太陽能光伏技術(shù) 在上海世博會(huì)園區(qū) 建筑中的應(yīng)用

    2010年上海世博會(huì)在綠色技術(shù)上是一次巨大的突破，尤其是諸多太陽能技術(shù)科技創(chuàng)新的最新產(chǎn)品和技術(shù)成果的應(yīng)用，為建筑利用太陽能技術(shù)的推廣起到了很好的示范作用。光伏建筑一體化（BIPV）是將太陽能光電技術(shù)與建筑系統(tǒng)整合的技術(shù)，在建筑功能和形態(tài)設(shè)計(jì)中，追求將太陽能光電技術(shù)融入建筑設(shè)計(jì)，并替代部分建筑構(gòu)件，以完善建筑功能、美化整體外觀，使建筑從只能消耗能源到可以產(chǎn)生能源，從而實(shí)現(xiàn)建筑自給自足的零碳排放的目標(biāo)。

    太陽光發(fā)電是指將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。建筑上主要使用的是光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池（又稱光伏電池）將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，其工作原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，太陽能光電板捕獲太陽能并生成直流電（DC），逆變器（電力調(diào)節(jié)器）將直流電( DC) 轉(zhuǎn)換成交流電(AC)，可直接和城市電網(wǎng)相連接，用以運(yùn)行許多常用電器和設(shè)備。在太陽能電力充足的情況下向城市電網(wǎng)送電，否則由城市電網(wǎng)補(bǔ)充電力的不足。如果不能直接和城市電網(wǎng)相連接的時(shí)候，則需要蓄電池儲(chǔ)存電力。太陽能光伏系統(tǒng)有著自身應(yīng)用的條件，如光電板設(shè)置的角度、朝向以及選擇材料都對(duì)太陽能光伏板光電的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生直接的影響，太陽能光電板安置在建筑表面可以最大接收太陽能，這對(duì)建筑設(shè)計(jì)提出了一定技術(shù)要求。

    1.1光電池

    光電池是由可直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的晶片制成，有時(shí)也稱光電元件或太陽能電池。單晶元件的效率最高，但是價(jià)格也最貴。為了降低造價(jià)，多晶硅元件和薄膜光電元件被研制出來。薄膜光電元件是由非晶硅、二硒化銅銦或碲化鈣制成。雖然這些元件的光電轉(zhuǎn)化效率（約8% ) 只是單晶硅元件的一半。更多的研究致力于提高它們的光電轉(zhuǎn)化率。在實(shí)驗(yàn)室中， 目前轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)33%。因?yàn)楣怆娫�件很小很易碎，而且只產(chǎn)生少量的電能，人們把它們組合成組件。這些組件有很多規(guī)格，組件可以被組裝成排板，也可以更進(jìn)一步被組裝成陣板（圖1）。

    1.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

    根據(jù)以下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將獲得光電系統(tǒng)的最大效益：

    （1）使用光電建筑一體化節(jié)約資金并增加美感。

    （2）根據(jù)季節(jié)不同，結(jié)合建筑坡度選用適當(dāng)坡度使效率最大。不同氣候地區(qū)，不同的朝向和坡度，光電轉(zhuǎn)換的效率不同（圖2），在上海地區(qū)傾角在22°~23°效率最高，南向?yàn)樽罴�，水平面與南立面的發(fā)電效率大約為91%。

    （3）確認(rèn)對(duì)光電板的遮擋在最低范圍。

    （4）低溫元件比高溫元件效率更高，光電板背后通風(fēng)為光電組件降溫，可以減少效率損失。而在冬季則可以利用這些熱量來轉(zhuǎn)換成其它能源。

    （5）因?yàn)闀?huì)積灰、積雪，避免使用沒有傾角額光電陣板。

    2 屋頂上的太陽能利用

    2.1世博主題館太陽能屋頂

    上海世博會(huì)主題館安裝太陽能電池板26000m2（圖3），共敷設(shè)多晶硅光伏組件16250塊，其中3 728塊為異型光伏組件，采用并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行方式，將太陽能發(fā)電傳回城市電網(wǎng)�？傃b機(jī)容量2825kWh，年平均發(fā)電量250萬kWh，可減少二氧化碳排放量約2500t。主題館太陽能電站已成為我國(guó)乃至亞洲單體建筑最大的太陽能光伏建筑一體化發(fā)電站。主題館采用與建筑肌理相吻合的菱形設(shè)計(jì)方案（圖4），鋪設(shè)多晶光伏組件，多晶硅呈深藍(lán)色，與主題館顏色相符。另外，為了節(jié)能，主題館中庭屋頂采用了透光型的雙玻組件，在日照充分的白天，將無需打開館內(nèi)的照明設(shè)施。

    2.2世博中國(guó)館太陽能屋頂

    中國(guó)館屋頂采用單晶硅太陽能組件，鋪設(shè)在68m 高平臺(tái)和60m觀景平臺(tái)（圖5）。在60m平臺(tái)上，四周安裝著一排排黑色的太陽能組件，并用玻璃護(hù)欄圍護(hù)（圖6 、7），采用了與建筑幕墻安裝節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的安全、便捷、高效和易維護(hù)的光伏組件安裝工藝。屋頂總共安裝太陽能電池板2800m2，單晶硅光伏組件1616 塊，裝機(jī)容量302kW，年平均發(fā)電量30萬kWh，約相當(dāng)于少用107t標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少二氧化碳排放量約285t，實(shí)現(xiàn)中國(guó)館照明全部自給。

