摘要：随着“双碳”政策以及“十四五”计划的落地推进，光伏建筑一体化(BIPV)成为现代节能建筑的新宠。目前常见的BIPV组件结构为5T+1.52P+3.2碲化镉+1.52P+5T+12A+5T+1.52P+5T或5T+1.52P+3.2碲化镉+1.52P+5T+12A+5T，这两种组件在使用过程中存在蓄热大、保温隔热性差等问题；本文把真空玻璃引入BIPV组件进行优化并对其热工性能、电学性能及安全性能进行系统的测量。试验结果显示，相较与传统BIPV组件，真空光伏玻璃组件能够有效阻隔碲化镉太阳能电池蓄热对室内环境的影响，电学性能基本不变。根据实验结果给出了真空玻璃与光伏结合方案。顶面宜采用3.2碲化镉+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T或5T+1.52P+3.2碲化镉+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T结构，立面宜采用5T+1.52P+3.2碲化镉+1.52P+5TL+0.3V+5T结构。
Study on the Application Performance of Vacuum Photovoltaic Glass
Abstract: With the implementation of the "Dual Carbon" policy and the "Fourteenth Five-Year Plan", Building Integration Photovoltaics (BIPV) has become a new favorite of modern architecture. At present, the common BIPV component structure is 5T+1.52P+3.2 cadmium telluride+1.52P+5T+12A+5T+1.52p+5T or 5T+1.52P+3.2cadmium telluride+1.52P+5T+12A+5T. This component has problems with large heat storage and poor insulation during use. In this paper, vacuum glass is introduced into BIPV module for optimization, and the thermal, electrical, and safety performance of the structure are systematically measured. The experimental results show that compared with BIPV modules, The vacuum photovoltaic glass module can effectively block the influence of cadmium telluride solar cells on indoor environment, and the electrical performance remains basically unchanged. The best recommended configuration is the top surface 3.2 cadmium telluride+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52p+5T or 5T+1.52P+3.2 cadmium telluride+1.52P+5Tl+0.3V+5T+1.52p+5T and the facade 5T+1.52P+3.2cadmium telluride+1.52P+5T+0.3V+5T.
一、研究背景
根据中国建筑节能协会数据,当前国内建筑全生命周期碳排量已经占到全国碳排放总量的51.3%,其中仅建筑运行阶段碳排占比就达到了22%。显然,建筑行业成为了我国零碳发展的“主战场”。当前光伏建筑一体化供需条件和技术趋于成熟，在政策推动和市场需求持续高涨的情况下,采用BIPV主动产能，将建筑物变为近零能耗已成为一个趋势。
二、光伏真空玻璃
2.1 真空玻璃
真空玻璃技术是由成熟的保温瓶技术与玻璃深加工技术的完美结合。两片玻璃的外边缘用密封材料焊接在一起，两片玻璃间的狭小间隙（0.3mm）呈高真空状态(P≤0.1Pa)，为避免两片玻璃接触，两片玻璃间分布细小支撑物，上下片玻璃为镀膜玻璃或透明浮法玻璃，内置吸气剂保持真空玻璃真空度不改变。是继中空玻璃、LOW-E 中空玻璃之后的新一代节能玻璃产品。真空玻璃应用具有如下优势：
图1 真空玻璃结构图
（1）真空玻璃具有极低的传热系数
采用相同Low-E膜层的真空玻璃，传热系数是中空玻璃的1/5，不到三玻两腔中空的1/3。
（2）真空玻璃U值不受安装角度影响
当中空玻璃非垂直安装时，中空玻璃表面和内部空腔的对流环境发生了改变，其传热系数必将产生变化。从表2可以看出，由于真空玻璃中间无气体层，不存在气体热对流和热传导，其不受安装角度影响，U值始终为0.48W/m2*K。中空玻璃的冬季 U 值随倾斜角度而变化的趋势非常明显， 在水平放置的状态下，单中空和三玻两腔中空玻璃的U值比竖直状态增加了41%和33%。
（3）真空玻璃可在高海拔地区应用
真空玻璃内腔为高真空，即使生产地与使用地存在较大的海拔落差，也不会出现内腔膨胀或收缩现象。
（4）真空玻璃隔声降噪性能高
