上海世博会光电建筑

龙文志

（作者为中国金属结构协会光电建筑应用委员会专家）

一、上海世博，让光电建筑引领未来

世博会作为建筑学历史上不容忽视的一页，对近现代建筑学的发展起着深刻的影响和促进作用。世博会力求展示现阶段世界科技文明领域最前沿的研究成果，每一届世博会都是最新科技的斗秀场，为人们提供一个建筑技术发展的切片，世博会上出现的新兴技术也为我们提供了未来建筑技术发展的新趋势，预测了未来建筑发展的方向。

中国的城镇化正处在一个关键时刻。改革开放之初，中国城镇化率只有17%，现在已近47%。今后25年到30年，是中国城镇化一个飞速发展的时期，城镇化不仅是中国面临的大问题，也是世界面临的大问题，因为当今世界一批发展中国家在崛起，发展中国家在崛起的过程当中，工业化和城镇化是齐头并进的，城镇化的目的就是使人的生活更美好，这跟世博会的主题“城市让生活更美好”不谋而合，如何让生活更美好？世博会给我们提供了一个前所未有的机会，150多个国家，50多个国际组织到这儿来展现他们的理念，城市发展首当其冲的建筑自然是他们关注的重中之重。

一场新能源革命席卷全球的时候，正逢上海世博会开幕之际。这是中国与世界共赢的机遇，也是中国推进城镇化的绝好机遇。而最能代表未来城市发展的低耗能建筑——太阳能建筑在这个时候于美丽的上海大放异彩，这一切都必将昭示着未来城市的发展将从这里起源，光电建筑的前途藉此而蓬勃发展。

图1 上海世博光电建筑屋面

由 “世博科技行动计划”设立专项研究的世博会太阳能应用科技创新涉及世博园区中国馆、主题馆光伏建筑一体化关键应用技术，包括中国馆、主题馆太阳能与建筑结合技术，光伏建筑一体化组件技术，如地砖式光伏组件、大面积透光式光伏组件、防水型光伏组件、异形光伏组件等，大功率逆变及高效组合技术，大型光伏建筑控制技术及可靠性，以及大型光伏建筑一体化系统工程应用技术等方面。世博会永久场馆中国馆、主题馆光伏建筑一体化并网电站建成后，将成为目前亚洲和中国总容量位居前列的光伏建筑一体化并网电站，主题馆光伏建筑一体化并网系统规模可达2.5兆瓦，将是国内单体建筑上最大容量的光伏建筑一体化并网系统，中国馆光电建筑则是结合具有传统中国特色建筑建造的BIPV并网电站。这不仅将成为世博会一个崭新的科技亮点，还必将成为我国BIPV并网光伏发电领域的成功典范。此外，世博中心、南市电厂和沪上生态家等场馆都将建立光伏建筑一体化并网发电系统。整座世博园的太阳能光伏发电总装机容量将达4.5兆瓦，预计每年可节电约420万千瓦时，减排二氧化碳约4100吨。集中使用，是上海世博会太阳能技术的一大特点。主题馆、中国馆等主要场馆，都将安装太阳能设施。建成后，世博园区太阳能发电能力将达到4.5兆瓦。

世博园区太阳能发电项目实现智能化，基本上不需要人工操作，太阳升起时即开机发电，太阳落山后则自动关机，阴雨天气时发电效率虽受一定影响，但也能照常开机发电。

上海世博园区太阳能发电项目在设计和施工过程中，充分考虑到太阳能光伏电站发电效率的优化与世博建筑美学的统一，屋顶平面采用单晶硅光伏组件与绿化间隔铺设的布置，屋顶设备间南墙立面采用光伏遮阳组件，达到了既美观又节能的效果。

