摘要：本文介紹了
太陽能光電幕墻的基本原理和應用類型，以及國內外開發與應用情況
關鍵詞：太陽能 幕墻 玻璃
1 前言
能源和環境是人類社會必須面對的兩大基本問題。據國際能源組織報告：2003年中國的石油消費日均549萬桶，超過日本的540萬桶，成為世界上僅次于美國的第二大石油消費國。能源供應成為中國能否持續穩定發展的關鍵因素。化石燃料消耗，對環境造成根本的影響和破壞。我國科學家根據不同氣候模式就能源消耗對氣候的影響作出預測：氣候變化將使中國未來農業面臨突出問題，估計到2030年，種植業產量因全球變暖會減少5％～10％左右。利用
太陽能電池是同時解決上述能源與環境兩個問題的最佳選擇[1]。
相對于地球本身的能源來說，太陽能是一種取之不盡，用之不竭又無污染的潔凈的
可再生能源。
太陽輻射到地球大氣高層的總能量雖只有其本身每年產生的能量(功率為3.8×1026瓦)的20億分之一，到達地球表面其功率約為8×106瓦，這大約相當于每秒鐘燃燒240萬噸優質煤所發出的能量。這一巨大的能量十分驚人。因此，大規模地開發和利用太陽能，以解決人類社會發展所需要的能源問題，是必然的趨勢，是新世紀能源科學技術發展的重點之一。
目前，已開發成功兩種類型的太陽能轉換技術裝置，并得到廣泛應用。一類是太陽能轉換為熱能，即利用一種裝置吸收或反射太陽
輻射能并將其轉換成可利用的熱能；另一類是太陽能轉換為電能，即利用特制材料(玻璃、硅電池)所產生的
光電效應，使太陽能直接轉換為電能，早在100多年前，人們就發明了光電模板，即利用光照使浸入
電解液的鋅電板產生電流。到了1954年，美國研究人員使用元素硅取得巨大成就，光電模板首先被用在宇宙航行上。
太陽能光伏發電系統在我國起步較晚，尤其是在太陽能電池的開發、生產上還落后于國際水平，整體上仍處于產量小、應用面窄、產品單一、技術落后的初級階段。
上述的太陽能利用裝置和材料無論是
透光材料、吸收涂層和各種反射
薄膜，以及當今最為走俏的太陽能電池等都離不開玻璃。透明的
平板玻璃，具有高
透過率、低反射、耐高溫、易加工等特點，無論用于太陽能的熱轉化裝置，還是電能的轉換裝置都是一種優異的基
板材料[2]。現在，人們越來越關注健康，綠色環境意識日益增強，科技發展進步已將光電模板裝入
建筑幕墻中變為可能，應用光電幕墻的時代已經到來。
2 光電幕墻技術
2.1 技術概念
太陽能光電
玻璃幕墻[3]是指將太陽能轉換模板
密封在雙層
鋼化玻璃中，安全地實現將太陽能轉換為電能的一種新型生態
建材，它集發電、
隔音、
隔熱、安全、裝飾功能于一身，充分體現了建筑的智能化與人性化特點。
設計光電幕墻需考慮電池、模板、導線和變壓器各個因素，各電池組成模板，各模板組成小分格，并通過導線連接，所有導線又組成一個變壓器。變壓器是一個封閉的幕墻部分，每套光電
設備可由一個或多個變壓器組成。每套光電設備都先產生直流電，再由直流電轉變成交流電，并由電壓網傳輸，逆整流器再將230/400伏的電壓轉變成頻率通常為50赫茲的電能。
晶體電池通過導線相互連通，并被接在大表面的模板上，這些電池被嵌入堅硬的
樹脂玻璃中，導線可接在模板背面或玻璃邊緣。作為模板一個組成部分的非晶體是一個完整的
平面，相互連通，被嵌入兩塊玻璃和
透明度高的樹脂中。所有模板都可作為幕墻的
建筑材料使用，這些模板極為堅固，電
絕緣性好。采取這些措施后，即使發生失誤，在可觸摸部位也不會出現危險的電壓。光電模板具備抵御外界環境侵擾的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50攝氏度至90攝氏度的環境中，光電模板仍可使用幾十年，而且是極為美觀的造
型材料。
2.2 技術優勢
光電幕墻首先是一種高科技的建筑外殼，可滿足抵御惡劣天氣的所有要求，當然也可滿足建筑物理上的要求，比如
阻燃、隔熱和消音等。光電幕墻還提供了一種與眾不同的造型，這是科技發展進步的標志。