真空玻璃的隔声降噪性能基于声音在真空条件下不传播。真空玻璃单独计权隔声量39dB以上，形成BIPV光伏组件后隔声量可达43dB以上。
2.2 光伏真空玻璃
光伏真空玻璃，是指将碲化镉、钙钛矿等光伏电池片与真空玻璃以夹胶或中空的方式相结合而形成的一个整体。如图2是夹胶形式复合的光伏真空玻璃组件，图3是光伏中空玻璃组件。相比较与传统的光伏中空玻璃组件，光伏真空玻璃组件能够有效的避免组件隔热保温性能差，夏季大量外部热量进入建筑物内，冬季采暖热量从建筑物内向外部扩散等问题。
三、光伏真空玻璃应用性能研究
3.1试验方法及装置
试验方法：选取河南洛阳兰迪钛金属真空玻璃有限公司作为测试地点，将各类光伏玻璃组件（真空玻璃、中空玻璃与碲化镉薄膜电池片结合形式不同）安装在阳光测试房顶面、立面南向，监测了光伏玻璃组件内外表面及中空腔体温度、光伏组件变形量、发电功率等测试数据，对比分析中空光伏组件及真空光伏组件的应用效果，确定BIPV立面及顶面适宜的结构配置。
试验装置：
- 测试阳光房：顶面安装3组600*1200mm透光率为20%的碲化镉薄膜光伏玻璃组件，立面南向安装3组600*1200mm透光率为40%的碲化镉薄膜光伏玻璃组件。阳光房室内安装有空调。
- 触摸屏PLC的温度采集控制系统；
- 太阳能功率计；
- 直流电量测试仪：负载电阻为500Ω。
图2 试验装置图
3.2 试验结果与分析
试验选取了太阳辐照度（1125W/m2）和温度(28~37℃)较具代表性的2023年6月22日作为数据采集日，室内空调温度设定为25℃。对不同组合的真空光伏组件及中空光伏组件各部位温度、变形量，光伏发电最大输出功率进行记录分析。
一般情况下，建筑物顶部安装的光伏玻璃组件需要夹胶处理。主要有两个目的：1）提高光伏组件上表面抗冲击性能；2）防止内层玻璃破碎后坠落伤人。本试验中对顶部和立面安装的光伏玻璃组件依据实际使用情况共设置了6种配置。测试结果如下表：
3.3 不同结构对光伏发电量及变形的影响
从表3中发电量数据来看，采用20%相同透光率的碲化镉薄膜电池的顶面样品1~3电池表面温度相近，最大输出功率约为10.7W。考虑到建筑采光，立面样品4~6采用40%相同透过光率的碲化镉薄膜电池，3组样品外表面温度和发电量也基本一致，最大输出功率约为5W。虽然光伏玻璃组件两侧有温差作用但由于玻璃版面较小且刚度较大，光伏玻璃组件最大变形量均在0.5mm以内，光伏组件抗变形能力强。由此可见，发电量由薄膜电池的特性决定，与玻璃结构相关性不大。
3.4 不同结构对室内外温差的影响
图3 阳光房光伏组件室外表面中心点温度
图4 阳光房光伏组件室内表面中心点温度
从图3中顶面安装光伏组件数据可以看出，样品T1~T3、S1~S3室外侧温度基本接近。这是由于室外侧温度主要由电池片蓄热决定，从图3还可以看出，立面安装的光伏组件S1~S3外表面温度约为55℃明显低于顶面水平安装的光伏组件T1~T3外表面温度约为75℃。主要由于以下两个原因：（1）为了保证BIPV建筑的采光，立面光伏组件中的碲化镉太阳能电池片透光率为40%，高于顶面光伏组件的20%透光率。碲化镉太阳能电池片透光率增高，电池组件发电功率下降，受辐照时表面升温变慢变小。（2）电池片表面升温受辐照量影响，立面安装太阳辐照总量远低于顶面平面安装。
从图4可以看出，样品T2、T3真空光伏组件室内侧表面最高温度远低于样品T1中空光伏组件内侧表面最高温度，即使在室内空调开启状态下中空光伏组件内侧表面最高温度高达53.3℃，真空组件内侧最高温度39.4℃。这说明对于中空玻璃光伏组件来说室外热量及光伏组件蓄积热量直接传入室内，导致室内侧热舒适急剧下降。立面安装的样品S1和S3虽然都存在中空腔体，但由于光伏组件内层玻璃差异，两者室内侧温度分别为35℃和44.5℃，温差近10℃。立面安装的S1及S2样品由于内层真空玻璃的存在，S1中空腔虽然也蓄积了热量但对室内侧温度影响不大。以上结果均说明了真空光伏作为光伏组件内层玻璃的优势：由于保温隔热能力突出，不仅不影响发电效率，还有效阻隔薄膜太阳能电池工作时产生的热量传入室内，同时也可以阻隔室内热量传到室外，提高了建筑物的隔热保温性能。
由此可见，光伏组件外表面的温度主要由于电池片吸热导致，在夏季可高达75℃，外表面温度与玻璃结构相关性不大；室内侧玻璃表面温度与玻璃结构有关，当内侧玻璃保温性能越好，室内侧玻璃表面温度越接近于室温，舒适度越高。
四、结论
- 从本文试验数据分析可知，在碲化镉薄膜电池及安装朝向确定情况下，中空及真空光伏玻璃组件的发电功率基本一致。
- 真空玻璃光伏组件主要解决了中空玻璃光伏组件在使用过程中存在的蓄热大、保温隔热性差等问题。相对于中空玻璃光伏组件，真空玻璃光伏组件由于保温隔热能力提升80%以上，在实际使用过程中有效阻隔薄膜太阳能电池工作时产生的热量，大幅度减小热量传入室内，同时也可以阻隔室内热量传到室外，提高了建筑物的隔热保温性能。因此真空玻璃是BIPV建筑最终实现零碳的必要条件。
- 根据实验结果可看出真空玻璃与光伏结合。顶面宜采用3.2碲化镉+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T或5T+1.52P+3.2碲化镉+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T结构，立面宜采用5T+1.52P+3.2碲化镉+1.52P+5TL+0.3V+5T结构。
参 考 文 献
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