摘要：本文介紹了
太陽能光電幕墻的基本原理和應(yīng)用類型，以及國內(nèi)外開發(fā)與應(yīng)用情況
關(guān)鍵詞：太陽能 幕墻 玻璃
1 前言
能源和環(huán)境是人類社會(huì)必須面對(duì)的兩大基本問題。據(jù)國際能源組織報(bào)告：2003年中國的石油消費(fèi)日均549萬桶，超過日本的540萬桶，成為世界上僅次于美國的第二大石油消費(fèi)國。能源供應(yīng)成為中國能否持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素。化石燃料消耗，對(duì)環(huán)境造成根本的影響和破壞。我國科學(xué)家根據(jù)不同氣候模式就能源消耗對(duì)氣候的影響作出預(yù)測：氣候變化將使中國未來農(nóng)業(yè)面臨突出問題，估計(jì)到2030年，種植業(yè)產(chǎn)量因全球變暖會(huì)減少5％～10％左右。利用
太陽能電池是同時(shí)解決上述能源與環(huán)境兩個(gè)問題的最佳選擇[1]。
相對(duì)于地球本身的能源來說，太陽能是一種取之不盡，用之不竭又無污染的潔凈的
可再生能源。
太陽輻射到地球大氣高層的總能量雖只有其本身每年產(chǎn)生的能量(功率為3.8×1026瓦)的20億分之一，到達(dá)地球表面其功率約為8×106瓦，這大約相當(dāng)于每秒鐘燃燒240萬噸優(yōu)質(zhì)煤所發(fā)出的能量。這一巨大的能量十分驚人。因此，大規(guī)模地開發(fā)和利用太陽能，以解決人類社會(huì)發(fā)展所需要的能源問題，是必然的趨勢，是新世紀(jì)能源科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一。
目前，已開發(fā)成功兩種類型的太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)裝置，并得到廣泛應(yīng)用。一類是太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，即利用一種裝置吸收或反射太陽
輻射能并將其轉(zhuǎn)換成可利用的熱能；另一類是太陽能轉(zhuǎn)換為電能，即利用特制材料(玻璃、硅電池)所產(chǎn)生的
光電效應(yīng)，使太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，早在100多年前，人們就發(fā)明了光電模板，即利用光照使浸入
電解液的鋅電板產(chǎn)生電流。到了1954年，美國研究人員使用元素硅取得巨大成就，光電模板首先被用在宇宙航行上。
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國起步較晚，尤其是在太陽能電池的開發(fā)、生產(chǎn)上還落后于國際水平，整體上仍處于產(chǎn)量小、應(yīng)用面窄、產(chǎn)品單一、技術(shù)落后的初級(jí)階段。
上述的太陽能利用裝置和材料無論是
透光材料、吸收涂層和各種反射
薄膜，以及當(dāng)今最為走俏的太陽能電池等都離不開玻璃。透明的
平板玻璃，具有高
透過率、低反射、耐高溫、易加工等特點(diǎn)，無論用于太陽能的熱轉(zhuǎn)化裝置，還是電能的轉(zhuǎn)換裝置都是一種優(yōu)異的基
板材料[2]。現(xiàn)在，人們越來越關(guān)注健康，綠色環(huán)境意識(shí)日益增強(qiáng)，科技發(fā)展進(jìn)步已將光電模板裝入
建筑幕墻中變?yōu)榭赡埽瑧?yīng)用光電幕墻的時(shí)代已經(jīng)到來。
2 光電幕墻技術(shù)
2.1 技術(shù)概念
太陽能光電
玻璃幕墻[3]是指將太陽能轉(zhuǎn)換模板
密封在雙層
鋼化玻璃中，安全地實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型生態(tài)
建材，它集發(fā)電、
隔音、
隔熱、安全、裝飾功能于一身，充分體現(xiàn)了建筑的智能化與人性化特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)光電幕墻需考慮電池、模板、導(dǎo)線和變壓器各個(gè)因素，各電池組成模板，各模板組成小分格，并通過導(dǎo)線連接，所有導(dǎo)線又組成一個(gè)變壓器。變壓器是一個(gè)封閉的幕墻部分，每套光電
設(shè)備可由一個(gè)或多個(gè)變壓器組成。每套光電設(shè)備都先產(chǎn)生直流電，再由直流電轉(zhuǎn)變成交流電，并由電壓網(wǎng)傳輸，逆整流器再將230/400伏的電壓轉(zhuǎn)變成頻率通常為50赫茲的電能。
