建筑一體化半透明光伏窗

在現(xiàn)在的生活中，太陽能產(chǎn)品處處可見，人們用太陽能煮飯，還有太陽能熱水器等等，無處不見太陽能產(chǎn)品，當然，最重要的還是太陽能發(fā)電，但是目前的技術并不能讓人們很好利用太陽能發(fā)電，隨著光伏技術的不斷進步和光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，近年來建筑一體化半透明光伏窗(簡稱光伏窗或“光伏發(fā)電玻璃”)吸引了越來越多的研究人員和生產(chǎn)廠家的高度關注。

簡單來說，光伏窗是指使用由雙層玻璃封裝的半透明光伏組件來取代傳統(tǒng)玻璃而構成的窗戶系統(tǒng)，圖2給出了常見晶體硅和薄膜半透明光伏組件的組成結構。光伏窗不透明(或半透明)的電池部分可以通過光伏效應發(fā)電，而透明(或半透明)部分則可以實現(xiàn)自然采光以及室內(nèi)外的視覺交流。與其他先進窗戶技術相比，光伏窗的最大特點是可以通過光伏作用主動將一部分太陽輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫碾娔堋?/p>

半透明光伏窗的發(fā)電性能受太陽能電池種類、組件透過率、太陽輻照強度以及建筑朝向等因素影響。根據(jù)組件透過率高低，目前已經(jīng)商業(yè)化的晶體硅、非晶硅和碲化鎘半透明光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率大約為8-17%，5-9%和7-14%。研究人員對印度地區(qū)使用不同透過率的碲化鎘半透明光伏窗的能效進行了深入研究[1]，結果表明效率為9.9%的南向碲化鎘光伏窗的年最大發(fā)電量可以高達119.6 kWh/m2。效率為6%的南向半透明非晶硅光伏窗在香港[2]和美國舊金山灣區(qū)[3]的年發(fā)電量分別為38 kWh/m2 和65 kWh/m2。

在安裝角度和透光需求等不利因素影響下，雖然單位面積的光伏窗的發(fā)電量要比傳統(tǒng)的以最佳傾斜角安裝的光伏系統(tǒng)的發(fā)電量低，但是光伏窗除了可以發(fā)電外，更重要的是具有很好的建筑節(jié)能效果。

一方面，它可以通過減少室內(nèi)太陽得熱而降低空調(diào)制冷能耗。半透明光伏窗的平均太陽得熱系數(shù)僅為0.25 甚至更低，遠遠低于普通玻璃窗的太陽得熱系數(shù)(0.85)和low-e雙層中空玻璃窗的太陽得熱系數(shù)(0.364)。相比傳統(tǒng)玻璃窗，半透明光伏窗在香港可以節(jié)約61%的空調(diào)制冷能耗[4]，在日本可以節(jié)約54%的空調(diào)制冷能耗[5]，在巴西可以節(jié)約高達43%的能耗[6]，在印度可以減少60.4%的凈能耗[7]，在韓國可以減少47%的能耗需求[8] ，在地中海區(qū)域可以減少59%的能耗[9] ，在美國舊金山灣區(qū)可以減少50%的空調(diào)制冷能耗[3]。相比于普通中空玻璃窗，非晶硅半透明光伏窗在國內(nèi)5大氣候區(qū)的平均節(jié)能率也高達30%以上[10]。

另一方面，合理設計的光伏窗還可以最大程度地利用自然采光并改善視覺不舒適性。Didone等[11]關于非晶硅光伏窗自然采光效果的研究表明：采用光電傳感器和自動調(diào)暗系統(tǒng)對人工照明加以控制之后，光伏窗可以恰到好處地利用自然采光從而減少人工照明能耗以及相應的照明空調(diào)負荷。Do等[12] 報道半透明光伏窗與自動調(diào)暗系統(tǒng)結合使用可以減少3%-14%的人工照明能耗，同時可以將房間峰值冷負荷降低14%-26%，因此半透明光伏窗的應用可以進一步降低空調(diào)系統(tǒng)設備容量，從而實現(xiàn)更大程度節(jié)能。Schmid和Uehara[13]的研究結果表明使用光伏窗的房間持續(xù)自然光可用度(continuous daylight availability, cDA)僅降低4.9%-6%，但是其平均眩光指數(shù)(average daylight glare index)則下降23.3%-30.3%。這意味著，相比傳統(tǒng)玻璃窗，使用光伏窗雖然會稍微增加一點人工照明能耗，但是其可以大大降低窗戶的視覺不舒適性。美國勞倫斯伯克利國家實驗室的實驗研究[14]表明，優(yōu)化設計的半透明光伏窗可以有效改善視覺不舒適性，因此可以同時充當內(nèi)部遮陽的功能，節(jié)約了窗簾成本。

綜上所述，一個優(yōu)化設計的光伏窗不僅可以發(fā)電，還可以通過降低太陽得熱量和調(diào)控入射太陽輻射從而減少建筑物空調(diào)能耗、改善自然采光效果和提高視覺舒適性。筆者在香港和美國舊金山地區(qū)的研究結果表明[15,14]，光伏窗所帶來的能量收益中只有1/3是來自于發(fā)電，另外2/3的收益來自于空調(diào)節(jié)能。因此，光伏窗為零能耗建筑以及具有較大窗墻比的高層辦公建筑節(jié)能提供了一個非常好的建筑節(jié)能解決方案。

目前限制光伏窗大規(guī)模應用的另一個重要因素就是成本問題。然而實際上太陽能電池本身所增加的成本已經(jīng)非常低，一般不超過500 RMB/m2， 大部分成本可能來自于生產(chǎn)難度增加所導致的工藝成本上升。

因此，隨著半透明技術的進一步發(fā)展以及電池效率的進一步提高，光伏窗的能效性能還有很大的提升空間，相應地，其投資回收期也會進一步縮短，屆時將在零碳建筑和綠色建筑領域具有廣闊的發(fā)展前景。如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。