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提要：本文通過對光電幕墻（詞條“光電幕墻”由行業大百科提供）的發展、技術工作原理、光電幕墻形式在太陽能建筑一體化中的應用、光電幕墻光伏發電系統的構成及原理等方面介紹，光電幕墻充分利用太陽能這種取之不盡、用之不絕的清潔能源，光電幕墻產生的電能不僅能夠提供給建筑物本身使用，還可以在發電高峰時供外網并網使用。
關鍵詞：太陽能、光電幕墻，太陽能光伏建筑一體化（詞條“光伏建筑一體化”由行業大百科提供），碳達峰、碳中和。
1、引言
隨著我國經濟快速發展，環境污染問題日益凸顯，節能減排迫在眉睫。我國 “十四五”規劃中指出：貫徹新發展理念，推動高質量發展。2020年9月，我國承諾2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標。我們國家建筑95%以上屬于高能耗建筑，建筑能耗在總能耗占比將近3成。修建建筑物時就已經消耗了大量的能量，建筑物在使用過程中對空氣及溫度進行有效的調節時又消耗大量的能量，而對空氣及溫度調節時消耗的能量占到建筑物總能耗的近70%。 為了控制室溫，使用空調機或采用燃煤不僅消耗大量的能量，而且還給外界的環境帶來污染，所以建設環保節能型建筑意義重大。根據我國的可持續發展戰略以及保護環境的根本需要，在接下來的較長時間內，太陽能光伏發電一定部分要替代常規能源發電。太陽能光伏建筑一體化(簡稱BIPV)就是將太陽能光伏發電與建筑結合技術。光電幕墻既有普通幕墻外圍護結構功能(即裝飾美觀效果、安全性能、保溫（詞條“保溫”由行業大百科提供）隔熱性能、水密性能、氣密性能、隔聲性能等等)，又有產生電能供建筑自身使用的功能以及并網發電功能。隨著太陽能光伏建筑一體化進程不斷推進，光電幕墻技術得到廣泛應用。
2、光電幕墻技術
2.1光電幕墻技術原理
光電幕墻通過光伏電池把太陽能轉換成電能，通過蓄電池中存儲或提供負載工作。發電原理是利用半導體光生伏打效應(圖2.1)，也就是太陽光照射到光電電池上時，當光伏電池吸收光能后，形成光生電子-空穴對，在光伏電池內建電場的作用下，光生電子與空穴被分離形成電壓。
光伏電池主要種類有：晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。晶體硅太陽能電池包括多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池;薄膜太陽能電池包括銅銦硒太陽能電池、非晶硅太陽能電池和碲化鎘太陽能電池。單晶硅太陽能電池轉化效率較高，但是成本較高。多晶硅太陽能電池轉化率較單晶硅太陽能電池低一些，但是成本較單晶硅太陽能電池低。非晶硅太陽能電池是僅通過低溫工藝，即可將原材料與光電板制作成組件，耗材較少且不依賴溫度變化，價格較低。我國目前晶體硅太陽能電池在太陽能光伏發電系統應用較多，多晶硅太陽能電池應用比例最多，但是近年來薄膜太陽能電池應用比例明顯增加特別是銅銦硒太陽能電池，薄膜太陽能電池主要是跟適合與光電幕墻結合應用。
光伏電池轉換效率影響著太陽能光伏發電（詞條“光伏發電”由行業大百科提供）系統的發電效率，光伏電池自身的輸出功率（詞條“輸出功率”由行業大百科提供）與光伏陣列的光照功率情況影響著光伏電池轉換效率。光照輻射度越高光伏電池轉換效率越高，光伏電池外界溫度越高光伏電池轉換效率越低。因此為保持光伏電池轉換效率最高，應該在任意外界溫度以及光照輻射度的基礎上，采用最大功率跟蹤方法等對光伏陣列進行管理和控制，從而使光伏陣列能夠保持在最大功率點進行發電作業。
太陽能電池單體是光伏轉換的最小單元，工作電壓約為 0.45~0.5V，一般不能單獨作為電源使用。需通過太陽能電池單體串、并聯并且封裝后，形成可以單獨作為電源的光伏組件。