2010年的上海世博会不仅是大规模光伏建筑一体化并网电站的展示与示范应用舞台，而且各种结合太阳能技术应用的景观与展示也在规划之中，如太阳能路灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能电子显示屏、太阳能雕塑、太阳能喷泉、太阳能售货亭、太阳能冰吧、太阳能报刊亭、太阳能移动厕所、太阳能公交候车亭、太阳能售货亭和太阳能游船等。世博会上的大规模太阳能技术应用和各种太阳能科技展示使人们能够体验到太阳能技术给人类生活带来的变化，并充分反映出世博会关注应对全球气候变化和人类社会可持续发展等热点问题，体现 “城市，让生活更美好”主题，促进太阳能等新能源技术推广应用。本世纪举办的前两届世博会，德国汉诺威和日本爱知，对太阳能应用都作了初步展示，而上海世博会的光伏应用，将是世博会历史上规模最大、形式最为多样、技术最为新颖的。

无论是最具难度的主题馆，还是其它场馆，为满足建筑的美观和功能要求，选用的太阳能电池板各具姿采：有的不透光，而有的半透光，在场馆内仰起头，能看到阳光穿过电池板照射进来；有的平躺在屋顶上，有的却垂直安装在外立面上，成为遮阳板的一部分。在世博园区里，单晶硅、多晶硅、聚光和薄膜电池等多种光伏组件都得到了应用，一方面是为了借这个大舞台，尝试太阳能电池的多样化应用，一方面是由于各类型电池色彩不一，与建筑风格的匹配效果不同。

世博 “光电建筑”的设计建设，不仅为展示，更要实用。光伏发电并网后必须输出符合质量标准的 “绿电”，确保电网稳定。为此，上海市电力部门同设计方、供货方经过多轮研究，制定出了一系列技术指标和参数，解决了并网的技术，这些 “发电屋顶”无需太多维护，浇水清除积灰即可，预计使用寿命在20年。

世博 “太阳城”的总投资逾2亿元，平板光电组件完全 “中国设计、中国制造”，因为国内尚未开发出柔性、可卷曲的光伏电池板，因此世博演艺中心的球面屋顶没能采光发电。

二、主题馆光电屋顶

上海世博会永久性建筑之一的主题馆屋顶面积为6万平方米，其中铺设太阳能板面积达3万平方米，建成后总发电量达2.5兆瓦，使主题馆成为一座兆瓦级的太阳能“绿色工厂”。中国馆采取了利用68米平台和60米观景平台铺设单晶太阳能组件的方案，总装机容量达302千瓦。中国馆的60米观景平台四周将采用特制的透光型 “双玻组件”太阳能电池板，用这种 “双玻组件”建成的玻璃幕墙，既具有传统幕墙的功能，又能够将阳光转换成清洁电力。在60米平台挑檐位置安装重达250公斤的光伏组件，为了达到所要求的平整度，要将主题馆数万平米屋面的水平误差控制在30毫米之内。主题馆选用晶体硅太阳电池组件，太阳板间距仅2毫米。由于太阳能材料的特殊性，工程安装过程中不能采用焊接方式，只能用螺丝钉扣紧。中国馆的光电屋顶施工精度要高、施工难度大。

图2 从天空俯瞰世博会主题馆，24个次第排开的蓝色菱形的太阳能光伏电板

中国馆和主题馆设计了两套不同的方案。中国馆采用单晶硅太阳能组件，主题馆则采用与建筑肌理相吻合的菱形设计方案，铺设多晶光伏组件，采用多晶硅是深蓝色，与主题馆颜色相符。主题馆中庭屋顶采用了透光型的双玻组件，在日照充分的白天，将无需打开馆内的照明设施。

建筑是凝固的音乐，世博 “太阳城”必须处处与园区建筑的 “韵律”合拍。世博主题馆的太阳能屋顶设计，创意取自上海弄堂屋顶的肌理，整体犹如碧波粼粼的海面。标准的电池板都是长方形的，为了铺出一层层菱形的 “碧海微波”的效果，主题馆屋顶用了大量形状不规则的电池组件，它们产生的电压、电量不同于常规，所以在电池的并联串联方式上换了新思路。而且，主题馆内部是大跨度空间设计，屋顶承重有限，因此常规的安装配件被 “瘦身”，施工工艺也被革新。

