光电幕墙技术及应用

刘升华

（方大集团股份有限公司，广东 深圳 518049）

1 光电幕墙发展及技术概况

在1991年慕尼黑最大的建筑行业展览会上，德国的旭格公司首先展出了光电幕墙，这是将光能应用于建筑装饰业的开始，引起了专业人士的关注。

随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视，一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划，并提出了“建筑物产生能源”的新概念，由此推动了光电技术的大规模开发与应用。光电玻璃幕墙技术可广泛用于建筑物的遮阳系统、建筑物幕墙、光伏屋顶、光伏门窗等光伏发电。也可用于边远山区居民、交通、通信、气象、军事等部门，如电视转播站、卫星地面站、微波中继站、公路及铁路信号灯、农用光伏系统、航标灯、灯塔等。专家们预言，这种采用光—电建筑一体化组件的光电玻璃幕墙将成为21世纪的并网太阳能发电系统最为走俏的工程。在国际上，太阳能电池在建筑物上使用与制造光电玻璃幕墙相结合的发展尤为迅速，其市场发展前景十分看好。

2 光电幕墙的概念

光电幕墙是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一体的新型建筑幕墙，它集合了太阳能光电技术与幕墙技术，是一种新型的功能性建筑幕墙。这种新型的功能性建筑幕墙，集合了太阳能光电技术与幕墙技术，可以充分发挥环保节能的巨大功效。光电幕墙采用光电池技术，把以前被当作有害的因素而屏蔽掉的太阳光，转化为能被人们利用的电能，它的核心技术是太阳能光电池技术。这种电能还是一种净能源，发电过程不消耗燃料，无噪声污染，在最大程度上体现了目前工业产品环保、节能的发展趋势，充分体现了建筑智能化的特点。

光电幕墙光伏系统包括作为光电幕墙面板的光电板（即太阳能光伏电池）、太阳能控制器、蓄电池组、逆变器、负载等。其工作过程是：光电幕墙在太阳照射下，由光电板产生直流电，通过多极集电，即在太阳能控制器的控制下将光电幕墙产生的直流电通过蓄电池组储存起来，使用时，蓄电池组输出的直流经过逆变、变压等过程，转化成可供使用的交流电，送入供电网络或直接驱动负载。

3 光电幕墙工作原理

光电幕墙在太阳照射下，由光电板产生直流电，通过多极集电，即在太阳能控制器的控制下将光电幕墙产生的直流电通过蓄电池组储存起来，使用时蓄电池组输出的直流经过逆变、变压等过程，转化成可供使用的交流电，送入供电网络或直接驱动负载。

光电幕墙的关键是光电池技术，现在工业化生产的太阳能电池主要是硅系列，一般选择单晶硅，多晶硅以及非晶硅这几种材料来复合加工。在这三种材料当中，单晶硅在光电转换方面的功能最为强大，多晶硅第二，而非晶硅则是三者中相对最弱的。

单晶硅太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求高（99.999%），成本高，光电转换效率最高，可达15%～20%；多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，其光电转换效率约12%，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。随着技术的提高，目前多晶硅的转换效率也可以达到14%左右；非晶硅太阳能电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人，目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。

4 光电幕墙系统设计

光电幕墙是能够利用光伏效应把太阳能转化成电能的新型建筑幕墙，它主要由幕墙支承结构、含有光伏电池组的光电板、连接电路、控制系统、逆变器以及蓄电池组等部分组成，它的关键技术是光伏电池技术，而光伏电池的工作原理是光伏效应。如何有效的发挥光伏效应的效率，为人们提供最多的电能，同时保证系统的运行稳定与安全，是光电幕墙系统设计的重点。

4.1 总体设置原则

（1）根据建筑物所处的气候条件、周边环境、使用功能、建筑外形、财务投资状况等因素，进行综合技术经济分析，确定光电幕墙的使用面积、基本形式和安装方位，并根据建筑物的电气设计方案，确定光电幕墙系统的供电负载以及物理和电工性能要求。

（2）光电幕墙的结构设计要满足有关建筑幕墙的国家、行业标准和技术规范，满足建筑装饰性和抗风、抗震、平面内变形等建筑安全要求，符合建筑设计的气密性、水密性、耐撞击、隔声、保温等技术标准，并且要确保用电过程中的安全，避免安全事故的发生。

（3）电气系统的设计要遵循《民用建筑电气设计规范》的标准。电缆线的规划分布要科学规范，并方便检修工作的开展，而且外部形态的美观也是应该遵循的设置原则。

（4）光电幕墙的建筑设计阶段还要考虑光伏列阵对建筑物本身物理性能的影响，特别是建筑物的热环境。

（5）应该综合建筑功能以及立面效果的角度来进行综合考量。

（6）因为要实现太阳能的最高效利用，所以在产品的安装设置中要遵循朝阳的原则。一般来说，光电幕墙要安装在楼房中受阳光照射时间长的那些部位，如女儿墙、墙楣部分或屋顶等；通常光电幕墙应面南，或在东南和西南之间，在一定条件下也可面东和面西。

