真空玻璃與光伏建筑一體化應用

    光伏建筑一體化（BIPV）技術，是將太陽能（光伏）發(fā)電產品集成到建筑上。與光伏系統(tǒng)附著在建筑上（BAPV） 的形式不同，BIPV按照光伏系統(tǒng)和建筑物結合的形式，可分為光伏屋頂結構和光伏幕墻結構。太陽能光伏幕墻玻璃在建筑設計和使用中存在以下問題：

    （1）建筑物的隔熱隔音。普通的太陽能組件沒有隔熱措施，只是簡單地安裝在建筑物或支撐件上，光伏組件在使用過程中往往會將大量的熱量帶入室內， 同時也不能滿足建筑物的隔音要求。目前常見的解決辦法是將太陽能電池做成Low-E中空玻璃的形式， 但是這一方法并不理想。

    （2）建筑物的采光。普通的光伏組件為了提高效率，會將電池片的間距縮小到2mm~5mm。但在幕墻的BIPV組件中，需考慮建筑物采光的要求，否則將加劇建筑物的照明能耗，所以往往要調整電池片的間距到25mm左右，使透光率達到30%左右，但這必然會降低組件的發(fā)電效率。

    對此，國內有公司研發(fā)了一種將染料敏化太陽能電池（DSSC）與真空玻璃相組合的太陽能光伏幕墻玻璃組件，有效解決了上述問題。

    真空玻璃，是基于保溫瓶原理開發(fā)的新型節(jié)能玻璃（見圖1）。兩片玻璃之間用0.15mm高的細小支撐物隔開，四周用低熔點無機材料焊接熔封，并經抽氣管排氣后封口，形成氣壓低于0.1Pa的真空層，幾乎不存在氣體傳導傳熱和對流傳熱，所以真空玻璃具有優(yōu)異的隔熱性能，同時又能夠有效阻隔聲音的傳遞。目前真空玻璃已廣泛應用于建筑門窗幕墻、家電冰柜冰箱、汽車列車等能耗大節(jié)能需求高的行業(yè)。真空玻璃的各項性能指標見表1。由表1 可以看出，真空玻璃隔熱性能明顯優(yōu)于中空玻璃。

    太陽能電池吸收太陽輻射，其中一小部分轉換成電能，剩余的熱量轉化為熱，其中一部分會向室內傳遞。根據測試，夏季太陽能電池背板的溫度比環(huán)境溫度高出20℃左右， 所以盡管太陽能電池阻擋了大部分太陽輻射熱， 但由于溫差帶來的室內增熱十分嚴重，即使在室內側復合一層低輻射（Low-E）中空玻璃，仍然有相當一部分額外的熱量進入室內，增加室內空調的制冷負荷， 這與太陽能電池節(jié)能的初衷是相違背的。而真空玻璃阻隔溫差引起熱傳遞的能力（由K值體現(xiàn)）是中空玻璃的2倍，這無疑可節(jié)省大量的空調制冷電耗，減少太陽能電池發(fā)熱帶來的負面影響。在冬季亦如此，冬季室內外溫差大，光照強度小，真空玻璃可有效阻止室內熱量向室外流失，節(jié)省大量的制熱采暖能耗。真空玻璃的隔聲性能也優(yōu)于中空玻璃。真空層的高真空狀態(tài)幾乎杜絕了聲音傳播的介質。雖然支撐物在一定程度上成為聲音傳播的媒介，使真空玻璃損失了部分隔聲量，但由于支撐物半徑僅為0.25mm，與玻璃的接觸面積極小，8mm 厚真空玻璃的隔聲量可達36dB，隔聲總量超過中空玻璃，特別是對人耳敏感的中低頻，隔聲性能優(yōu)于中空玻璃（見圖2）。

    染料敏化太陽能電池是一種光化學電池，與其他太陽能電池相比，原材料易得、成本低，制作工藝相對簡單，能源回收周期短，性能穩(wěn)定，衰減少，其工作原理與植物的光合作用相仿，結構見圖3。

    硅太陽能電池板對太陽光照角度和照度有較高的要求。當太陽能電池使用于建筑立面時，受建筑物朝向和玻璃角度的限制，太陽光照角度和照度不可能具有在電站或屋頂?shù)牧己脳l件，從而影響電池的發(fā)電量。而染料敏化太陽能電池本身具有弱光發(fā)電特性（薄膜太陽能電池具有類似特點）， 在光度很弱的情況下依舊運行良好，在早晚天色不是很亮的情況下仍可有效發(fā)電，雖然效率不如硅電池，但發(fā)電總量卻并不遜色。染料敏化太陽能電池的這一特點完全具備了在建筑立面上使用的條件。

    染料敏化太陽能電池與硅太陽能電池板性能對比見表2。染料敏化太陽能電池（DSSC）應用實例見圖4、圖5。染料敏化太陽能電池本身特有的透光性，使其在建筑門窗或幕墻中使用時， 不用增加電池片之間的間距即可達到20%~30%的采光效果，在有效保證玻璃采光功能和建筑物美觀的同時， 可保證電池的發(fā)電效率。

    真空玻璃與染料敏化太陽能電池通過復合中空或者夾層的形式組合成光伏組件，能夠有效延長組件的使用壽命。

    染料敏化太陽能電池在封裝時可使用PVB代替EVA，解決EVA膠片易老化的問題。在Low-E 中空的太陽能電池幕墻玻璃組件中，由于中空玻璃采用結構膠密封， 有一定的水汽透過率，雖然內置分子篩吸濕劑， 但隨著使用時間的延長，分子篩逐漸飽和失效， 中空層內的空氣濕度越來越大，充入的惰性氣體也會隨著時間的推移逐漸散失，我國中空玻璃使用壽命約為8~10年。滲透進中空腔的水汽氧化Low-E薄膜，降低Low-E玻璃的隔熱性能。并且在像屋頂或屋面這種水平或傾斜的地方使用中空玻璃時，會因中空層內對流傳熱的路徑變短造成隔熱性能變差。這些都是掣肘中空玻璃太陽能組件節(jié)能性和使用壽命的關鍵因素。

    真空玻璃由于邊部采用熔融的低熔點玻璃粉將兩片玻璃焊接在一起（類似真空熒光顯示屏VFD等電真空元器件的封接）， 氣密性和結構強度優(yōu)良，空氣和水汽的滲透可忽略不計， 而且在真空玻璃內部還放置了長效吸氣劑，可保持真空層的真空度。以上幾點可保證真空玻璃的使用壽命大于25年。而在真空玻璃與太陽能電池復合成中空玻璃的組合方式中， 幾乎所有的隔熱效果都由真空玻璃承擔， 并且Low-E鍍膜在真空層內受到良好的保護， 即使中空的隔熱效果變差， 對整個組件的節(jié)能效果也沒有影響，而且真空玻璃的隔熱性能不受使用地點、角度的限制（見圖6）。

    另外，太陽能電池以真空玻璃作為基板，或者與真空玻璃夾層復合成光伏組件， 除具有以上優(yōu)點外，還可充分發(fā)揮真空玻璃輕薄的優(yōu)點，使整個光伏組件更加安全可靠。

    真空玻璃節(jié)能技術、導電玻璃技術與染料敏化太陽電池技術相結合的光伏真空玻璃組件， 是國際前沿的第三代太陽能光伏技術， 在大幅提高建筑物保溫隔熱功效的同時發(fā)電產能，減少采暖制冷能耗。光伏真空玻璃與建筑幕墻、門窗玻璃、采光頂?shù)扔行ЫY合，可減少土地占用面積，降低安裝成本。應進一步降低成本，推動光伏組件批量生產和應用。