2.2國內外光電幕墻發展
2.2.1國外光電幕墻的發展
上個世紀70年代，由于世界各國大力發展經濟，全球性自然資源過度開發與消耗，環境污染嚴重，特別是受石油危機的影響。發展新能源和可再生能源，實現可持續發展道路成為世界各國共同長期發展戰略。光伏發電在發達國家受到高度重視，發展較快。光電幕墻的研究工作起源于上世紀 80 年代瑞典，一篇關于太陽能電池在建筑墻面應用的文章，發起了光電幕墻在全世界范圍內的研究。從此歐美發達國家的光伏產業迅猛發展。國外光電幕墻系統應用的案例較多，比較著名的有：德國寶馬世界中心、德國弗萊堡太陽能工廠、三洋太陽能電池科學館等等
2.2.2國內光電幕墻的發展
雖然我國光伏研究較早，但是發展比較緩慢。目前我國光電幕墻的發展總體處于示范起步階段，隨著國家政策的扶持和光電幕墻技術日漸成熟，光電幕墻在幕墻行業中開發研究也越來越廣泛。比如近年來的一些示范性案例：上海世博會中國館、上海世博會主題館、保定錦江國際酒店、武漢中心、泉州海峽體育中心、北京火車站南站、長沙中建大廈光伏幕墻（詞條“光伏幕墻”由行業大百科提供）、廣東省科學中心、廣州電視塔光伏幕墻、無錫尚德光伏研發中心、我國自主知識產權光電幕墻產品應用在方大集團科技中心大廈工程中等。
銅銦硒太陽電池中試線在南開大學建立，除了德、美、日之外，我國是第4個開展該電池中試的國家。中國科學院半導體研究所對非晶硅太陽電池轉換效率最低可限制在10%以內。中國科學院物理研究所研制的有機納米晶太陽電池，轉換效率達到5.48%，為以后廣泛使用提供了更大可能性。近年來，我國太陽電池不論在生產能力還是在研發上都達到國際先進水平，同時在有機納米晶太陽電池的研究中也取得國際領先的成果。
2.3太陽能光伏建筑一體化
2.3.1太陽能光伏建筑一體化的正確理解
太陽能光伏建筑一體化是把太陽能光伏發電與建筑結合的技術，將建筑建造成可以具有自我發電，自我循環的新型建筑。光電幕墻既有普通幕墻外圍護結構的功能， 又有產生電能供建筑使用的功能。不是簡單的太陽能與建筑的疊加，而是需要根據安全性、藝術性、節能、 環保以及實用經濟性的綜合考慮，把太陽能光伏發電作為建筑的一部分納入建筑行業，與建設工程同步設計、施工、驗收、管理，同時投入使用，使其成為建筑有機組成部分。太陽能光伏建筑一體化的核心是一體化，包括設計、制造、安裝等一體化，其主要是降低能耗、節約用電成本、是綠色環保的建筑技術。
2.3.2太陽能光伏建筑一體化應用的形式
太陽能光伏建筑一體化應用形式較為廣泛，通過是否有采光要求，采用不同形式的太陽能光伏電池。可以利用屋頂、墻面以及建筑物局部構件等部位設計光伏結構。屋面部位：可以采用光電屋頂。可以采用框架、鋼結構桁架、網架結構、拉桿拉索等結構形式;立面部位：采用光電幕墻(有消防救援要求的窗（詞條“窗”由行業大百科提供）慎用)。按傳統幕墻形式可以采用框架形式、單元形式、雙層幕墻、點式幕墻等形式;局部建筑物構件包括：光電雨篷、太陽能遮陽板、陽臺、天窗等部位;以及光電LED（詞條“LED”由行業大百科提供）多媒體動態幕墻、天幕等。[4]
2.3.3太陽能光伏建筑一體化應用的優勢
太陽能光伏建筑一體化建筑除了滿足建筑的美觀要求、采光要求、安全性要求、安裝方便要求、長使用壽命等要求外，還具有以下方面優勢：
2.3.3.1在綠色能源方面：太陽能光伏建筑一體化生產綠色能源。利用太陽能進行發電，太陽能不僅是可再生，取之不盡，用之不竭，而且太陽能即清潔又廉價，不會污染環境。
2.3.3.2在占地方面：太陽能光伏陣列設計在建筑物的屋面或外立面處，不需要再額外占用土地，不增加建設建筑物所需的額外的占地使用成本。
