真空玻璃與光伏建筑一體化應(yīng)用

    光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)，是將太陽(yáng)能（光伏）發(fā)電產(chǎn)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(jié)合的形式，可分為光伏屋頂結(jié)構(gòu)和光伏幕墻結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能光伏幕墻玻璃在建筑設(shè)計(jì)和使用中存在以下問題：

    （1）建筑物的隔熱隔音。普通的太陽(yáng)能組件沒有隔熱措施，只是簡(jiǎn)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(huì)將大量的熱量帶入室內(nèi)， 同時(shí)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(yáng)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(huì)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(diào)整電池片的間距到25mm左右，使透光率達(dá)到30%左右，但這必然會(huì)降低組件的發(fā)電效率。

    對(duì)此，國(guó)內(nèi)有公司研發(fā)了一種將染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）與真空玻璃相組合的太陽(yáng)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(xì)小支撐物隔開，四周用低熔點(diǎn)無(wú)機(jī)材料焊接熔封，并經(jīng)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(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱，所以真空玻璃具有優(yōu)異的隔熱性能，同時(shí)又能夠有效阻隔聲音的傳遞。目前真空玻璃已廣泛應(yīng)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(xiàng)性能指標(biāo)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(yáng)能電池吸收太陽(yáng)輻射，其中一小部分轉(zhuǎn)換成電能，剩余的熱量轉(zhuǎn)化為熱，其中一部分會(huì)向室內(nèi)傳遞。根據(jù)測(cè)試，夏季太陽(yáng)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(yáng)能電池阻擋了大部分太陽(yáng)輻射熱， 但由于溫差帶來(lái)的室內(nèi)增熱十分嚴(yán)重，即使在室內(nèi)側(cè)復(fù)合一層低輻射（Low-E）中空玻璃，仍然有相當(dāng)一部分額外的熱量進(jìn)入室內(nèi)，增加室內(nèi)空調(diào)的制冷負(fù)荷， 這與太陽(yáng)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(wú)疑可節(jié)省大量的空調(diào)制冷電耗，減少太陽(yáng)能電池發(fā)熱帶來(lái)的負(fù)面影響。在冬季亦如此，冬季室內(nèi)外溫差大，光照強(qiáng)度小，真空玻璃可有效阻止室內(nèi)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(zhì)。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(dá)36dB，隔聲總量超過中空玻璃，特別是對(duì)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(yáng)能電池是一種光化學(xué)電池，與其他太陽(yáng)能電池相比，原材料易得、成本低，制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)見圖3。

    硅太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)光照角度和照度有較高的要求。當(dāng)太陽(yáng)能電池使用于建筑立面時(shí)，受建筑物朝向和玻璃角度的限制，太陽(yáng)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(yáng)能電池本身具有弱光發(fā)電特性（薄膜太陽(yáng)能電池具有類似特點(diǎn)）， 在光度很弱的情況下依舊運(yùn)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(yáng)能電池的這一特點(diǎn)完全具備了在建筑立面上使用的條件。

    染料敏化太陽(yáng)能電池與硅太陽(yáng)能電池板性能對(duì)比見表2。染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）應(yīng)用實(shí)例見圖4、圖5。染料敏化太陽(yáng)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(shí)， 不用增加電池片之間的間距即可達(dá)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(shí)， 可保證電池的發(fā)電效率。

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

    染料敏化太陽(yáng)能電池在封裝時(shí)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(yáng)能電池幕墻玻璃組件中，由于中空玻璃采用結(jié)構(gòu)膠密封， 有一定的水汽透過率，雖然內(nèi)置分子篩吸濕劑， 但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，分子篩逐漸飽和失效， 中空層內(nèi)的空氣濕度越來(lái)越大，充入的惰性氣體也會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸散失，我國(guó)中空玻璃使用壽命約為8~10年。滲透進(jìn)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(shí)，會(huì)因中空層內(nèi)對(duì)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(yáng)能組件節(jié)能性和使用壽命的關(guān)鍵因素。

    真空玻璃由于邊部采用熔融的低熔點(diǎn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)良，空氣和水汽的滲透可忽略不計(jì)， 而且在真空玻璃內(nèi)部還放置了長(zhǎng)效吸氣劑，可保持真空層的真空度。以上幾點(diǎn)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(yáng)能電池復(fù)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(dān)， 并且Low-E鍍膜在真空層內(nèi)受到良好的保護(hù)， 即使中空的隔熱效果變差， 對(duì)整個(gè)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(diǎn)、角度的限制（見圖6）。

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

    真空玻璃節(jié)能技術(shù)、導(dǎo)電玻璃技術(shù)與染料敏化太陽(yáng)電池技術(shù)相結(jié)合的光伏真空玻璃組件， 是國(guó)際前沿的第三代太陽(yáng)能光伏技術(shù)， 在大幅提高建筑物保溫隔熱功效的同時(shí)發(fā)電產(chǎn)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(jié)合，可減少土地占用面積，降低安裝成本。應(yīng)進(jìn)一步降低成本，推動(dòng)光伏組件批量生產(chǎn)和應(yīng)用。