4.2 幕墙支承结构

光电幕墙的结构设计内容主要包括幕墙结构类型的选取、幕墙节点设计、系统连线方式等。光电幕墙可以采用构件式、单元式等结构形式，可以是隐框幕墙、明框幕墙、点式幕墙等。但光电幕墙的结构设计要满足有关建筑幕墙的国家、行业标准和技术规范，满足建筑装饰性和抗风、抗震、平面内变形等建筑安全要求，符合建筑设计的气密性、水密性、耐撞击、隔声、保温等技术要求，同时要保证用电安全，具有可靠的电绝缘性，能有效保护所集成的电池及导线等元器件，即使在雨雪等恶劣天气情况下，都不能出现漏电、短路等问题，更不能在可触摸部位出现危险的高电压。在设计时应充分利用幕墙骨料内部的空腔，把电线隐藏起来，实现简洁的墙面效果。光电幕墙的结构设计还要考虑到便于使用过程中的维护和维修需要，设置必要的清洗和维护设施。

4.3 光电板

多个太阳能电池之间由导线连接在一起，最终构建成一个完整的光电板。光电板的规格要结合实际施工中的规划方案来决定。光电模板作为幕墙的建筑材料使用，必须具备建材所要求的几项条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。若是用于窗户、天窗等，则必须满足透光要求，既可发电又可采光。除此之外，还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。

4.4 连接电路

电池之间的连线方式取决于系统设计对光电板输出电压的要求，采用串联或者并联连接。设计过程中尽量考虑将电缆线安装在幕墙横、竖料的不可见内腔，同时要考虑便于拆卸维修，电路布线稳固、快捷。雨雪等恶劣天气情况下，不会出现漏电、短路等问题。

4.5 控制系统

光电幕墙的控制系统主要包括蓄电池组的充放电控制器、发电系统的过载保护、供电配电系统等，对于带有蓄电池组的光电幕墙系统来说，由于受天气影响使得光电板输入能量很不稳定，必须采用可靠的充放电控制设备对它的充、放电条件加以规定和限制，有效地避免蓄电池组的过充电和深度放电，以最大限度的利用蓄电池组的性能和使用寿命。

4.6 逆变器

光电幕墙中所运用的光伏电池以及蓄电池所提供的是直流电，一般情况下除了那种专用的直流设备以外，都要将直流电转变为交流电才可以更多的投入使用，而逆变器的使用就是为了将直流电转变成交流电。逆变器包括单独运行以及并网运行这两种形式，单独运行一般应用于单独运行模式下的光电幕墙，而并网运行则一般应用于并网运行模式下的光电幕墙。在逆变器的选择上有一定的标准，尽可能选择电压稳定性能较高、波形失真度较小以及更易于维护工作的开展的逆变器应用在光电幕墙系统中 。

4.7 蓄电池组

在选择含有蓄电池的光伏发电系统时，要综合考量选取最为合适的电池类型及型号。对于蓄电池组的选择有一定的标准，要尽可能的选择自身消耗电能较低，使用期限长，以及放电能力较强、充电较快的蓄电池，这样一来能够达到降低维护次数，易于适应工作温度，以及降低成本的效果。现在较为合适的蓄电池种类一般包括铅酸蓄电池以及镉镍蓄电池。

5 光电幕墙工程实例

目前国内外光电幕墙主要应用在高科技大楼、展览中心等重要工程，向人们展示21世纪建筑节能、环保及高科技的理念。

5.1 新慕尼黑贸易展览中心

现在，在全球范围内来说，位于新慕尼黑贸易展览中心的太阳能屋顶光电系统是最大的，它包括7812块西门子单晶硅组件，其中每一块单晶硅组建的功率都高达130W，这一系统供给的电力能源和20kV电网连接，每年可以提供电力高达100万kWh，能够满足将近350户的家庭共同使用。

5.2 方大集团科技中心工程

在2002年落成的方大集团科技中心工程中，成功地采用了“方大牌”光电幕墙。该大楼位于深圳市南山区高新技术产业园内，建筑层数20层，建筑高度97m，总建筑面积约30500m2。电梯筒顶部采用光电幕墙，光伏电池的面积约93.8m2，设计峰值功率可达10.3kW，是我国第一幢光电幕墙大厦。方大集团科技中心的光电幕墙每年发电约14515kWh。在25年的设计寿命期间，共可发电约362880kWh，其节能效果十分明显。

5.3 已建成的其他实例工程

以下是目前已建成的其他部分实例工程：

（1）德国慕尼黑银行光电幕墙：面积350㎡，功率35kW。

（2）丹麦太阳公寓光电屋顶：面积970㎡，功率106kW。

（3）北京奥体中心体育场光电幕墙： 面积285㎡，功率30kw。

（4）青岛客运站光电幕墙面积950㎡，峰值功率103kW。

（5）威海市民文化中心光电幕墙面积7800㎡，峰值功率820kW。

（6）浙江义乌国际商贸城三期工程，平均每年的发电能力大约为152万kWh，是目前国内单一屋顶上最大的太阳能光伏发电电站。

6 总结

总的来说，太阳能对于我国而言是分布范围最广且能够再生的资源，在建筑工程中的广泛应用，能够提升能源的供应率，对可持续发展道路政策有着极为重要的现实意义，是未来经济可持续发展的必要前提。现如今，光电幕墙材料的进一步改革创新，生产技术的提升以及规模的扩大，都为光电幕墙产品带来了更多的发展机遇，将会被更多的应用在建筑工程中，而产品的价格也会慢慢调整到能够被接受的范围。光电幕墙未来的前景十分可观，它定会得到更为广泛的关注。

[1]邵长健.《光电幕墙系统设计及工程应用研究》.

[2]龙文志.《光电幕墙及光电屋顶》.

[3]龙文志.《太阳能光伏建筑一体化》.

[4]张或，李小燕，杨磊.《光伏建筑一体化的形式及应用》.

[5]崔俊，奎赵军.《光电幕墙技术在太阳能建筑一体化中的应用研究》。