光电幕墙及光电屋顶

光电幕墙及光电屋顶

龙文志

一、 前言

光电幕墙（屋顶）是将传统幕墙（屋顶）与光生伏打效应（光电原理）相结合的一种新型建筑幕墙（屋顶）。主要是利用太阳能来发电的一种新型的绿色的能源技术。

能源是人类生存和发展的基础，传统的能源是以消耗地球的有限资源，同时又污染人类生存环境为代价来生产，20世纪七十年代全球的能源危机，使世界很多国家清醒地认识到：太阳能是一种绿色（清洁，无污染）丰富的自然能源，争相加以开发和研究，因而太阳能电池从人造卫星发电开始向地面发电普及和应用，（见表一）据不完全统计，1999年，全世界太阳能电池的年产量已超过二亿峰瓦（MWP）（见图一、图二），但其年产量与世界能源总需求相比仍然相差甚远，为了在21世纪能得到突破性发展，一些国家正在围绕制约太阳能电池地面大规模普及应用的一些根本问题进行研究，其中一个问题就是接收面积问题，因为太阳能是分散的，为了提供所需的能源，必须有足够的接受面积。据测算：为了满足2000年全球电力的需求，以太阳能电池转换率10%计算，需要的面积为840km×840km

=640000km2，这相当于德国和意大利两个国家的面积。我国1995年的发电量约为1亿MW ·h，

表一：太阳能电池的五种应用领域

应用领域

成本效应 标准系统

市场潜力 人造卫星的发电系统

佳，最早的太阳

能

发电应用

数百到千瓦

量小，但发展稳定

发展中国家居家用的太阳能 系统

佳，市场呈稳定成长

5瓦至5000瓦 预估世界上有十

亿人口没有电网供

应电力

工业应用

利润最高的太阳

能 应用。

5瓦特至1，500瓦

公路的急救电

话、公路标志、微波自动转换装置、电栏杆、街灯等 已发展国家建立建筑物整体 性的太阳能系统

（

Building Intergrated

Photovoltaiacs ）

依据电力成本及 政府辅助金而定 2，000瓦至

300，000瓦

美国、日本和德

国发展他们已经宣布的「屋顶方案」，市场将超过每年1，000万瓦

中央电力供应站

太贵，约平常电价 三倍

一百万瓦至上千

百 万瓦

视石油价格及环保要求而定

图一：全世界1966年~1999年太阳能电池产量（单位MWP）

图二：世界主要太阳能电池公司1991年~1998年产量(单位

MWP)

如果全部用太阳能电池发电，其接收面积约为12500km2，比天津市还要大。以上数值表明，所需的面积是相当可观的，利用建筑幕墙（屋顶）和太阳能电池相结合是解决接受面积的主要途径，因而光电幕墙

（屋顶）近年来发展相当迅速，已建成的一些实例工程有：

德国慕尼黑银行光电屋顶（照片一）面积140m2，功率15kw

德国慕尼黑银行光电幕墙（照片二）面积350m2，功率35kw

丹麦太阳公寓光电屋顶（照片三） 面积970m2，功率106kw

英格兰迪旦弗尔德商场光电幕墙面积650m2，功率73kw （照片四、五、六）

照片四

照片五

照片六

德国旭格集团总部光电幕墙大楼（照片七）

德国慕尼黑商贸中心的6座大厦都装光电屋顶，共有7812个无框架光电板，每个光电板共有84个单晶硅太阳能电池，输出功率为130w ，光电板总和峰值功率为1.016kw ，光电板占屋顶面积58%，发出的直流电经过逆变电器送至2万伏中压电网，预计寿命20年，可减少2万吨的CO2排放量。（见Phptovoltaics Inside Report 1998 17（9）：3）。现在全世界能源约4/5由含碳的矿物燃料产生，如果其用量年增长率为3%，预计到2020年全世界的CO2排放量将增加40%，对人类生成环境将产生灾难性后果，多次国际会议都在研讨减少CO2排放量和发展绿色能源问题。光电幕墙（屋顶）的发展理所当然地被列为21世纪重要绿色能源。

美国制订了百万光电屋顶，幕墙计划（见表二）。德国于1999年开始10万光电屋顶光电幕墙计划，预计在6-8年完成，每个系统定为5kw ，总容量可达500MW ；日本截止于1997年已建立1600个光电屋顶，容量为37MW 。预计到2010年，太阳能电池产量将达到1800MW/年以上，年产值将超过42亿美元；光伏系统保有量预计为：美国757MW ，欧洲618MW ，日本174MW 。 表二 美国百万屋顶计划的内容与指标

年代→

指标↓

1997

1998

1999

2000

2005

2010

参加城市数 10 25 50 75 200 325 太阳能建筑物（千个） 2 8.5 23.5 51 376 1014 屋顶当量系统（kw ） 1 1 1 2 3 4 光伏总容量（Mw ）

1

6.5

15

55

270

610

单位成本（美元/Wp） 6.5 5.7 4.9 4.3 2.9 2.0

总的CO2的减少（千

2133911110373510

吨）

我国是1958年开始研究太阳能电池，1971年3月发射的我国第二颗人造卫星上开始空间应用，一直工作8年直到卫星坠毁。太阳能电池的地面应用开始1973年，1983~1986年间，我国先后从国外引进7条生产线，使太阳能电池具备了工业化生产能力。截止1998年底，全国安装的太阳能电池保有量为10MW，光电幕墙（屋顶）到目前尚未有工程实例，由于悉尼的奥运村采用了光电屋顶，预计北京的奥运建筑正在探讨光电幕墙和光电屋顶的使用计划。

我国拥有丰富的太阳能资源，陆地表面每年接受的太阳辐射能为50*1018千焦（KJ），相当于1700亿吨标准煤，每年日照时间大于2000h（小时），辐射总量高于586KJ/m2的太阳能资源丰富地区和较丰富地区占全国总面积的2/3（表三，图三），尽管目前我国光电幕墙（屋顶）市场正在方兴未艾，但它具有强大的潜在市场，我们有理由预计，中国的光电幕墙，光电屋顶及光电工程的在廿一世纪将会得到迅猛的发展。

表三我国太阳辐射资源带

资源带号 名称 指标

Ⅰ 资源丰富带 ≥6700MJ/（m2·a）

Ⅱ 资源较富带 5400~6700MJ/（m2·a）

Ⅲ 资源一般带 4200~5400MJ/（m2·a）

Ⅳ 资源贫乏带 ＜4200MJ/（m2·a） 2

MJ/（m·a）--兆焦/（平方米·年）

32）

图2.5中国太阳能资源分布图（10J/（m·a）［焦耳/（平方米·年）］

图三: 中国太阳能资源分布图

二、光电电池基本原理

光电幕墙（屋顶）的基本单元为光电板，而光电板是由若干个光电电池（又名太阳能电池）进行串、并联组合而成的电池阵列，把光电板安装在建筑幕墙（屋顶）相应的结构上就组成了光电幕墙（屋顶）。

2.1 光电现象：

1983年，法国物理学家A.E贝克威尔观察到，光照在浸入电解液的锌电板产生了电流，将锌板换成带