摘要：隨著(zhù)“雙碳”政策以及“十四五”計劃的落地推進(jìn)，光伏建筑一體化(BIPV)成為現代節能建筑的新寵。目前常見(jiàn)的BIPV組件結構為5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5T+12A+5T+1.52P+5T或5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5T+12A+5T，這兩種組件在使用過(guò)程中存在蓄熱大、保溫隔熱性差等問(wèn)題；本文把真空玻璃引入BIPV組件進(jìn)行優(yōu)化并對其熱工性能、電學(xué)性能及安全性能進(jìn)行系統的測量。試驗結果顯示，相較與傳統BIPV組件，真空光伏玻璃組件能夠有效阻隔碲化鎘太陽(yáng)能電池蓄熱對室內環(huán)境的影響，電學(xué)性能基本不變。根據實(shí)驗結果給出了真空玻璃與光伏結合方案。頂面宜采用3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T或5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T結構，立面宜采用5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T結構。

一、研究背景

根據中國建筑節能協(xié)會(huì )數據,當前國內建筑全生命周期碳排量已經(jīng)占到全國碳排放總量的51.3%,其中僅建筑運行階段碳排占比就達到了22%。顯然,建筑行業(yè)成為了我國零碳發(fā)展的“主戰場(chǎng)”。當前光伏建筑一體化供需條件和技術(shù)趨于成熟，在政策推動(dòng)和市場(chǎng)需求持續高漲的情況下,采用BIPV主動(dòng)產(chǎn)能，將建筑物變?yōu)榻隳芎囊殉蔀橐粋€(gè)趨勢。

二、光伏真空玻璃

2.1 真空玻璃

真空玻璃技術(shù)是由成熟的保溫瓶技術(shù)與玻璃深加工技術(shù)的完美結合。兩片玻璃的外邊緣用密封材料焊接在一起，兩片玻璃間的狹小間隙（0.3mm）呈高真空狀態(tài)(P≤0.1Pa)，為避免兩片玻璃接觸，兩片玻璃間分布細小支撐物，上下片玻璃為鍍膜玻璃或透明浮法玻璃，內置吸氣劑保持真空玻璃真空度不改變。是繼中空玻璃、LOW-E 中空玻璃之后的新一代節能玻璃產(chǎn)品。真空玻璃應用具有如下優(yōu)勢：

圖1 真空玻璃結構圖

1）真空玻璃具有極低的傳熱系數

采用相同low-e膜層的真空玻璃，傳熱系數是中空玻璃的1/5，不到三玻兩腔中空的1/3。

表1真空玻璃與中空玻璃傳熱系數對比

2）真空玻璃U值不受安裝角度影響

表2 真空玻璃與中空玻璃不同安裝角度U值變化

當中空玻璃非垂直安裝時(shí)，中空玻璃表面和內部空腔的對流環(huán)境發(fā)生了改變，其傳熱系數必將產(chǎn)生變化。從表2可以看出，由于真空玻璃中間無(wú)氣體層，不存在氣體熱對流和熱傳導，其不受安裝角度影響，U值始終為0.48W/m2*K。中空玻璃的冬季 U 值隨傾斜角度而變化的趨勢非常明顯， 在水平放置的狀態(tài)下，單中空和三玻兩腔中空玻璃的U值比豎直狀態(tài)增加了41%和33%。  

3）真空玻璃可在高海拔地區應用

真空玻璃內腔為高真空，即使生產(chǎn)地與使用地存在較大的海拔落差，也不會(huì )出現內腔膨脹或收縮現象。

4）真空玻璃隔聲降噪性能高

真空玻璃的隔聲降噪性能基于聲音在真空條件下不傳播。真空玻璃單獨計權隔聲量39dB以上，形成BIPV光伏組件后隔聲量可達43dB以上。

2.2 光伏真空玻璃

光伏真空玻璃，是指將碲化鎘、鈣鈦礦等光伏電池片與真空玻璃以?shī)A膠或中空的方式相結合而形成的一個(gè)整體。如圖2是夾膠形式復合的光伏真空玻璃組件，圖3是光伏中空玻璃組件。相比較與傳統的光伏中空玻璃組件，光伏真空玻璃組件能夠有效的避免組件隔熱保溫性能差，夏季大量外部熱量進(jìn)入建筑物內，冬季采暖熱量從建筑物內向外部擴散等問(wèn)題。

