.2米×2.0米的大型尺寸的光電玻璃幕墻制品。與此同時，還可生產(chǎn)用戶型常規(guī)尺寸的光電幕墻，其產(chǎn)品品種規(guī)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。河北振海鋁業(yè)集團公司除了生產(chǎn)上述光電玻璃幕墻制品外，同時也可將基本光電幕墻單元與各種玻璃組合制造成各種多功能幕墻結(jié)構(gòu)如普通
中空玻璃光電幕墻、LOW-E（低輻射）
中空玻璃幕墻形式等。
河北振海鋁業(yè)集團公司是德國皮爾金頓太陽能國際有限公司在中國獨家總代理，現(xiàn)已投入生產(chǎn)世界先進的太陽能電池玻璃封裝設(shè)備和
配套材料，如德國凱米特化學制品有限公司的優(yōu)質(zhì)濕法玻璃層壓設(shè)備、濕法灌漿液（封裝介質(zhì)）等。振海集團的基地于1999年11月已在我國率先安裝了100多平方米的光電玻璃幕墻示范建筑物，現(xiàn)已竣工投入應用，其運行使用效果良好，已成國內(nèi)一大景觀及太陽能光伏發(fā)電工程的典范，在建造及安裝100多平方米光電幕墻實施期間，德國皮爾金頓太陽能公司在中國現(xiàn)場與振海集團公司人員共同進行光電幕墻的規(guī)�；a(chǎn)、光電轉(zhuǎn)化多晶硅片在雙層玻璃中的布控、接線、光電幕墻制品件的邊框封裝直至建筑物上的安裝調(diào)試、試用、檢測，使振海集團在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、檢測、使用等和對光電玻璃幕墻的維護等方面積累了寶貴經(jīng)驗。為該集團公司今后將該項工程及其光伏發(fā)電產(chǎn)品的生產(chǎn)、應用、銷售等推向國內(nèi)外市場打下了堅實的基礎(chǔ)。
據(jù)悉，我國
光伏產(chǎn)品在過去幾年增長率已達30％左右。專業(yè)人士預測，在今后的10年里，我國光伏產(chǎn)品年增長率將高達20％～30％，同時由邊遠農(nóng)村和特殊應用向并網(wǎng)發(fā)電與
建筑構(gòu)件相結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電補充能源向替代能源過渡已是不爭的事實。光伏發(fā)電工程中的光電玻璃幕墻組件如得到廣泛應用于我國今后的新建筑物上，它能夠使玻璃和建筑結(jié)構(gòu)完善和諧結(jié)合，智能化并產(chǎn)生能量，將表現(xiàn)出具有高效率的應用價值。同時會進一步使國人認識到大力推廣、發(fā)展生產(chǎn)、使用光電玻璃幕墻，除了發(fā)電供能的功能之外，光電幕墻還同樣具有隔音、隔熱功能、安全功能（雙層鋼化、
夾層工藝）、裝飾功能（彩色硅片）、和諧環(huán)境功能等特有的功效。
4 展望
光電玻璃幕墻制品可廣泛用于建筑物的
遮陽系統(tǒng)、建筑物幕墻、光伏屋頂、光伏
門窗等光伏發(fā)電。也可用于邊遠山區(qū)居民、交通、通信、氣象、軍事等部門，如電視轉(zhuǎn)播站、衛(wèi)星地面站、微波中繼站、公路及鐵路信號燈、農(nóng)用
光伏系統(tǒng)、航標燈、燈塔等。
雖然光電玻璃幕墻在我國的研制、生產(chǎn)及應用起步較晚，但美國的“光伏建筑計劃”、歐洲的“百萬屋頂光伏計劃”、日本的“朝日計劃”以及我國開展的“光明工程”將掀起中國的
節(jié)能環(huán)保生態(tài)建材的開發(fā)應用熱潮，大大促進了光伏建材產(chǎn)品的發(fā)展及推廣應用。
光電玻璃幕墻是當今太陽能利用的光伏發(fā)電工程中重要產(chǎn)品之一，現(xiàn)已成世界能源產(chǎn)業(yè)中走俏的“朝陽工業(yè)產(chǎn)品”。據(jù)介紹，1997年世界光電玻璃幕墻組件（產(chǎn)品）為122萬平方米，年增長率為38.5%，1998年的年增長率為29%，1999年的年增長率為22%；權(quán)威人士估計，進入21世紀的今后幾年里，世界對光電玻璃幕墻的需求年增長率將會穩(wěn)定保持在20%左右的良好勢頭里。
到2010年，世界
光伏工程中的光電玻璃幕墻組件需求將會上升到1600萬平方米，如果以僅僅2000元/平方米市場價格來計算，可達30億美元的產(chǎn)值，這一偌大的市場，將大大拉動作為太陽能利用光伏工程用低鐵
浮法玻璃、LOW-E（低輻射）玻璃、普通
浮法平板玻璃的市場需求，前景十分誘人。
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作者介紹：
王爍 wangshuo
1978年8月16日、男、河北、工程師、碩士、天津南玻工程玻璃有限公司（TIANJIN CSG ARCHITECTURAL GLASS CO., LTD.）