光電幕墻加裝光電模板后，可節省傳統的建筑材料，比如光電模板可代替
拋光的自然建材。光電幕墻也大大減輕了環境的負擔，因為它保護自然資源免受損失。特別是太陽能電池發電不會排放二
氧化碳或產生對溫室效應有害的氣體，也無噪音，是一種凈能源，與環境有很好的
相容性。
光電幕墻的最大優點在于，它不需燃料，不產生廢氣，無余熱，無廢渣，無噪音污染，可用來發電。由于能發電，可少交電費，在國外還可將多余的電賣給電力局。由此可見，光電幕墻本身就是一種可以產生經濟效益和綠色環保效益的高科技新產品。
2.3 技術類型
太陽能模板可分為以下幾類[4]:
類型
單晶硅 多晶硅 聚光硅 多晶膜
非晶硅 GaAs CdTe CuInSe2 CdS/Cu2S 染料
敏化膜
效率 20.4 14.5 17 13.6 8.6 20.1 7 9 12 10
面積 4
cm2 4
cm2 4
cm2 1
cm2 100
cm2 1
cm2 3
cm2 1
cm2 4
cm2 1
cm2
光電轉換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量[5]。日本科學家采用的是第二種方案。這種新電池雖然在轉換直射陽光的效率上比不上硅，但它可吸收入射角度更小的光線，它甚至可以吸收漫反射光。因此，它能夠在早晚或則雨天、甚至在室內都可工作。它的實際工作效率等于甚至超過了普通電池。研究人員正在努力提高電池容量，將它制成可
彎曲的、輕便的
塑料電池。
據報導，日本產業化技術綜合研究所通過在
玻璃基板上形成氧化鋅半導體(n型)與銅
鋁氧化物半導體(p型)的半導體pn結，試制成功透明的太陽能電池[6]。這是一種可使
可見光透過，利用紫外光進行發電的新型太陽能電池。太陽光的幅射能量分布在廣泛的波長領域，其中紫外光占6%，可見光5O%，紅外光占44%，以前太陽能電池都是以可見光的利用為中心開發的，利用禁帶寬度大的半導體通過對人體有害的紫外光發電，可以使可見光照樣透過。因此人們有可能制造出能對紫外光、可見光、紅外光的應答上進行控制的半導體裝置。
3光電幕墻應用
3.1 國外應用進展
進入90年代后，隨著常規發電成本的上升和人們對環境保護的日益重視，一些國家紛紛實施、推廣太陽能屋頂計劃，并提出了“建筑物產生能源”的新概念，由此推動了光電技術的大規模開發與應用。美國、日本、德國、
意大利、印度等許多國家都已建有太陽能屋頂或外墻的建筑。
1996年美國就開始實施了一項稱為“
光伏建筑物計劃”生產大量的透明光伏玻璃幕墻制品，用于建筑物的屋面、墻面及光伏
智能門窗。專家們預言，這種采用光-電建筑一體化組件的
光電玻璃幕墻將成為21世紀的并網
太陽能發電系統最為走俏的工程。在國際上，太陽能電池在建筑物上使用與制造光電玻璃幕墻相結合的發展尤為迅速，其市場發展前景十分看好。
在1991年
慕尼黑最大的建筑行業
展覽會上，旭格公司首先展出了光電幕墻，這是一個發展項目，也是將光能應用于
建筑裝飾業的開始，自此，光電幕墻這一產品的應用引起了專業人士的關注。目前，世界上最大的太陽能屋頂光電系統安裝在新慕尼黑貿易展覽中心。該系統由7812塊西
門子單晶硅組件組成方陣，每塊功率130W，總容量超過1MW，所發電力與20KV電網相聯，每年能發電100萬KWH，足夠340戶德國家庭使用。
2000年的悉尼奧運會太陽能光電幕墻、光電屋頂、太陽能路燈已隨處可見。
太陽能電池產量位居第一的夏普從2005年4月開始正式受理太陽能
薄膜電池定單，對于目前的太陽能電池產業來說，作為原材料的硅，在供應上越來越緊張，因此，需要開發出硅材料使用量不到原來1/10的薄膜型太陽能電池。這種技術是采用層積非晶硅單元和結晶硅薄膜單元的獨有構造“結晶薄膜串疊型單元”通過采用這一構造，轉換效率從原來非
晶體硅型太陽能電池的7%提高到了11%，另外，還投產了可以透過光線的透光型太陽能電池模塊。