2.3.3.3在光伏并網方面：夏天日照量最大，太陽能光伏系統發電量相應也最多。如果太陽能光伏建筑一體技術采用并網光伏系統，那么對當地電網可以起到一定的調峰作用。在太陽能并網系統情況下，不用配備蓄電池，既可以節省蓄電池部分投資，又不被蓄電池荷電狀態所限制。那么太陽能光伏系統所發出的電力就可以得到充分利用。
2.3.3.4在節能減排方面：太陽能光伏陣列系統在把吸收來的太陽能轉化為電能的時候，可以降低建筑物室外的綜合溫度，減少了太陽能傳遞給建筑墻體的熱量，從而降低了室內空調制冷的負荷，對建筑節能起到積極的作用。所以太陽能光伏建筑一體化可以節能減排。
2.3.4太陽能光伏建筑一體化應用存在的問題
太陽能光伏建筑一體化盡管有諸多優點，并且也已經運用到上海世博會中國館、上海世博會主題館等許多示范性工程中，但太陽能光伏建筑還未得到廣泛應用，尤其是我國廣大普遍的民用住宅方面還未廣泛采用。影響太陽能光伏建筑一體化廣泛應用有以下幾個方面：
2.3.4.1在建筑設計美觀方面：太陽能光伏建筑一體化應用把建筑學、建筑師的設計概念理論指導為“實用、 經濟、美觀”中的“實用”，應用到的太陽能技術。這對傳統建筑美觀有很大的沖擊，需要建筑師重新塑造運用太陽能的建筑自然美的理論與觀點。
2.3.4.2在建筑物造價方面：太陽能光伏建筑一體化由于建筑物設計有太陽能光伏發電系統，使得比普通建筑物造價高。一是受科研技術方面限制，光伏發電系統價格偏高;其次還需大力發展太陽能光伏建筑一體化進程，加大推廣力度。以降低建筑物造價成本。
2.3.4.3在太陽能發電（詞條“太陽能發電”由行業大百科提供）成本方面：太陽能發電的成本較高。2018年太陽能光伏組件成本下降至5000元/千瓦，從而使光伏系統的成本下降至0.9萬/千瓦，光伏發電成本下降到0.7元/度，太陽能光伏發電也具有了一定的競爭優勢。但是太陽能光伏發電成本仍是燃煤發電的3倍多。所以太陽能光伏發電成本偏高限制著太陽能光伏建筑一體化的發展。
2.3.4.4在太陽能光伏發電不穩定方面：太陽能光伏發電受天氣影響較大，太陽日照時長、日照強度等的影響，導致太陽能光伏發電不穩定、有波動性。因此亟待解決太陽能光伏發電的波動性，使太陽能光伏發電更加穩定，使建筑物或外電網能更好、更方便的應用太陽能光伏系統所發的電能。
3、光電幕墻光伏發電系統的構成及原理
光電幕墻發電系統主要結合了建筑物的負載，在本建筑物實際負載的基礎上進行系統建設，通過就近發電方式保障本建筑的電能供給。光電幕墻光伏發電系統具有更好的靈活性，結合建筑實際的需要和系統建設要求進行設計和安裝。
光電幕墻光伏發電系統有兩種利用形式。一種是太陽能光伏獨立系統，主要的硬件裝置包含配電箱、逆變器、匯流箱、蓄電池等。一種是太陽能光伏并網系統，主要的硬件裝置包含配電箱、并網逆變器、匯流箱、雙向電表等。太陽能光伏獨立系統與太陽能光伏并網系統相比較，需要設置蓄電池。二者都是由光電幕墻光伏電池組件通過串聯方式或并聯方式構成光伏陣列，最大效率收集太陽輻射能量，并將太陽輻射能量轉化為直流電，太陽能光伏獨立系統是通過蓄電池直接輸送給直流荷載或者在通過逆變器輸送給交流荷載;太陽能光伏并網系統通過并網逆變器進行輸送給交流負載或是主電網。并網逆變器主要的功能就是把直流電轉化為交流電，太陽能光伏電池方陣產生的是低壓的直流電，要使之與外電網連接，就要轉換為220 伏、380 伏甚至更高電壓的交流電，并且對于電壓波動、頻率、諧波和功率因素等電能質量參數都有一定的要求。為確保電網、設備和人身安全，還應設有并網檢測保護裝置，必須明確規定處理過/欠電壓、過/欠頻率、防孤島效應、恢復并網、直流隔離、防雷和接地、短路保護、斷路開關、功率方向保護等。逆變器和控制器是太陽能光伏并網系統的關鍵設備。完成轉化交流電之后，在發電高峰時，可以實現向主電網當中輸送電力，實現并網發電，節約能源及成本。通過雙向電表對光電幕墻光伏發電系統的實際發電和用電情況進行記錄、存儲和顯示，從而實現對電力用量及發電量的計算統計。
