光伏真空玻璃在建筑节能中的应用

近年来，光伏技术在建筑上的应用得到了快速发展。光伏建筑一体化（BIPV）是太阳能光伏与建筑的完美结合，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，能有效减轻公共电网的压力。“开源节流”是解决能源问题的唯一选择。常规光伏组件与建筑结合实现了开源，却没达到节流的目的。其原因是玻璃热工性能差，主要指标之一传热系数U 值高，单层玻璃的约为6W/（m2·K），普通中空玻璃的约为2.8W/（m2·K），Low-E 中空玻璃的约为2.0W/（m2·K），远高于一般墙体的传热系数，使内外温差带来的传热很高。

真空玻璃是一种新型节能玻璃，超级节能Low-E 真空玻璃的U 值可降到0.6W/（m2·K）以下，真空玻璃和中空玻璃组合成复合真空玻璃，保温隔热效果十分显著。光伏真空玻璃与建筑相结合，一方面利用光伏组件为建筑发电，增加太阳能发电量，降低供电高峰常规电力负荷；另一方面，利用真空玻璃较低的传热系数，减少供暖和空调制冷期消耗的电力，达到开源节流的效果。

2 太阳能光伏建筑一体化

2.1 太阳能光伏电池种类

太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置。目前太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型两大类型。晶体硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，具有转换效率高（为16%～18%）、稳定性好的特点，是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能光伏产品，占据世界光伏市场80%的份额。

薄膜太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池和碲化镉薄膜电池等，是在玻璃、塑胶等廉价衬底上镀的一层薄膜，镀膜厚度可薄至2μm，远低于晶体硅厚度80μm～300μm。但薄膜电池转换效率比晶体硅电池低，目前市场份额还较小。

2.2 太阳能光伏建筑一体化

太阳能光伏建筑一体化（BIPV）技术即将太阳能发电产品集成或结合到建筑上的技术。其不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化（简称BIPV）是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑。根据光伏组件与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：

（1）光伏组件附着在建筑上。这种方式是将光伏组件依附于建筑物上，建筑物作为光伏组件载体，起支承作用。其优点是太阳电池板可以在普通流水线上大批量生产，成本低、价格便宜，既能安装在建筑结构体上，又能单独安装。其缺点是无法直接代替建筑材料使用，太阳能电池板与建材重叠使用造成浪费，施工成本高。

（2）光伏组件与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏组件成为建筑物不可分割的一部分。相比较而言，光伏组件与建筑的集成技术要求相对更高，因为它不仅用来发电，而且还要兼顾建筑的防水、保温、强度等基本功能要求。

要真正实现光伏建筑一体化，就要使光伏组件作为建筑结构的功能部分，取代部分传统建筑结构如屋顶板、瓦、窗户、建筑立面等，使其成为建筑的有机组成部分。将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，做到与建筑同步设计、同步施工、同步验收。

3 真空玻璃

在建筑中，玻璃是能耗大户。要提高建筑的保温性能，提高建筑节能指标，提高玻璃的保温性能是关键之一。真空玻璃综合了镀膜玻璃、中空玻璃的技术优势，结合具有自主知识产权的真空技术，在保温隔热、防结露、隔声、抗风压等方面性能优越，形成了超级节能玻璃。真空玻璃基于保温瓶原理，将两片玻璃四周密封，中间抽真空，间隙为0.1mm～0.2mm，其中置有规则排列的微小支撑物来承受大气压力。由于内部是真空层，有效隔绝了热量传导与对流，而Low-E玻璃有效降低了辐射传热，因此Low-E真空玻璃的传热系数U 值可降到0.6W/（m2·K）以下，具有较好的保温隔热效果。

4 光伏真空玻璃

将真空玻璃与光伏组件结合在一起用在建筑上，在满足常规采光和美学的基础上，既能保温、隔热、隔声，又能提供清洁环保的电能。北京新立基真空玻璃技术有限公司已制作出薄膜光伏真空玻璃样品，并进行了表面温度、湿漏电测试、I-V 测试和机械载荷测试。测试结果表明，薄膜电池与真空玻璃结合后，性能基本不变。

