太陽能光伏技術 在上海世博會園區(qū) 建筑中的應用

    2010年上海世博會在綠色技術上是一次巨大的突破，尤其是諸多太陽能技術科技創(chuàng)新的最新產(chǎn)品和技術成果的應用，為建筑利用太陽能技術的推廣起到了很好的示范作用。光伏建筑一體化（BIPV）是將太陽能光電技術與建筑系統(tǒng)整合的技術，在建筑功能和形態(tài)設計中，追求將太陽能光電技術融入建筑設計，并替代部分建筑構件，以完善建筑功能、美化整體外觀，使建筑從只能消耗能源到可以產(chǎn)生能源，從而實現(xiàn)建筑自給自足的零碳排放的目標。

    太陽光發(fā)電是指將光能直接轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學發(fā)電、光感應發(fā)電和光生物發(fā)電。建筑上主要使用的是光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池（又稱光伏電池）將太陽能轉換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，其工作原理主要是半導體的光電效應，太陽能光電板捕獲太陽能并生成直流電（DC），逆變器（電力調(diào)節(jié)器）將直流電( DC) 轉換成交流電(AC)，可直接和城市電網(wǎng)相連接，用以運行許多常用電器和設備。在太陽能電力充足的情況下向城市電網(wǎng)送電，否則由城市電網(wǎng)補充電力的不足。如果不能直接和城市電網(wǎng)相連接的時候，則需要蓄電池儲存電力。太陽能光伏系統(tǒng)有著自身應用的條件，如光電板設置的角度、朝向以及選擇材料都對太陽能光伏板光電的轉換效率產(chǎn)生直接的影響，太陽能光電板安置在建筑表面可以最大接收太陽能，這對建筑設計提出了一定技術要求。

    1.1光電池

    光電池是由可直接將光能轉化為電能的晶片制成，有時也稱光電元件或太陽能電池。單晶元件的效率最高，但是價格也最貴。為了降低造價，多晶硅元件和薄膜光電元件被研制出來。薄膜光電元件是由非晶硅、二硒化銅銦或碲化鈣制成。雖然這些元件的光電轉化效率（約8% ) 只是單晶硅元件的一半。更多的研究致力于提高它們的光電轉化率。在實驗室中， 目前轉化率最高可達33%。因為光電元件很小很易碎，而且只產(chǎn)生少量的電能，人們把它們組合成組件。這些組件有很多規(guī)格，組件可以被組裝成排板，也可以更進一步被組裝成陣板（圖1）。

    1.2設計準則

    根據(jù)以下的設計準則將獲得光電系統(tǒng)的最大效益：

    （1）使用光電建筑一體化節(jié)約資金并增加美感。

    （2）根據(jù)季節(jié)不同，結合建筑坡度選用適當坡度使效率最大。不同氣候地區(qū)，不同的朝向和坡度，光電轉換的效率不同（圖2），在上海地區(qū)傾角在22°~23°效率最高，南向為最佳，水平面與南立面的發(fā)電效率大約為91%。

    （3）確認對光電板的遮擋在最低范圍。

    （4）低溫元件比高溫元件效率更高，光電板背后通風為光電組件降溫，可以減少效率損失。而在冬季則可以利用這些熱量來轉換成其它能源。

    （5）因為會積灰、積雪，避免使用沒有傾角額光電陣板。

    2 屋頂上的太陽能利用

    2.1世博主題館太陽能屋頂

    上海世博會主題館安裝太陽能電池板26000m2（圖3），共敷設多晶硅光伏組件16250塊，其中3 728塊為異型光伏組件，采用并網(wǎng)發(fā)電運行方式，將太陽能發(fā)電傳回城市電網(wǎng)。總裝機容量2825kWh，年平均發(fā)電量250萬kWh，可減少二氧化碳排放量約2500t。主題館太陽能電站已成為我國乃至亞洲單體建筑最大的太陽能光伏建筑一體化發(fā)電站。主題館采用與建筑肌理相吻合的菱形設計方案（圖4），鋪設多晶光伏組件，多晶硅呈深藍色，與主題館顏色相符。另外，為了節(jié)能，主題館中庭屋頂采用了透光型的雙玻組件，在日照充分的白天，將無需打開館內(nèi)的照明設施。

    2.2世博中國館太陽能屋頂

    中國館屋頂采用單晶硅太陽能組件，鋪設在68m 高平臺和60m觀景平臺（圖5）。在60m平臺上，四周安裝著一排排黑色的太陽能組件，并用玻璃護欄圍護（圖6 、7），采用了與建筑幕墻安裝節(jié)點相結合的安全、便捷、高效和易維護的光伏組件安裝工藝。屋頂總共安裝太陽能電池板2800m2，單晶硅光伏組件1616 塊，裝機容量302kW，年平均發(fā)電量30萬kWh，約相當于少用107t標準煤，可減少二氧化碳排放量約285t，實現(xiàn)中國館照明全部自給。