图3 世博主题馆、中国馆安装顶部太阳能板

图4 世博主题馆、中国馆安装顶部太阳能板

图5 上海世博会中国馆顶层正在进行太阳能电池板安装

图6 上海世博会中国馆和主题馆进行太阳能光伏发电调试

主题馆太阳能电站将成为亚洲单体建筑最大的太阳能光伏建筑一体化电站。主题馆顶部菱形和三角形的晶体片在屋顶层层叠叠，成“折纸”形状。这些菱形和三角形就是太阳能多晶光伏组件。在屋顶下方的中厅位置，设计者特别采用透光的双层玻璃组件，让光线倾泻而下，让游客丝毫看不到屋顶太阳能板的痕迹。

三、世博会中国馆彩色光电屋顶

上海世博会中国馆250KW高效彩色太阳能发电并网系统安装在中国馆地区屋面 “新九州岛清宴”园林四周，由2736块高效彩色（红色、绿色、蓝色）太阳能电池组件组成，这是高效彩色太阳能发电系统在建筑上的首次应用。彩色太阳能发电系统既能够将阳光转换成清洁电力，又能根据建筑需要拼装出彩色图案起到美化装饰效果，这不仅是光伏建筑一体化 （BIPV)应用的一个经典案例，更是光伏环境一体化 （EIPV)的一次精彩亮相，是对本届世博会主题 “城市让生活更美好”的具体演绎。

由于常规太阳能电池只有做成黑色才能保证较高的转换效率，因此，在常规太阳能电池应用于建筑物的过程中往往就会面临要么牺牲建筑物的外形美观，要么牺牲光伏系统的发电效率的两难困境。光伏建筑一体化的概念需要新的内涵，它必须考虑光伏组件与环境和建筑的协调性。

图7 世博会中国馆

图8 世博会中国馆彩色光电屋顶

图9 中国馆彩色光电屋顶与 “新九州岛清宴”园林相映

图10 中国馆彩色光电屋顶安装

中国馆的地区馆屋面，是景色宜人的 “新九州岛清宴”园林景观。如果在风景如画的园林四周采用传统太阳能光伏板呈现蓝色或黑色将会大煞风景，破坏景观效果。而采用彩色太阳能光伏板组成的迷彩色 “高效彩色双玻组件”建成光伏建筑一体化的太阳能发电系统，红、绿、蓝三色电池板围绕园林四周使其与景观的色彩和谐统一，这条足有一公里长的太阳能发电系统不仅能为中国馆提供250千瓦的清洁电力，更与周围 “新九州岛清宴”的园林相映成趣，成为世博园中的一大景观。

图11 安装的彩色太阳能发电系统国家元首接待厅俯瞰图

图12 彩色太阳能电池

世博会采用多种色系的太阳能电池，其转换效率和传统黑色太阳能电池几乎没有区别。 “这使得太阳能发电系统与建筑和环境能够在更大程度上融为一体。在光伏建筑一体化的基础上进一步实现了光伏环境一体化。中国馆安装的高效率彩色太阳能发电系统，这是高效率彩色太阳能发电系统在建筑物上的首次应用。

太阳能电池从 “光伏建筑一体化”正在向 “光伏环境一体化”发展。

四、世博台湾馆的神奇之处——调光薄膜

世博台湾馆外墙玻璃贴有电子调光薄膜，调光薄膜是一种智慧薄膜，直接将薄膜贴合在玻璃上，再经过电压使得调光薄膜呈现穿透及雾状，可使玻璃在透明与不透明之间转换，即使不透明时，采光仍很好，这是目前所有窗帘都无法实现的，并且对光的热能具有绝缘反射作用，使得室内冬暖夏凉，环保节能。调光薄膜利用液晶的光学特性，实现了薄膜的光电功能。

图13 世博台湾馆调光薄膜不透光遮蔽内景

图14 世博台湾馆调光薄膜透光显示内景

图15 世博台湾馆调光薄膜不透光外景

调光薄膜 (Smartfilm)之运用：

◎电子窗廉：可以自动地控制透光程度。当光线很强时，电子窗帘呈现不透明状态；随着光线的逐渐减弱，电子窗帘可呈现半透明状态；当光线很弱时，电子窗帘则可呈现透明状态。

◎红外线触控面板、与投影机结合.