5 光伏真空玻璃结构

光伏组件与真空玻璃结合方式：

（1）晶硅电池与真空玻璃集成时，一种是真空玻璃整体作为一片玻璃，与另一片钢化玻璃中间复合太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串联或并联汇集到引线端，合成夹胶结构。另一种是将钢化夹层结构作为一块玻璃，和真空玻璃组成中空结构。

（2）薄膜电池是在玻璃基板上镀的一层薄膜，与Low-E镀膜玻璃类似，可以作为一片玻璃使用。与真空玻璃集成时，直接作为外片玻璃与真空玻璃夹胶。另一种是将薄膜组件作为一片玻璃，与真空玻璃组成中空结构。

6 光伏真空玻璃节能分析

6.1 真空玻璃的节能效果计算

北京新立基真空玻璃技术有限公司与建筑材料工业技术情报所合作，共同研究了建筑节能的计算方法，开发了“冬夏季累积评价法”，研究玻璃类型见表1。

根据“冬夏季累积评价法”，以同一公共建筑为模型，严寒地区（哈尔滨）和寒冷地区（北京）气候条件为代表，使用真空玻璃窗代替普通白玻窗、普通中空玻璃窗和Low-E中空玻璃窗后，节约的一次能源消耗和节约的能源费用、相对节能率和减排量如图表2～表4 所示。

从以上计算结果可知，真空玻璃的节能量较其它玻璃有明显优势，在严寒地区尤为突出。真空玻璃相对于其它玻璃，全年的节能率至少在56%以上，其污染物减排量效果也十分明显。

6.2 光伏真空玻璃表面温度研究

由于太阳能电池的温度效应，温度升高，发电效率降低。本实验选择双玻夹层组件、光伏中空组件和光伏真空组件，研究光伏组件与真空玻璃结合后，对发电效率的影响。三种光伏组件安装在试验房的南立面，从左向右依次是夹层组件、光伏真空组件和光伏中空组件，热电偶直接粘贴在组件的内外表面中心位置，如图1 所示。

用无纸记录仪连续记录光伏组件的内外表面温度和室内外环境温度。试验房在阳光充足的楼顶，通过空调控制试验房室内环境温度。试验选取北京冬天最冷的1 月份进行。试验结果如下：

(1) 白天，空调开，有光照情况。

图2 为冬季白天有光照，室内空调开的条件下，三种组件外表面中心温度曲线，从图中可以看出，在中午11︰00 之前，三种组件外表面温度相差不大，因此发电效率也相差不大。11︰00 之后到试验结束，真空玻璃表面温度最高，中空玻璃次之，夹层组件温度最低，原因是光伏组件在吸收太阳能发电的同时，自身也产生热量，并且由于真空玻璃热阻大，热量传导小，所以外表面温度最高。根据太阳能电池的温度效应，表面温度升高，发电效率下降。

薄膜电池的温度系数为-0.22%/℃，即温度每升高1℃，发电效率降低0.22%。实际发电效率：P_m=P_mo×[1+（T-25℃）]其中，α 为温度系数；P_mo为光伏组件额定发电效率。

表5 为根据上述公式计算的三种组件最高温度下实际的输出功率。从表5 可知，虽然真空玻璃组件表面温度较其它两种组件高，但实际发电效率降低的并不大，比标准发电效率相比只降低了3%左右，因此，使用光伏真空玻璃不会显著降低光伏组件的发电效率。

（2）夜晚，空调开，无光照情况。

图3 为冬季夜晚无光照，室内空调开的条件下，三种组件内表面中心温度曲线，从图中可以看出，光伏真空组件内表面温度最高，其次是光伏中空组件，光伏夹层组件温度最低。在夜晚无光照条件下，内部热量全部来自空调，光伏真空组件内表面温度最高，减少了热量损失，保温性能最好，具有很好的节能作用。而光伏夹层组件保温性能差，室内热量源源不断的从室内传到室外，导致内表面温度降低，热量大量流失。光伏中空组件的保温性能介于两者之间。

7 结论

从上述试验结果可知，冬季条件下，使用光伏真空玻璃既不影响光伏组件的发电效果，又具有较好的保温作用，因此，将光伏真空玻璃与建筑一体化，既能大幅提高建筑物的保温、隔热功效，又能提供清洁环保的电能，是一种既节能又发电的低碳建筑材料。