晶體電池通過導(dǎo)線相互連通，并被接在大表面的模板上，這些電池被嵌入堅(jiān)硬的
樹脂玻璃中，導(dǎo)線可接在模板背面或玻璃邊緣。作為模板一個(gè)組成部分的非晶體是一個(gè)完整的
平面，相互連通，被嵌入兩塊玻璃和
透明度高的樹脂中。所有模板都可作為幕墻的
建筑材料使用，這些模板極為堅(jiān)固，電
絕緣性好。采取這些措施后，即使發(fā)生失誤，在可觸摸部位也不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的電壓。光電模板具備抵御外界環(huán)境侵?jǐn)_的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50攝氏度至90攝氏度的環(huán)境中，光電模板仍可使用幾十年，而且是極為美觀的造
型材料。
2.2 技術(shù)優(yōu)勢
光電幕墻首先是一種高科技的建筑外殼，可滿足抵御惡劣天氣的所有要求，當(dāng)然也可滿足建筑物理上的要求，比如
阻燃、隔熱和消音等。光電幕墻還提供了一種與眾不同的造型，這是科技發(fā)展進(jìn)步的標(biāo)志。
光電幕墻加裝光電模板后，可節(jié)省傳統(tǒng)的建筑材料，比如光電模板可代替
拋光的自然建材。光電幕墻也大大減輕了環(huán)境的負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗Ｗo(hù)自然資源免受損失。特別是太陽能電池發(fā)電不會(huì)排放二
氧化碳或產(chǎn)生對(duì)溫室效應(yīng)有害的氣體，也無噪音，是一種凈能源，與環(huán)境有很好的
相容性。
光電幕墻的最大優(yōu)點(diǎn)在于，它不需燃料，不產(chǎn)生廢氣，無余熱，無廢渣，無噪音污染，可用來發(fā)電。由于能發(fā)電，可少交電費(fèi)，在國外還可將多余的電賣給電力局。由此可見，光電幕墻本身就是一種可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和綠色環(huán)保效益的高科技新產(chǎn)品。
2.3 技術(shù)類型
太陽能模板可分為以下幾類[4]:
類型
單晶硅 多晶硅 聚光硅 多晶膜
非晶硅 GaAs CdTe CuInSe2 CdS/Cu2S 染料
敏化膜
效率 20.4 14.5 17 13.6 8.6 20.1 7 9 12 10
面積 4
cm2 4
cm2 4
cm2 1
cm2 100
cm2 1
cm2 3
cm2 1
cm2 4
cm2 1
cm2
光電轉(zhuǎn)換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量[5]。日本科學(xué)家采用的是第二種方案。這種新電池雖然在轉(zhuǎn)換直射陽光的效率上比不上硅，但它可吸收入射角度更小的光線，它甚至可以吸收漫反射光。因此，它能夠在早晚或則雨天、甚至在室內(nèi)都可工作。它的實(shí)際工作效率等于甚至超過了普通電池。研究人員正在努力提高電池容量，將它制成可
彎曲的、輕便的
塑料電池。
據(jù)報(bào)導(dǎo)，日本產(chǎn)業(yè)化技術(shù)綜合研究所通過在
玻璃基板上形成氧化鋅半導(dǎo)體(n型)與銅
鋁氧化物半導(dǎo)體(p型)的半導(dǎo)體pn結(jié)，試制成功透明的太陽能電池[6]。這是一種可使
可見光透過，利用紫外光進(jìn)行發(fā)電的新型太陽能電池。太陽光的幅射能量分布在廣泛的波長領(lǐng)域，其中紫外光占6%，可見光5O%，紅外光占44%，以前太陽能電池都是以可見光的利用為中心開發(fā)的，利用禁帶寬度大的半導(dǎo)體通過對(duì)人體有害的紫外光發(fā)電，可以使可見光照樣透過。因此人們有可能制造出能對(duì)紫外光、可見光、紅外光的應(yīng)答上進(jìn)行控制的半導(dǎo)體裝置。
3光電幕墻應(yīng)用
3.1 國外應(yīng)用進(jìn)展
進(jìn)入90年代后，隨著常規(guī)發(fā)電成本的上升和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，一些國家紛紛實(shí)施、推廣太陽能屋頂計(jì)劃，并提出了“建筑物產(chǎn)生能源”的新概念，由此推動(dòng)了光電技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)與應(yīng)用。美國、日本、德國、
意大利、印度等許多國家都已建有太陽能屋頂或外墻的建筑。
1996年美國就開始實(shí)施了一項(xiàng)稱為“