圖2 光伏真空玻璃組件結構圖

圖3 光伏中空玻璃組件結構圖

三、光伏真空玻璃應用性能研究

3.1試驗方法及裝置

試驗方法：選取河南洛陽(yáng)蘭迪鈦金屬真空玻璃有限公司作為測試地點(diǎn)，將各類(lèi)光伏玻璃組件（真空玻璃、中空玻璃與碲化鎘薄膜電池片結合形式不同）安裝在陽(yáng)光測試房頂面、立面南向，監測了光伏玻璃組件內外表面及中空腔體溫度、光伏組件變形量、發(fā)電功率等測試數據，對比分析中空光伏組件及真空光伏組件的應用效果，確定BIPV立面及頂面適宜的結構配置。

試驗裝置：

1）測試陽(yáng)光房：頂面安裝3組600*1200mm透光率為20%的碲化鎘薄膜光伏玻璃組件，立面南向安裝3組600*1200mm透光率為40%的碲化鎘薄膜光伏玻璃組件。陽(yáng)光房室內安裝有空調。

2）觸摸屏PLC的溫度采集控制系統；

3）太陽(yáng)能功率計；

4）直流電量測試儀：負載電阻為500Ω。

a）陽(yáng)光房

b）太陽(yáng)能功率計

c）觸摸屏PLC的溫度采集控制系統

d）直流電量測試儀

圖2 試驗裝置圖

3.2 試驗結果與分析

試驗選取了太陽(yáng)輻照度（1125W/m2）和溫度(28~37℃)較具代表性的2023年6月22日作為數據采集日，室內空調溫度設定為25℃。對不同組合的真空光伏組件及中空光伏組件各部位溫度、變形量，光伏發(fā)電輸出功率進(jìn)行記錄分析。

一般情況下，建筑物頂部安裝的光伏玻璃組件需要夾膠處理。主要有兩個(gè)目的：1）提高光伏組件上表面抗沖擊性能；2）防止內層玻璃破碎后墜落傷人。本試驗中對頂部和立面安裝的光伏玻璃組件依據實(shí)際使用情況共設置了6種配置。測試結果如下表：

表3 不同光伏玻璃組件測試結果

3.3 不同結構對光伏發(fā)電量及變形的影響

從表3中發(fā)電量數據來(lái)看，采用20%相同透光率的碲化鎘薄膜電池的頂面樣品1~3電池表面溫度相近，輸出功率約為10.7W�？紤]到建筑采光，立面樣品4~6采用40%相同透過(guò)光率的碲化鎘薄膜電池，3組樣品外表面溫度和發(fā)電量也基本一致，輸出功率約為5W。雖然光伏玻璃組件兩側有溫差作用但由于玻璃版面較小且剛度較大，光伏玻璃組件變形量均在0.5mm以?xún)�，光伏組件抗變形能力強。由此可見(jiàn)，發(fā)電量由薄膜電池的特性決定，與玻璃結構相關(guān)性不大。

3.4 不同結構對室內外溫差的影響

圖3 陽(yáng)光房光伏組件室外表面中心點(diǎn)溫度

圖4 陽(yáng)光房光伏組件室內表面中心點(diǎn)溫度

從圖3中頂面安裝光伏組件數據可以看出，樣品T1~T3、S1~S3室外側溫度基本接近。這是由于室外側溫度主要由電池片蓄熱決定，從圖3還可以看出，立面安裝的光伏組件S1~S3外表面溫度約為55℃明顯低于頂面水平安裝的光伏組件T1~T3外表面溫度約為75℃。主要由于以下兩個(gè)原因：（1）為了保證BIPV建筑的采光，立面光伏組件中的碲化鎘太陽(yáng)能電池片透光率為40%，高于頂面光伏組件的20%透光率。碲化鎘太陽(yáng)能電池片透光率增高，電池組件發(fā)電功率下降，受輻照時(shí)表面升溫變慢變小。（2）電池片表面升溫受輻照量影響，立面安裝太陽(yáng)輻照總量遠低于頂面平面安裝。