◎结合全彩LED，可产生美丽的全彩玻璃。

◎结合雷射膜、各式半透明印刷膜，可依据客户需要显现任何图案。

◎结合投影机，可产生悬浮粒子的效果 (屏幕在透明状态)。

◎结合影片或任何的内容提供者及广告业者，可在任何有透明玻璃的场所使用，让薄光薄膜产品更具有特色。

◎结合控制系统，上述所有的运用可与调光薄膜完美的搭配。

调光薄膜原理：

图16 世博台湾馆调光薄膜原理图

图17 调光薄膜电源驱动方式

图18 调光薄膜施工步骤

1.当调光薄膜断电时，其间的高分子液晶材料无序排列，使光线无法穿透薄膜，这时看到的效果便是乳白的不透明状态。

2.当调光薄膜通电时，电场作用下薄膜中间的高分子液晶材料有序排列，可使光线能透过薄膜，这时看到的效果便是透明无色的薄膜状态。

五、日本馆柔性光电外墙

日本馆高约24米，占地面积约6000平方米。展馆外部呈半圆型的大穹顶，外层是带有太阳能发电装置的超轻 “膜结构”，独特新颖的钢网壳双层膜气枕结构形成的椭圆形外观，酷似一只等待破茧而出的紫蚕。日本馆的建筑外面铺设了一层透光的淡紫色ETFE薄膜，构成枕头状空间单位。有较好的透光性，膨胀后的枕头状内部有太阳能电池板，是一种建筑用的柔性光电薄膜，这层膜，白天能透过阳光，利用太阳能发电，夜晚让建筑物闪闪发光。在 “膜结构”的外表，还形成一层 “水膜”，可强化冷暖空气的流通，减少空调能耗，展馆外部透光性高的双层外膜配以内部的太阳电池，可以充分利用太阳能资源，实现高效导光、发电;展馆内将使用循环式呼吸孔道等最新技术。在结构方面，由于日本馆采用了屋顶、外墙等结成一体的半圆形的轻型结构，使得施工时对周边环境影响较小。日本馆外围护结构是柔性光电屋顶和柔性光电幕墙的光电建筑。

图19 日本馆柔性光电外墙全景

图20 日本馆柔性光电外墙俯瞰

图21 日本馆柔性光电外墙钢结构

图22 日本馆柔性光电外墙三个呼吸孔

图23 日本馆柔性光电外墙施工

日本馆弧形穹顶上的三个触角似的排热塔，当天气炎热时，馆内制造喷雾，使馆内热量排出， “就像人热时会出汗一样”来让环境变得清凉。日本馆外墙的光电膜结构，可以使建筑的重量减轻一半。日本馆外墙之所以通体透出紫色，这是因为内嵌在ETFE膜中的太阳能光电薄膜都是深紫色的。紫色无论在中国还是在日本，都是代表高贵的颜色，同时，淡淡的紫色极其接近日本馆建筑外观的色调；蚕在中国是长寿的象征，日本馆建筑外形成弧形穹顶，宛如一个巨大的蚕茧点缀着世博园。

六、瑞士馆智能光电幕墙

瑞士馆互动型智能光电幕墙是展馆的亮点之一，由半透明的铝网结构帷幕覆盖，安装11000块包含敏化太阳电池的的生物树脂的智能光电幕墙建筑，光电外墙的红色圆盘是太阳能光电板，可以利用展馆周围的能量光伏发电，比如太阳能或者照相机闪光灯产生的光能发生反应，从而发出闪光。同时，这些电池可以储存能量，互为光源，使得帷幕在夜间也能闪光。这种独特新颖的构思意在表现瑞士馆内外的“环境影响 “，以此展示我们周围还有许多未被利用的能源。