光伏建筑物計(jì)劃”生產(chǎn)大量的透明光伏玻璃幕墻制品，用于建筑物的屋面、墻面及光伏
智能門窗。專家們預(yù)言，這種采用光-電建筑一體化組件的
光電玻璃幕墻將成為21世紀(jì)的并網(wǎng)
太陽能發(fā)電系統(tǒng)最為走俏的工程。在國際上，太陽能電池在建筑物上使用與制造光電玻璃幕墻相結(jié)合的發(fā)展尤為迅速，其市場發(fā)展前景十分看好。
在1991年
慕尼黑最大的建筑行業(yè)
展覽會(huì)上，旭格公司首先展出了光電幕墻，這是一個(gè)發(fā)展項(xiàng)目，也是將光能應(yīng)用于
建筑裝飾業(yè)的開始，自此，光電幕墻這一產(chǎn)品的應(yīng)用引起了專業(yè)人士的關(guān)注。目前，世界上最大的太陽能屋頂光電系統(tǒng)安裝在新慕尼黑貿(mào)易展覽中心。該系統(tǒng)由7812塊西
門子單晶硅組件組成方陣，每塊功率130W，總?cè)萘砍^1MW，所發(fā)電力與20KV電網(wǎng)相聯(lián)，每年能發(fā)電100萬KWH，足夠340戶德國家庭使用。
2000年的悉尼奧運(yùn)會(huì)太陽能光電幕墻、光電屋頂、太陽能路燈已隨處可見。
太陽能電池產(chǎn)量位居第一的夏普從2005年4月開始正式受理太陽能
薄膜電池定單，對(duì)于目前的太陽能電池產(chǎn)業(yè)來說，作為原材料的硅，在供應(yīng)上越來越緊張，因此，需要開發(fā)出硅材料使用量不到原來1/10的薄膜型太陽能電池。這種技術(shù)是采用層積非晶硅單元和結(jié)晶硅薄膜單元的獨(dú)有構(gòu)造“結(jié)晶薄膜串疊型單元”通過采用這一構(gòu)造，轉(zhuǎn)換效率從原來非
晶體硅型太陽能電池的7%提高到了11%，另外，還投產(chǎn)了可以透過光線的透光型太陽能電池模塊。
3.2 國內(nèi)應(yīng)用進(jìn)展
我國
太陽能集熱器是太陽能應(yīng)用最為廣泛、產(chǎn)業(yè)化最迅速的產(chǎn)業(yè)之一。1998年的產(chǎn)量居世界榜首，年銷售總額達(dá)到35億元。但
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國起步較晚，尤其是在太陽能電池的開發(fā)、生產(chǎn)上還落后于國際水平，整體上仍處于產(chǎn)量小、應(yīng)用面窄、產(chǎn)品單一、技術(shù)落后的初級(jí)階段。
目前，我國國內(nèi)經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)表明，約僅建有5個(gè)（單晶硅）太陽能電池生產(chǎn)廠，年產(chǎn)量約有4.5兆瓦，工廠設(shè)施仍停留在已有引進(jìn)的
生產(chǎn)線上。而國外不少企業(yè)已把眼光瞄準(zhǔn)更為先進(jìn)的薄膜晶體太陽能電池的開發(fā)與生產(chǎn)上。這種新一代的先進(jìn)的薄膜晶體太陽能電池其轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)18.3％，比目前平均轉(zhuǎn)換效率提高了3個(gè)百分點(diǎn)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，我國太陽能電池平均轉(zhuǎn)換效率不高，其主要原因是專用材料國產(chǎn)化程度低，如封裝玻璃就完全依賴進(jìn)口，低鐵含量的高透過率基板玻璃市場仍不能滿足需求，科研成果還沒有迅速及完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。
令人欣慰的是，我國的太陽能產(chǎn)業(yè)已開始運(yùn)作。中國科學(xué)院宣布啟動(dòng)西部行動(dòng)計(jì)劃，將在兩年內(nèi)投入2.5億元人民幣開展研究，建立若干個(gè)太陽能發(fā)電、太陽能供熱、太陽能空調(diào)等示范工程。目前河北保定國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)正加快建設(shè)我國規(guī)模最大的
多晶硅太陽能電池生產(chǎn)基地，該項(xiàng)目集太陽能電池、組件及應(yīng)用系統(tǒng)等為一體，一期工程完成后可達(dá)到年產(chǎn)3兆瓦多晶
硅太陽能電池的能力，填補(bǔ)了我國在太陽能開發(fā)應(yīng)用方面多項(xiàng)空白，并將大大推動(dòng)太陽能電池用低鐵玻璃的生產(chǎn)、銷售市場。
另據(jù)報(bào)道，北新集團(tuán)是最早率先組織專家對(duì)國內(nèi)、國際