3.2 國內應用進展
我國
太陽能集熱器是太陽能應用最為廣泛、產業化最迅速的產業之一。1998年的產量居世界榜首，年銷售總額達到35億元。但
太陽能光伏發電系統在我國起步較晚，尤其是在太陽能電池的開發、生產上還落后于國際水平，整體上仍處于產量小、應用面窄、產品單一、技術落后的初級階段。
目前，我國國內經粗略統計表明，約僅建有5個（單晶硅）太陽能電池生產廠，年產量約有4.5兆瓦，工廠設施仍停留在已有引進的
生產線上。而國外不少企業已把眼光瞄準更為先進的薄膜晶體太陽能電池的開發與生產上。這種新一代的先進的薄膜晶體太陽能電池其轉換效率可高達18.3％，比目前平均轉換效率提高了3個百分點。據業內人士介紹，我國太陽能電池平均轉換效率不高，其主要原因是專用材料國產化程度低，如封裝玻璃就完全依賴進口，低鐵含量的高透過率基板玻璃市場仍不能滿足需求，科研成果還沒有迅速及完全轉化為產業優勢。
令人欣慰的是，我國的太陽能產業已開始運作。中國科學院宣布啟動西部行動計劃，將在兩年內投入2.5億元人民幣開展研究，建立若干個太陽能發電、太陽能供熱、太陽能空調等示范工程。目前河北保定國家高新技術開發區正加快建設我國規模最大的
多晶硅太陽能電池生產基地，該項目集太陽能電池、組件及應用系統等為一體，一期工程完成后可達到年產3兆瓦多晶
硅太陽能電池的能力，填補了我國在太陽能開發應用方面多項空白，并將大大推動太陽能電池用低鐵玻璃的生產、銷售市場。
另據報道，北新集團是最早率先組織專家對國內、國際
太陽能光伏發電產業進行調查的單位之一。最后該集團決定與瑞士的ATLANTIS公司合資組建了北京-阿脫蘭太陽能科技有限公司，合資生產太陽能
光伏發電組件和屋面發電組件兩大系列、多個品種的光伏發電產品，并將這一世界領先的太陽能利用新技術引入中國。北新集團于1998年在國內首家引進了76千瓦國際上先進的屋面太陽能發電系統，至今一直運行穩定、效果良好。這套系統日均發電量為12千瓦時以上，可滿足1個小康之家用電要求。
目前，國家計委和國家科委對發展太陽能技術及其應用給予了大力的支持。隨著節能和環保的需要，我國正在逐漸接受這種光電幕墻。目前光電幕墻現多用于
標志性建筑的屋頂和外墻。為了滿足國內市場需求，已經有多家企業通過與海外企業合資、合作，引進、生產這種光電幕墻產品。在研發具有自主知識產權的光電幕墻產品方面，國內業界緊緊追蹤國際先進技術，于2002年開發出具有自主知識產權的光電幕墻產品，并成功首次應用在位于深圳高新技術產業園區的方大集團科技中心大廈工程中，其采用的光電幕墻有效面積為93.8平方米，設計峰值發電功率10.3千瓦，
建筑標高97米，是我國第一幢光電幕墻建筑。
此外，值得一提的是我國河北振海鋁業集團有限公司已將從事多年的
建筑玻璃幕墻業務向太陽能光電玻璃幕墻領域奮力開拓發展，迄今已邁出了可喜的一步。該集團在國家大力支持下，率先在公司總部基地投資1.6億多元，建設一條年生產能力為6萬平方米的多晶硅光電幕墻生產線。該項目引進國外20世紀90年代末國際先進的6萬平方米光電玻璃幕墻生產裝備線。共主要指標大致為：多晶
硅片生產量240千克，多晶硅太陽能電池平均效率≥13％，生產能力為6萬平方米/年。
據業內人士介紹，該光電玻璃幕墻封裝線采用引進德國凱特米化學制品有限公司的最新隔音、
安全玻璃濕法夾膠設備和濕法
夾膠玻璃漿液進行玻璃封裝，以確保其光電轉換效率及玻璃幕墻的使用壽命。據介紹，該引進的光電玻璃幕墻封裝生產線產量大、效率高、產品質量好；其玻璃封裝流程大致如下：玻璃上片→濕法灌漿→靜置→紫外線
固化→下片→檢驗→包裝→出廠，并能夠生產封裝4.2米×2.0米的大型尺寸的光電玻璃幕墻制品。與此同時，還可生產用戶型常規尺寸的光電幕墻，其產品品種規格大致如下：