    3 立面上的太陽能一體化

    3 . 1 阿爾薩斯館的“水幕太陽能墻”位于浦西世博園“城市最佳實(shí)踐區(qū)”一角的阿爾薩斯案例館，被青枝綠葉覆蓋著，但這棟建筑最新奇的不是綠墻，而是“水幕太陽能墻”（圖8）。該“墻體”包括三個(gè)層面，外層為太陽能電板（斜板）和第一層玻璃，中間層為密閉艙，第三層為水幕玻璃。水幕太陽能墻具有氣候調(diào)節(jié)機(jī)制，尤其適用于上海地區(qū)氣候這樣的冬冷夏熱地區(qū)。阿爾薩斯案例館的原型是法國(guó)阿爾薩斯布克斯韋爾中學(xué)的太陽墻，據(jù)介紹，在當(dāng)?shù)刂饕獞?yīng)用于冬季供暖。但考慮到上海夏季高溫潮濕的氣候特點(diǎn)，太陽能水幕墻增加了密閉艙可以打開的功能。這樣，在炎熱的夏季，密閉艙中的空氣和沿著立面往下流的水幕相連（圖9），加上太陽能墻產(chǎn)生的陰影，起到給建筑降溫的效果。利用這種太陽能水幕墻，可以在夏季有效降低室內(nèi)溫度，在冬季補(bǔ)充室內(nèi)溫度，極大地降低對(duì)空調(diào)的依賴。

    展館的上半部則設(shè)計(jì)成為一個(gè)太陽能供電系統(tǒng)，可以提供場(chǎng)館的所有運(yùn)作能源。觀眾會(huì)看到，澳門館外墻的上半部是一排排百葉形太陽能板。這些太陽能板每塊的面積在1.3m2 左右，厚度約為4cm，它們既能發(fā)電，又能起到遮陽的效果。這些太陽能板都是可以活動(dòng)，會(huì)根據(jù)光線的角度轉(zhuǎn)動(dòng)30°~45°(圖10)。

    4 太陽能集成技術(shù)

    倫敦零碳館是中國(guó)第一棟建成的零二氧化碳排放的公共建筑。該項(xiàng)目原型取自于世界上第一棟零二氧化碳排放的社區(qū)貝丁頓社區(qū)。零碳館由兩棟建筑前后相接而成，總面積2500m2，坐落在城市最佳實(shí)踐區(qū)上海案例的北側(cè)。零碳館通過傳承來自世界第一個(gè)零二氧化碳排放社區(qū)BEDZED科技，結(jié)合上海地區(qū)的氣候特征，采用本土化的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了中國(guó)第一棟零碳排放的展示性建筑。該建筑使用太陽能、風(fēng)能和水源熱能聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的通風(fēng)、制熱、制冷、除濕、加濕等滿足室內(nèi)舒適性的各項(xiàng)指標(biāo)。系統(tǒng)的特色在于安置在屋頂上的22個(gè)五顏六色的風(fēng)帽，風(fēng)帽可以隨著風(fēng)向靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，利用溫壓和風(fēng)壓將新鮮的空氣源源不斷地輸入每個(gè)房間，并將室內(nèi)空氣排出。同時(shí)利用太陽能和江水源給進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)降溫除濕。零碳館所需的電力，由建筑附加的太陽能發(fā)電板產(chǎn)生。陽光和水的利用也在倫敦零碳館中體現(xiàn)得淋漓盡致。在建筑的南面，通過透明的玻璃太陽房保存從陽光中吸收的熱量，轉(zhuǎn)化為室內(nèi)熱能。屋頂上的太陽能熱水板將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。建筑的北面通過漫射的陽光培育綠色的屋頂植被，同時(shí)北向漫射光為室內(nèi)提供了相應(yīng)的自然采光。零碳館還通過屋頂雨水的收集，用來沖洗馬桶或灌溉植物等，減少了館內(nèi)對(duì)自來水的需求。零碳館最基本的建筑節(jié)能技術(shù)做得非常到位，采用整體外保溫的策略，墻壁是用導(dǎo)熱材料建造的，減少室外熱滲透，吸收室內(nèi)多余熱量，穩(wěn)定室內(nèi)氣溫波動(dòng)。這些基本的被動(dòng)式設(shè)計(jì)，為前面的太陽能集成技術(shù)的應(yīng)用最大化奠定了基礎(chǔ)。

    為了減少建筑對(duì)全球變暖和氣候變化帶來的消極影響，建筑一方面需要通過各種節(jié)能設(shè)置減少對(duì)能耗的需求，另一方面也需要通過可再生能源的利用，滿足余下能源需求以實(shí)現(xiàn)建筑的零二氧化碳排放。常規(guī)電站發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量被當(dāng)作副產(chǎn)品，通過冷卻塔等途徑放射到環(huán)境中，被白白浪費(fèi)掉，而豐富的太陽能，是取之不盡用之不竭、無污染的能源。世博會(huì)上建筑展現(xiàn)的太陽能技術(shù)和一體化的設(shè)計(jì)，對(duì)我們今后在上海推廣太陽能技術(shù)起到了很好的示范作用，尤其是倫敦零碳館的太陽能技術(shù)與其他綠色節(jié)能集成的運(yùn)用，更是我們未來太陽能技術(shù)在建筑上運(yùn)用提供了更高的要求，使建筑逐步實(shí)現(xiàn)能源自給自足的目標(biāo)。