太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)行調(diào)查的單位之一。最后該集團(tuán)決定與瑞士的ATLANTIS公司合資組建了北京-阿脫蘭太陽能科技有限公司，合資生產(chǎn)太陽能
光伏發(fā)電組件和屋面發(fā)電組件兩大系列、多個(gè)品種的光伏發(fā)電產(chǎn)品，并將這一世界領(lǐng)先的太陽能利用新技術(shù)引入中國。北新集團(tuán)于1998年在國內(nèi)首家引進(jìn)了76千瓦國際上先進(jìn)的屋面太陽能發(fā)電系統(tǒng)，至今一直運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好。這套系統(tǒng)日均發(fā)電量為12千瓦時(shí)以上，可滿足1個(gè)小康之家用電要求。
目前，國家計(jì)委和國家科委對(duì)發(fā)展太陽能技術(shù)及其應(yīng)用給予了大力的支持。隨著節(jié)能和環(huán)保的需要，我國正在逐漸接受這種光電幕墻。目前光電幕墻現(xiàn)多用于
標(biāo)志性建筑的屋頂和外墻。為了滿足國內(nèi)市場需求，已經(jīng)有多家企業(yè)通過與海外企業(yè)合資、合作，引進(jìn)、生產(chǎn)這種光電幕墻產(chǎn)品。在研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電幕墻產(chǎn)品方面，國內(nèi)業(yè)界緊緊追蹤國際先進(jìn)技術(shù)，于2002年開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電幕墻產(chǎn)品，并成功首次應(yīng)用在位于深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的方大集團(tuán)科技中心大廈工程中，其采用的光電幕墻有效面積為93.8平方米，設(shè)計(jì)峰值發(fā)電功率10.3千瓦，
建筑標(biāo)高97米，是我國第一幢光電幕墻建筑。
此外，值得一提的是我國河北振海鋁業(yè)集團(tuán)有限公司已將從事多年的
建筑玻璃幕墻業(yè)務(wù)向太陽能光電玻璃幕墻領(lǐng)域奮力開拓發(fā)展，迄今已邁出了可喜的一步。該集團(tuán)在國家大力支持下，率先在公司總部基地投資1.6億多元，建設(shè)一條年生產(chǎn)能力為6萬平方米的多晶硅光電幕墻生產(chǎn)線。該項(xiàng)目引進(jìn)國外20世紀(jì)90年代末國際先進(jìn)的6萬平方米光電玻璃幕墻生產(chǎn)裝備線。共主要指標(biāo)大致為：多晶
硅片生產(chǎn)量240千克，多晶硅太陽能電池平均效率≥13％，生產(chǎn)能力為6萬平方米/年。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，該光電玻璃幕墻封裝線采用引進(jìn)德國凱特米化學(xué)制品有限公司的最新隔音、
安全玻璃濕法夾膠設(shè)備和濕法
夾膠玻璃漿液進(jìn)行玻璃封裝，以確保其光電轉(zhuǎn)換效率及玻璃幕墻的使用壽命。據(jù)介紹，該引進(jìn)的光電玻璃幕墻封裝生產(chǎn)線產(chǎn)量大、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好；其玻璃封裝流程大致如下：玻璃上片→濕法灌漿→靜置→紫外線
固化→下片→檢驗(yàn)→包裝→出廠，并能夠生產(chǎn)封裝4.2米×2.0米的大型尺寸的光電玻璃幕墻制品。與此同時(shí)，還可生產(chǎn)用戶型常規(guī)尺寸的光電幕墻，其產(chǎn)品品種規(guī)格大致如下：
1400×620×38(mm),功率97瓦；1220×510×38(mm),功率70瓦；980×435×38(mm),功率43瓦；504×220×25(mm),功率11瓦。河北振海鋁業(yè)集團(tuán)公司除了生產(chǎn)上述光電玻璃幕墻制品外，同時(shí)也可將基本光電幕墻單元與各種玻璃組合制造成各種多功能幕墻結(jié)構(gòu)如普通
中空玻璃光電幕墻、LOW-E（低輻射）
中空玻璃幕墻形式等。
河北振海鋁業(yè)集團(tuán)公司是德國皮爾金頓太陽能國際有限公司在中國獨(dú)家總代理，現(xiàn)已投入生產(chǎn)世界先進(jìn)的太陽能電池玻璃封裝設(shè)備和