1400×620×38(mm),功率97瓦；1220×510×38(mm),功率70瓦；980×435×38(mm),功率43瓦；504×220×25(mm),功率11瓦。河北振海鋁業集團公司除了生產上述光電玻璃幕墻制品外，同時也可將基本光電幕墻單元與各種玻璃組合制造成各種多功能幕墻結構如普通
中空玻璃光電幕墻、LOW-E（低輻射）
中空玻璃幕墻形式等。
河北振海鋁業集團公司是德國皮爾金頓太陽能國際有限公司在中國獨家總代理，現已投入生產世界先進的太陽能電池玻璃封裝設備和
配套材料，如德國凱米特化學制品有限公司的優質濕法玻璃層壓設備、濕法灌漿液（封裝介質）等。振海集團的基地于1999年11月已在我國率先安裝了100多平方米的光電玻璃幕墻示范建筑物，現已竣工投入應用，其運行使用效果良好，已成國內一大景觀及太陽能光伏發電工程的典范，在建造及安裝100多平方米光電幕墻實施期間，德國皮爾金頓太陽能公司在中國現場與振海集團公司人員共同進行光電幕墻的規模化生產、光電轉化多晶硅片在雙層玻璃中的布控、接線、光電幕墻制品件的邊框封裝直至建筑物上的安裝調試、試用、檢測，使振海集團在生產、安裝、調試、檢測、使用等和對光電玻璃幕墻的維護等方面積累了寶貴經驗。為該集團公司今后將該項工程及其光伏發電產品的生產、應用、銷售等推向國內外市場打下了堅實的基礎。
據悉，我國
光伏產品在過去幾年增長率已達30％左右。專業人士預測，在今后的10年里，我國光伏產品年增長率將高達20％～30％，同時由邊遠農村和特殊應用向并網發電與
建筑構件相結合供電的方向發展，光伏發電補充能源向替代能源過渡已是不爭的事實。光伏發電工程中的光電玻璃幕墻組件如得到廣泛應用于我國今后的新建筑物上，它能夠使玻璃和建筑結構完善和諧結合，智能化并產生能量，將表現出具有高效率的應用價值。同時會進一步使國人認識到大力推廣、發展生產、使用光電玻璃幕墻，除了發電供能的功能之外，光電幕墻還同樣具有隔音、隔熱功能、安全功能（雙層鋼化、
夾層工藝）、裝飾功能（彩色硅片）、和諧環境功能等特有的功效。
4 展望
光電玻璃幕墻制品可廣泛用于建筑物的
遮陽系統、建筑物幕墻、光伏屋頂、光伏
門窗等光伏發電。也可用于邊遠山區居民、交通、通信、氣象、軍事等部門，如電視轉播站、衛星地面站、微波中繼站、公路及鐵路信號燈、農用
光伏系統、航標燈、燈塔等。
雖然光電玻璃幕墻在我國的研制、生產及應用起步較晚，但美國的“光伏建筑計劃”、歐洲的“百萬屋頂光伏計劃”、日本的“朝日計劃”以及我國開展的“光明工程”將掀起中國的
節能環保生態建材的開發應用熱潮，大大促進了光伏建材產品的發展及推廣應用。
光電玻璃幕墻是當今太陽能利用的光伏發電工程中重要產品之一，現已成世界能源產業中走俏的“朝陽工業產品”。據介紹，1997年世界光電玻璃幕墻組件（產品）為122萬平方米，年增長率為38.5%，1998年的年增長率為29%，1999年的年增長率為22%；權威人士估計，進入21世紀的今后幾年里，世界對光電玻璃幕墻的需求年增長率將會穩定保持在20%左右的良好勢頭里。
到2010年，世界
光伏工程中的光電玻璃幕墻組件需求將會上升到1600萬平方米，如果以僅僅2000元/平方米市場價格來計算，可達30億美元的產值，這一偌大的市場，將大大拉動作為太陽能利用光伏工程用低鐵
浮法玻璃、LOW-E（低輻射）玻璃、普通
浮法平板玻璃的市場需求，前景十分誘人。
參考文獻
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[6] T.Takagi, Proc.5th International Conf. on Coatings on Glass, Saarbrucken, Germany, 2004,P.143.
作者介紹：
王爍 wangshuo
1978年8月16日、男、河北、工程師、碩士、天津南玻工程玻璃有限公司（TIANJIN CSG ARCHITECTURAL GLASS CO., LTD.）
