摘要：隨著“雙碳”政策以及“十四五”計(jì)劃的落地推進(jìn)，光伏建筑一體化(BIPV)成為現(xiàn)代節(jié)能建筑的新寵。目前常見的BIPV組件結(jié)構(gòu)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程中存在蓄熱大、保溫隔熱性差等問題；本文把真空玻璃引入BIPV組件進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)其熱工性能、電學(xué)性能及安全性能進(jìn)行系統(tǒng)的測量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相較與傳統(tǒng)BIPV組件，真空光伏玻璃組件能夠有效阻隔碲化鎘太陽能電池蓄熱對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，電學(xué)性能基本不變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了真空玻璃與光伏結(jié)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(jié)構(gòu)，立面宜采用5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T結(jié)構(gòu)。

一、研究背景

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),當(dāng)前國內(nèi)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(yùn)行階段碳排占比就達(dá)到了22%。顯然,建筑行業(yè)成為了我國零碳發(fā)展的“主戰(zhàn)場”。當(dāng)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)和市場需求持續(xù)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(jié)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(xì)小支撐物，上下片玻璃為鍍膜玻璃或透明浮法玻璃，內(nèi)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(jié)能玻璃產(chǎn)品。真空玻璃應(yīng)用具有如下優(yōu)勢：

圖1 真空玻璃結(jié)構(gòu)圖

1）真空玻璃具有極低的傳熱系數(shù)

采用相同low-e膜層的真空玻璃，傳熱系數(shù)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(shù)對(duì)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(dāng)中空玻璃非垂直安裝時(shí)，中空玻璃表面和內(nèi)部空腔的對(duì)流環(huán)境發(fā)生了改變，其傳熱系數(shù)必將產(chǎn)生變化。從表2可以看出，由于真空玻璃中間無氣體層，不存在氣體熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，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(qū)應(yīng)用

真空玻璃內(nèi)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(xiàn)內(nèi)腔膨脹或收縮現(xiàn)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(dú)計(jì)權(quán)隔聲量39dB以上，形成BIPV光伏組件后隔聲量可達(dá)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夾膠或中空的方式相結(jié)合而形成的一個(gè)整體。如圖2是夾膠形式復(fù)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(tǒng)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(nèi)，冬季采暖熱量從建筑物內(nèi)向外部擴(kuò)散等問題。

圖2 光伏真空玻璃組件結(jié)構(gòu)圖

圖3 光伏中空玻璃組件結(jié)構(gòu)圖

三、光伏真空玻璃應(yīng)用性能研究

3.1試驗(yàn)方法及裝置

試驗(yàn)方法：選取河南洛陽蘭迪鈦金屬真空玻璃有限公司作為測試地點(diǎn)，將各類光伏玻璃組件（真空玻璃、中空玻璃與碲化鎘薄膜電池片結(jié)合形式不同）安裝在陽光測試房頂面、立面南向，監(jiān)測了光伏玻璃組件內(nèi)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(shù)據(jù)，對(duì)比分析中空光伏組件及真空光伏組件的應(yīng)用效果，確定BIPV立面及頂面適宜的結(jié)構(gòu)配置。

試驗(yàn)裝置：

1）測試陽光房：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。陽光房室內(nèi)安裝有空調(diào)。

2）觸摸屏PLC的溫度采集控制系統(tǒng)；

3）太陽能功率計(jì)；

4）直流電量測試儀：負(fù)載電阻為500Ω。

a）陽光房

b）太陽能功率計(jì)

c）觸摸屏PLC的溫度采集控制系統(tǒng)

d）直流電量測試儀

圖2 試驗(yàn)裝置圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)選取了太陽輻照度（1125W/m2）和溫度(28~37℃)較具代表性的2023年6月22日作為數(shù)據(jù)采集日，室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)定為25℃。對(duì)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(nèi)層玻璃破碎后墜落傷人。本試驗(yàn)中對(duì)頂部和立面安裝的光伏玻璃組件依據(jù)實(shí)際使用情況共設(shè)置了6種配置。測試結(jié)果如下表：

表3 不同光伏玻璃組件測試結(jié)果

3.3 不同結(jié)構(gòu)對(duì)光伏發(fā)電量及變形的影響

從表3中發(fā)電量數(shù)據(jù)來看，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。考慮到建筑采光，立面樣品4~6采用40%相同透過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(cè)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以內(nèi)，光伏組件抗變形能力強(qiáng)。由此可見，發(fā)電量由薄膜電池的特性決定，與玻璃結(jié)構(gòu)相關(guān)性不大。

3.4 不同結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)外溫差的影響

圖3 陽光房光伏組件室外表面中心點(diǎn)溫度

圖4 陽光房光伏組件室內(nèi)表面中心點(diǎn)溫度

從圖3中頂面安裝光伏組件數(shù)據(jù)可以看出，樣品T1~T3、S1~S3室外側(cè)溫度基本接近。這是由于室外側(cè)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，立面安裝太陽輻照總量遠(yuǎn)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(nèi)側(cè)表面溫度遠(yuǎn)低于樣品T1中空光伏組件內(nèi)側(cè)表面溫度，即使在室內(nèi)空調(diào)開啟狀態(tài)下中空光伏組件內(nèi)側(cè)表面溫度高達(dá)53.3℃，真空組件內(nèi)側(cè)溫度39.4℃。這說明對(duì)于中空玻璃光伏組件來說室外熱量及光伏組件蓄積熱量直接傳入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)側(cè)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(nèi)層玻璃差異，兩者室內(nèi)側(cè)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(nèi)層真空玻璃的存在，S1中空腔雖然也蓄積了熱量但對(duì)室內(nèi)側(cè)溫度影響不大。以上結(jié)果均說明了真空光伏作為光伏組件內(nèi)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能電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳入室內(nèi)，同時(shí)也可以阻隔室內(nèi)熱量傳到室外，提高了建筑物的隔熱保溫性能。

由此可見，光伏組件外表面的溫度主要由于電池片吸熱導(dǎo)致，在夏季可高達(dá)75℃，外表面溫度與玻璃結(jié)構(gòu)相關(guān)性不大；室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度與玻璃結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)內(nèi)側(cè)玻璃保溫性能越好，室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度越接近于室溫，舒適度越高。

四、結(jié)論

1）從本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)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程中存在的蓄熱大、保溫隔熱性差等問題。相對(duì)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)際使用過程中有效阻隔薄膜太陽能電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，大幅度減小熱量傳入室內(nèi)，同時(shí)也可以阻隔室內(nèi)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(xiàn)零碳的必要條件。

3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出真空玻璃與光伏結(jié)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(jié)構(gòu)，立面宜采用5T+1.52P+3.2碲化鎘+1.52P+5TL+0.3V+5T結(jié)構(gòu)。

參 考 文 獻(xiàn)

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