配套材料，如德國凱米特化學(xué)制品有限公司的優(yōu)質(zhì)濕法玻璃層壓設(shè)備、濕法灌漿液（封裝介質(zhì)）等。振海集團(tuán)的基地于1999年11月已在我國率先安裝了100多平方米的光電玻璃幕墻示范建筑物，現(xiàn)已竣工投入應(yīng)用，其運(yùn)行使用效果良好，已成國內(nèi)一大景觀及太陽能光伏發(fā)電工程的典范，在建造及安裝100多平方米光電幕墻實(shí)施期間，德國皮爾金頓太陽能公司在中國現(xiàn)場與振海集團(tuán)公司人員共同進(jìn)行光電幕墻的規(guī)模化生產(chǎn)、光電轉(zhuǎn)化多晶硅片在雙層玻璃中的布控、接線、光電幕墻制品件的邊框封裝直至建筑物上的安裝調(diào)試、試用、檢測，使振海集團(tuán)在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、檢測、使用等和對(duì)光電玻璃幕墻的維護(hù)等方面積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。為該集團(tuán)公司今后將該項(xiàng)工程及其光伏發(fā)電產(chǎn)品的生產(chǎn)、應(yīng)用、銷售等推向國內(nèi)外市場打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
據(jù)悉，我國
光伏產(chǎn)品在過去幾年增長率已達(dá)30％左右。專業(yè)人士預(yù)測，在今后的10年里，我國光伏產(chǎn)品年增長率將高達(dá)20％～30％，同時(shí)由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電與
建筑構(gòu)件相結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電補(bǔ)充能源向替代能源過渡已是不爭的事實(shí)。光伏發(fā)電工程中的光電玻璃幕墻組件如得到廣泛應(yīng)用于我國今后的新建筑物上，它能夠使玻璃和建筑結(jié)構(gòu)完善和諧結(jié)合，智能化并產(chǎn)生能量，將表現(xiàn)出具有高效率的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)會(huì)進(jìn)一步使國人認(rèn)識(shí)到大力推廣、發(fā)展生產(chǎn)、使用光電玻璃幕墻，除了發(fā)電供能的功能之外，光電幕墻還同樣具有隔音、隔熱功能、安全功能（雙層鋼化、
夾層工藝）、裝飾功能（彩色硅片）、和諧環(huán)境功能等特有的功效。
4 展望
光電玻璃幕墻制品可廣泛用于建筑物的
遮陽系統(tǒng)、建筑物幕墻、光伏屋頂、光伏
門窗等光伏發(fā)電。也可用于邊遠(yuǎn)山區(qū)居民、交通、通信、氣象、軍事等部門，如電視轉(zhuǎn)播站、衛(wèi)星地面站、微波中繼站、公路及鐵路信號(hào)燈、農(nóng)用
光伏系統(tǒng)、航標(biāo)燈、燈塔等。
雖然光電玻璃幕墻在我國的研制、生產(chǎn)及應(yīng)用起步較晚，但美國的“光伏建筑計(jì)劃”、歐洲的“百萬屋頂光伏計(jì)劃”、日本的“朝日計(jì)劃”以及我國開展的“光明工程”將掀起中國的
節(jié)能環(huán)保生態(tài)建材的開發(fā)應(yīng)用熱潮，大大促進(jìn)了光伏建材產(chǎn)品的發(fā)展及推廣應(yīng)用。
光電玻璃幕墻是當(dāng)今太陽能利用的光伏發(fā)電工程中重要產(chǎn)品之一，現(xiàn)已成世界能源產(chǎn)業(yè)中走俏的“朝陽工業(yè)產(chǎn)品”。據(jù)介紹，1997年世界光電玻璃幕墻組件（產(chǎn)品）為122萬平方米，年增長率為38.5%，1998年的年增長率為29%，1999年的年增長率為22%；權(quán)威人士估計(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)的今后幾年里，世界對(duì)光電玻璃幕墻的需求年增長率將會(huì)穩(wěn)定保持在20%左右的良好勢頭里。
到2010年，世界
光伏工程中的光電玻璃幕墻組件需求將會(huì)上升到1600萬平方米，如果以僅僅2000元/平方米市場價(jià)格來計(jì)算，可達(dá)30億美元的產(chǎn)值，這一偌大的市場，將大大拉動(dòng)作為太陽能利用光伏工程用低鐵
浮法玻璃、LOW-E（低輻射）玻璃、普通
浮法平板玻璃的市場需求，前景十分誘人。
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作者介紹：
王爍 wangshuo
1978年8月16日、男、河北、工程師、碩士、天津南玻工程玻璃有限公司（TIANJIN CSG ARCHITECTURAL GLASS CO., LTD.）