互动型智能幕墙上太阳能电池板由LED灯、能量源、存储装置和耗能装置组成。每块太阳能电池板都包含了一张瑞士地图，每块太阳能电池均互相独立，整个幕墙的闪光具有某种程度的不确定性，因而产生一种动态闪光的视觉效果。此外，由于这些电池可以储存能量，它们之间能互为光源，使得整个展馆幕墙在夜间也能闪闪发光。

红色圆形光电板包含了一块印制电路板，该电路板由太阳能电池、微处理器、3个双层电容器（高能率存储装置）、一个快速开关的LED和光感器组成。这些电子组件密封在一个红色透明的聚碳酸酯容器里，通过它们可与展馆幕墙进行互动。印制电路板上的电子线路按照瑞士地图的形状设计，一些关键的组件对应着主要的城市，如苏黎世、日内瓦、洛桑等。

图29

图24 瑞士馆互动智能光电幕墙

图25 瑞士馆互动智能光电幕墙

图26

图27

图28 红色圆形光电组件闪动与电压关系

幕墙上的红色圆形光电板件每个通过太阳能电池、光感器、LED等的相互配合工作，根据入射光的角度和强度，将光能吸收储存并转化为电能，可以独立发光。这些电池的设计模仿生物细胞，具有自成一体、自我维持的特性，仿佛每个个体都有自己的生命。同时，每个红色圆形光电板的外围有一圈天线，用来接收半径2米以内的信息，也就是说，其它 “小太阳”发光时，还可迅速互相传导发光。在随意编织的金属网构成的幕墙上，由于镶嵌的红色圆形光电板布局任意、间隔不规则，就出现了每次发光持续的时间不同、范围不均，闪闪烁烁的奇妙效果！

智能幕墙有7种发光模式：日出以后，每分钟闪1次，互相不传导；2小时后，每40秒闪1次，互相可传导；中午时分，进入活跃期，每5秒闪1次；之后光照最强时，大量发光；黄昏时分，其它光源，比如照相机的闪光等，也能激活其发光，但互相已不能传导；日落后1小时，靠原先储备的能量，慢慢地发光；日落后5小时，在集中发出一段时间的光之后，原先储备的能量全部耗尽

为了在世博会上达到良好效果，团队去年在瑞士做了好几个实验墙，分别以20个小单元和200个大单元测试红色圆形光电板的效果，还专程建气象站采集了上海的光照数据，进行编程。

瑞士馆科技的眼光加上美好的梦想——展馆极大地体现了现代瑞士的特质：追求卓越、不断创新和高品质的生活，同时也展示了瑞士面向未来、具前瞻性和可持续的发展理念。

七、法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙

本届世博会上，运用太阳能光伏技术的展馆不计其数，但在太阳能板下还有潺潺流水的，恐怕只有法国阿尔萨斯案例馆 “独此一家”了。通过巧妙运用太阳能发电、水源降温等技术，这幢金属钢架结构的建筑有效实现了冬暖夏凉。从远处看，法国阿尔萨斯案例馆并不如传统建筑般四四方方，而是与地面呈微微倾斜的角度。从侧面看，它的纵剖面有点接近于平行四边形。其主要看点集中于南立面，斜斜的墙面分为两部分，一部分是被青枝绿叶覆盖的 “绿墙”，另一部分是一整片玻璃幕墙。

水幕馆”的原型，来自阿尔萨一所普通高中的太阳能发电墙，在这届世博会上，科学家进行了豪华升级：传统概念中，玻璃幕墙是造成现代建筑夏天 “温室效应”的罪魁祸首，但在这里，它却是使整幢建筑实现冬暖夏凉的关键所在。仔细看，玻璃幕墙从外到内包括三个层面，外层为夹层玻璃光伏组件，中间层是个可开可闭的空气层，最后一层还是玻璃，上面有水流过，构成水幕玻璃。玻璃幕墙上的太阳能光伏发电板面积约为72.2平方米，发电量6600瓦，虽然无法完全满足这幢3层高建筑的所有能量需求，世博开园的运行情况表明，在和水幕的联合作用下，室内的空调能耗已经比常规同类建筑少很多。