光電幕墻光伏發電并網系統的主要原理結構圖如下：(圖3-1)
光電幕墻光伏發電獨立系統的主要原理結構圖如下：(圖3-2)
4、 光電幕墻光伏發電的性能指標與經濟效率分析
光電幕墻的光電轉換率一般可以設計為10%-15%,設計峰值發電功率為0.1kw/m2-0.15kw/m2。輸出頻率為50Hz。
從成本方面分析：首先是初始一次性投資費用，其次是運營過程中維護保養費用，第三為廢棄后電池處理費用。隨著國家扶持光伏產業政策出臺，建設光伏發電系統成本降低。也就是初始一次性投資費用呈下降趨勢。廢棄后出售使用過設備，還可以回收一部分資金流。可以獲得利益最大化，提高市場競爭力。
從收益方面分析：節省外網用電量及并網發電的電價收益是整個收益的來源。當前電價收益主要還是靠政策補貼，以便更好發展太陽能光伏發電。盡管初始一次性投資費用較大，但是從長遠角度考慮，可以產生較長遠的成本投資回收期，可獲得比較可觀的投資回報收益。
以安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓為例，分析光電幕墻帶來的經濟效益。該工程建筑面積約 5600m2，全年實際用電量約12 萬k Wh，其中光電幕墻面積約1200 m2，裝機容量約160 k W，2020 年全年發電量為6.37萬k Wh，占總用電的 53%。該工程選用銅銦鎵硒薄膜發電玻璃，既有普通鋼化玻璃功能，還有利用太陽能發電功能，此發電玻璃有弱光發電、溫度系數低等特點。其弱光發電特性優于普通光伏組件，不僅在高溫天氣發電效率維持較高水平，還對室內溫度維持穩定有很大的益處。綜上數據可知：用電費用節省一半有余，帶來了極大的經濟效益。
所以應該大力發展光電幕墻光伏發電項目，不僅具有維護環境污染的社會效益，還可以實現長遠的可觀的經濟效益。
5、 結束語
光電幕墻在發電過程中不會消耗自然資源，不會產生各種污染。如余熱、廢氣、廢渣、噪音等。GB/T51350-2019《近零能耗建筑技術標（詞條“技術標”由行業大百科提供）準》的發布與實施，標志著我國超低近零和零能耗建筑節能時代到來了，實現建筑零能耗還需要利用建筑本身創能技術-太陽能光伏建筑一體化(BIPV)。隨著儲能技術、光伏發電電流并網控制技術、綜合能源管理技術的不斷提高，新能源發電相對不均衡不充足與建筑實際能耗的匹配問題得以解決;隨著建筑師認為把利用太陽能到建筑，使“建筑自然美”的成為主流;隨著發電型建材和光電建筑一體化技術應用的相關規范的完善;在碳達峰與碳中和的國家戰略背景下，各級政府相關部門及行業都在出臺支持光電建筑一體化推廣應用的相關措施。一次性投入成本不斷降低，隨著并網發電的電價不斷提高，獲得電價的收益也日益增加。所以光電幕墻的應用前景會非常廣闊。
參考文獻
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[2] 周慧春，論光電幕墻在建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供）設計中的發展及應用,.蘇州大學，2011年
[3] 黃志勇，分布式光伏發電并網設計及運行分析研究.南昌大學，2021年5月
[4]龍文志，光電建筑一體化應用方式.建筑科技,2009，(20)
[5]李 虎，劉 祥，殷建家，“碳中和”背景下零能耗建筑BIPV技術研究與案例分析-以安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓為例.安徽電子信息職業技術學院學報,2022年，第2期，第21卷(總119期)
作者單位：北京佑榮索福恩建筑咨詢有限公司