從圖4可以看出，樣品T2、T3真空光伏組件室內側表面溫度遠低于樣品T1中空光伏組件內側表面溫度，即使在室內空調開(kāi)啟狀態(tài)下中空光伏組件內側表面溫度高達53.3℃，真空組件內側溫度39.4℃。這說(shuō)明對于中空玻璃光伏組件來(lái)說(shuō)室外熱量及光伏組件蓄積熱量直接傳入室內，導致室內側熱舒適急劇下降。立面安裝的樣品S1和S3雖然都存在中空腔體，但由于光伏組件內層玻璃差異，兩者室內側溫度分別為35℃和44.5℃，溫差近10℃。立面安裝的S1及S2樣品由于內層真空玻璃的存在，S1中空腔雖然也蓄積了熱量但對室內側溫度影響不大。以上結果均說(shuō)明了真空光伏作為光伏組件內層玻璃的優(yōu)勢：由于保溫隔熱能力突出，不僅不影響發(fā)電效率，還有效阻隔薄膜太陽(yáng)能電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳入室內，同時(shí)也可以阻隔室內熱量傳到室外，提高了建筑物的隔熱保溫性能。

由此可見(jiàn)，光伏組件外表面的溫度主要由于電池片吸熱導致，在夏季可高達75℃，外表面溫度與玻璃結構相關(guān)性不大；室內側玻璃表面溫度與玻璃結構有關(guān)，當內側玻璃保溫性能越好，室內側玻璃表面溫度越接近于室溫，舒適度越高。

四、結論

1）從本文試驗數據分析可知，在碲化鎘薄膜電池及安裝朝向確定情況下，中空及真空光伏玻璃組件的發(fā)電功率基本一致。

2）真空玻璃光伏組件主要解決了中空玻璃光伏組件在使用過(guò)程中存在的蓄熱大、保溫隔熱性差等問(wèn)題。相對于中空玻璃光伏組件，真空玻璃光伏組件由于保溫隔熱能力提升80%以上，在實(shí)際使用過(guò)程中有效阻隔薄膜太陽(yáng)能電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，大幅度減小熱量傳入室內，同時(shí)也可以阻隔室內熱量傳到室外，提高了建筑物的隔熱保溫性能。因此真空玻璃是BIPV建筑最終實(shí)現零碳的必要條件。

3）根據實(shí)驗結果可看出真空玻璃與光伏結合。頂面宜采用3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T或5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T+1.52P+5T結構，立面宜采用5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T結構。

參 考 文 獻

[1] 何道清, 何濤, 丁宏林． 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統原理與應用技術(shù)［M］. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015

[2] 邊萌萌, 張昕宇, 殷翀等. 建筑立面光伏組件應用技術(shù)研究現狀[J]. 建筑科學(xué), 2020(6).

[3] 英姿. 節能門(mén)窗在建筑設計中的運用探討[J]. 中國建材科技,  2019(5).

[4] 鄒瑜, 郎四維, 徐偉等. 中國建筑節能標準發(fā)展歷程及展望［J］. 建筑科學(xué), 2016, 32(12) :  01-05.

[5] 郝國強, 張瑞, 李紅波等. 光伏玻璃幕墻熱工性能研究［J］. 建筑科學(xué), 2017, 33(02) :  65-71, 88

[6] Ng, P.K., N. Mithraratne and H.W. Kua, Energy analysis of semi-transparent BIPV in Singapore buildings[J]. Energy and Buildings, 2013. 66: p. 274-281.

[7] Cannavale, A., et al., Building integration of semitransparent perovskite-based solar cells: Energy performance and visual comfort assessment. Applied Energy, 2017. 194: p. 94-107.

[8] 王兆宇, 艾芊. 太陽(yáng)能光伏建筑一體化技術(shù)的應用分析[J]. 華東電力, 2011, 39(03): 477-481.