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“光伏发电玻璃”的节能潜力、发展现状与应用前景
类别:太阳能  日期:2018-9-11  来源:汉昇新能源  点击率:732  打印 关闭

 

窗户作为最重要的建筑围护结构对建筑能耗具有重要影响。美国能源部的研究表明超过30%的建筑物制冷和采暖能量都通过低性能窗户而损失。美国劳伦斯伯克利国家实验室研究人员预计39%的建筑物热能损失和28%的冷量损失都来自窗户系统。据统计,如果将全美的商业建筑窗户全部更换为典型的low-e双层窗,则可以减少62%的空调制冷能耗。由此可见,开发高能效窗户产品以取代现有的低性能窗户具有非常大的建筑节能潜力。

 

随着光伏技术的不断进步和光伏产业的迅猛发展,近年来建筑一体化半透明光伏窗(简称光伏窗或“光伏发电玻璃”)吸引了越来越多的研究人员和生产厂家的高度关注,图1展示了一些典型的半透明光伏窗应用案例。简单来说,光伏窗是指使用由双层玻璃封装的半透明光伏组件来取代传统玻璃而构成的窗户系统,图2给出了常见晶体硅和薄膜半透明光伏组件的组成结构。光伏窗不透明(或半透明)的电池部分可以通过光伏效应发电,而透明(或半透明)部分则可以实现自然采光以及室内外的视觉交流。与其他先进窗户技术相比,光伏窗的最大特点是可以通过光伏作用主动将一部分太阳辐射转变为有用的电能,与此同时通过调节光伏窗的透过率实现控制太阳辐射得热和眩光的目的。


 

光伏发电玻璃
图1典型的半透明光伏窗应用案例

 

(a,汉能总部大楼非晶硅半透明光伏幕墙;b,晶体硅半透明光伏窗;c,onyx S非晶硅半透明光伏幕墙;d,晶体硅半透明光伏窗)


 

光伏发电玻璃
图2常见晶体硅和薄膜半透明光伏组件结构示意图

(a,晶体硅半透明组件;b,薄膜半透明组件)

 

在安装角度和透光需求等不利因素影响下,虽然单位面积的光伏窗的发电量要比传统的以最佳倾斜角安装的光伏系统的发电量低,但是光伏窗除了可以发电外,更重要的是具有很好的建筑节能效果。一方面,它可以通过减少室内太阳得热而降低空调制冷能耗。另一方面,合理设计的光伏窗还可以最大程度地利用自然采光并改善视觉不舒适性。

 

综上所述,一个优化设计的光伏窗不仅可以发电,还可以通过降低太阳得热量和调控入射太阳辐射从而减少建筑物空调能耗、改善自然采光效果和提高视觉舒适性。笔者在香港和美国旧金山地区的研究结果表明,光伏窗所带来的能量收益中只有1/3是来自于发电,另外2/3的收益来自于空调节能。因此,光伏窗为零能耗建筑以及具有大的窗墙比的高层办公建筑节能提供了一个非常好的建筑节能解决方案。

 

目前,主要有3种常见的半透明光伏组件技术。第一种技术主要针对薄膜光伏组件,如图3(a)所示,沉积在透明导电玻璃上的非晶硅薄膜非常薄以至于电池本身可以透过部分可见光。这种半透明光伏组件由于电池本身可以透光因此具有非常好的均匀性,但是由于其透过率太低(通常只有5%左右),并且太阳光经过组件选择性吸收之后透过的光呈橘黄色,因此其采光和视觉效果均比较差。另外,由于电池本身透过了一部分可见光,因此组件的能量转换效率也比较低。第二种半透明技术同样是针对薄膜光伏组件的,如图3(b)所示,首先将薄膜太阳能电池,如非晶硅电池或碲化镉电池,均匀沉积在透明导电玻璃上,然后根据自然采光需求利用激光选择性地将部分电池刻蚀掉从而形成电池与透明玻璃交错相间的半透明结构。与第一种工艺不同的是,第二种工艺中薄膜电池本身是不透光的,太阳光主要从透明玻璃部分透过半透明光伏组件,因此透过的光与入射太阳光的光谱基本一致,均为白色光。与第一种电池本身半透明的组件相比,采用第二种技术生产的半透明薄膜光伏组件具有更高的能量转换效率,并且其透过率可以根据自然采光要求进行定制。通常情况下,透过率在30%-50%范围可以基本满足房间的自然采光需求。另外,由图3(a)和3(b)对比可见,采用第二种技术生产的半透明组件明显具有更好的采光和视觉舒适效果。第三种生产工艺主要适用于晶体硅电池。首先将晶体硅电池片按照一定间距进行均匀排列和串并联,然后置于双层玻璃和PVB(或EVA)层中进行热层压而生成。由于晶体硅电池本身是不透明的,因此该半透明组件的透明效果全依赖于电池片之间的间隙。与前面两种生产工艺相比,第三种工艺生产的半透明组件以高效晶体硅电池为基础,因此具有最高的能量转换效率,但是也存在一些致命缺点。如图3(c)所示,首先,大块的不透明晶体硅电池(156mm×156mm)会在室内产生明暗相间的阴影,强烈的明暗对比会让住户产生不舒适的采光和视觉感受;其次,晶体硅电池会遮挡用户视线,影响用户与外界的视觉交流;再次,采用该技术生产的晶体硅半透明光伏窗美观度欠佳,无论是建筑师还是用户对其接受程度都不高。


 

光伏发电玻璃
图3三种常见工艺生产的半透明光伏组件:(a)电池本身透光的非晶硅半透明组件(b)激光刻蚀生产的薄膜半透明组件(c)传统晶体硅半透明组件

 

从以上分析可知,目前常见的3种半透明光伏组件生产工艺均存在各自的优缺点,影响了半透明光伏窗的大规模应用。因此,在吸收现有各种技术优点的基础上,美国Solaria公司和美国劳伦斯伯克利国家实验室合作开发了一款基于晶体硅太阳能电池的新型半透明光伏窗。该半透明光伏窗主要通过采用激光将晶体硅电池片切割成电池细带,然后将细带以一定间隔进行均匀排列再进行自动焊接,最后采用双层玻璃层压而成。图4给出了采用该技术生产的半透明组件的示意图。该半透明光伏窗很好的结合了已有半透明光伏技术的优点,在50%透过率的前提下,其组件发电效率可达到8.8%(如果组件的透过率进一步降低,则组件的发电效率会相应提高),因此既具备传统晶体硅光伏窗能量转换效率高的特点又具有薄膜半透明光伏窗自然采光性能好的优点,有望成为一种重要的半透明光伏窗技术。此外,国内很多薄膜太阳能生产厂商也正致力于将最先进的薄膜技术,如铜铟镓硒,应用在光伏窗上,从能量转换效率和视觉舒适性两个方面来进一步改善产品性能,相信很快会有更多更好的半透明光伏窗产品问世。此外,一些新兴的太阳能电池技术,如钙钛矿和有机太阳能电池,均可以做成半透明组件结构,这为半透明光伏组件技术的发展增添了新的活力。

 

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