    3 立面上的太陽能一體化

    3 . 1 阿爾薩斯館的“水幕太陽能墻”位于浦西世博園“城市最佳實踐區(qū)”一角的阿爾薩斯案例館，被青枝綠葉覆蓋著，但這棟建筑最新奇的不是綠墻，而是“水幕太陽能墻”（圖8）。該“墻體”包括三個層面，外層為太陽能電板（斜板）和第一層玻璃，中間層為密閉艙，第三層為水幕玻璃。水幕太陽能墻具有氣候調(diào)節(jié)機制，尤其適用于上海地區(qū)氣候這樣的冬冷夏熱地區(qū)。阿爾薩斯案例館的原型是法國阿爾薩斯布克斯韋爾中學的太陽墻，據(jù)介紹，在當?shù)刂饕獞�用于冬季供暖。但考慮到上海夏季高溫潮濕的氣候特點，太陽能水幕墻增加了密閉艙可以打開的功能。這樣，在炎熱的夏季，密閉艙中的空氣和沿著立面往下流的水幕相連（圖9），加上太陽能墻產(chǎn)生的陰影，起到給建筑降溫的效果。利用這種太陽能水幕墻，可以在夏季有效降低室內(nèi)溫度，在冬季補充室內(nèi)溫度，極大地降低對空調(diào)的依賴。

    展館的上半部則設計成為一個太陽能供電系統(tǒng)，可以提供場館的所有運作能源。觀眾會看到，澳門館外墻的上半部是一排排百葉形太陽能板。這些太陽能板每塊的面積在1.3m2 左右，厚度約為4cm，它們既能發(fā)電，又能起到遮陽的效果。這些太陽能板都是可以活動，會根據(jù)光線的角度轉動30°~45°(圖10)。

    4 太陽能集成技術

    倫敦零碳館是中國第一棟建成的零二氧化碳排放的公共建筑。該項目原型取自于世界上第一棟零二氧化碳排放的社區(qū)貝丁頓社區(qū)。零碳館由兩棟建筑前后相接而成，總面積2500m2，坐落在城市最佳實踐區(qū)上海案例的北側。零碳館通過傳承來自世界第一個零二氧化碳排放社區(qū)BEDZED科技，結合上海地區(qū)的氣候特征，采用本土化的產(chǎn)品實現(xiàn)了中國第一棟零碳排放的展示性建筑。該建筑使用太陽能、風能和水源熱能聯(lián)動來實現(xiàn)空間內(nèi)的通風、制熱、制冷、除濕、加濕等滿足室內(nèi)舒適性的各項指標。系統(tǒng)的特色在于安置在屋頂上的22個五顏六色的風帽，風帽可以隨著風向靈活轉動，利用溫壓和風壓將新鮮的空氣源源不斷地輸入每個房間，并將室內(nèi)空氣排出。同時利用太陽能和江水源給進入室內(nèi)的新風降溫除濕。零碳館所需的電力，由建筑附加的太陽能發(fā)電板產(chǎn)生。陽光和水的利用也在倫敦零碳館中體現(xiàn)得淋漓盡致。在建筑的南面，通過透明的玻璃太陽房保存從陽光中吸收的熱量，轉化為室內(nèi)熱能。屋頂上的太陽能熱水板將太陽能轉化為熱能。建筑的北面通過漫射的陽光培育綠色的屋頂植被，同時北向漫射光為室內(nèi)提供了相應的自然采光。零碳館還通過屋頂雨水的收集，用來沖洗馬桶或灌溉植物等，減少了館內(nèi)對自來水的需求。零碳館最基本的建筑節(jié)能技術做得非常到位，采用整體外保溫的策略，墻壁是用導熱材料建造的，減少室外熱滲透，吸收室內(nèi)多余熱量，穩(wěn)定室內(nèi)氣溫波動。這些基本的被動式設計，為前面的太陽能集成技術的應用最大化奠定了基礎。

    為了減少建筑對全球變暖和氣候變化帶來的消極影響，建筑一方面需要通過各種節(jié)能設置減少對能耗的需求，另一方面也需要通過可再生能源的利用，滿足余下能源需求以實現(xiàn)建筑的零二氧化碳排放。常規(guī)電站發(fā)電時產(chǎn)生的熱量被當作副產(chǎn)品，通過冷卻塔等途徑放射到環(huán)境中，被白白浪費掉，而豐富的太陽能，是取之不盡用之不竭、無污染的能源。世博會上建筑展現(xiàn)的太陽能技術和一體化的設計，對我們今后在上海推廣太陽能技術起到了很好的示范作用，尤其是倫敦零碳館的太陽能技術與其他綠色節(jié)能集成的運用，更是我們未來太陽能技術在建筑上運用提供了更高的要求，使建筑逐步實現(xiàn)能源自給自足的目標。