“冬天模式”：太阳能电池依旧运作，供给空调用电，水幕停止流动，所有的玻璃窗全部关闭，使得中间层成为一个密闭空气舱。经过阳光照射以及太阳光在光电板上转换成电并发热，密闭舱里的空气被迅速加热，并源源不断送往风机，就能持续地给室内各个楼面供暖。

图30 冬天模式示意图

夏天模式”：太阳能电池板产生的电能运行水泵，空气层玻璃向室外打开，让从上而下流动的水幕为房子带走热量；外层玻璃打开实现通风；同时经位于屋顶的水泵抽送，水幕以每小时48立方米的流速不断冲刷着内层玻璃，再加上太阳能板产生的阴影，三管齐下，使得中间空气层的温度有所降低，从而起到给建筑降温的作用。此时，太阳能光电板产生的能量将成为水泵的动力来源。

光电建筑在实际运行中，光伏电池的光电转换效率随着工作温度的上升而下降。如果直接将光伏电池铺设在建筑表面，将会使光伏电池在吸收太阳能的同时，工作温度迅速上升，导致发电效率明显下降。理论研究表明：标准条件下，单晶硅太阳电池在0度时的最大理论转换效率可到30%。在光强一定的条件下，硅电池自身温度升高时，硅电池转换效率约为12%一17%。照射到电池表面上的太阳能83%以上未能转换为有用能量，相当一部分能量转化为热能，从而使太阳能电池温度升高，若能将使电池温度升高的热量加以回收利用，使光电电池的温度维持在一个较低的水平，既不降低光电电池转换效率，又能得到额外的热收益，于是太阳能光伏光热一体化系统 (PVT系统)应运而生。在建筑的外维护结构外表面设置光伏光热PVT组件或以光伏光热PVT构件在提供电力的同时又能提供热水或实现室内采暖等功能，解决了光伏模块的冷却问题，改善了建筑外维护结构得热，甚至可以使建筑物的室内空调负荷的减少达到50%以上，增加了BIPV的多功能性。为建筑节能和推广BIPV系统提供了一种新的思路。法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙是一个较好的案例。

图31 夏天模式示意图

图32

法国设计方表示，按照原先设计，在夏季模式下，装有太阳能板的外层玻璃还能像 “向日葵”般跟着太阳改变开启角度，以求得到最大照射面积，获得最多的太阳能。由于时间、成本等因素，这项 “智能控制”方案最终并未实施。他们乐观表示，希望将来能在中国的大型公共建筑中看到实际应用。

我国太阳能产业究竟该如何发展？光电还是光热？一直是行业和学术界争论的课题，光电是从光能转电能的角度解决能源问题的，光热是从光能转热能的角度解决能源问题，两者目的是相同的，都是为了节约能源、保护环境。太阳能与建筑的结合，不仅需要光电，也需要光热。更需要光电光热有机结合。

结束语

太阳能建筑，是本次上海世博会的最大亮点，成了上海最为靓丽的城市新名片。综观世博场馆，摈弃既有建筑的耗能弊端，而缤纷异彩的光电建筑促使我们眼前一亮。上海世博会设计应用的太阳能发电项目规模之大、运用的新技术之多，在世博历史上是空前的。上海世博会对低碳与环保的实践，不仅令中国受惠，还将为全球带来新的启迪，其中光电建筑带来了新的尝试、新的看点。它不仅为世博会留下了经认证的绿色财富和低碳世博的理念，亦为未来城市的建筑发展起到了良好的示范作用。

全球没有人能够置身于气候变化的挑战之外，气候变化已经把人类首次凝聚起来应对共同的敌人。我国面临着快速城镇化进程中能源集约化使用的巨大压力，挑战和机遇是同在的。巨大的压力推动未来城市建筑思路的全面创新，以我为主，博采众长，融会贯通，上海世博会演译展示了中国的未来城市的低碳能源、低碳建筑、绿色建筑的核心技术----光电建筑，上海世博会站在高科技的肩上触摸 “未来城市让生活更美好”的建筑。