建材一体型太阳电池在日本楼房中的应用

王西联 母文杰 张红梅

在日本能源产业的结构变化，已从集中型大规模发电转变成分散型发电◦分散型能源的形式。尤其在建设产业的结构调整，已逐渐从豪华包装开始向重视节约能源 +创造能源的结构建筑、建设重视 3R(Reuse，Reduce，Recycle)的楼房这样一种方向发展。以楼房为代表的建筑物中，具有建材功能且有良好外形的、有示范性的太阳电池，即楼房用建材一体型太阳电池(BIPV)，在日本得到了迅速的发展。本文作者介绍了日本近年来BIPV应用现状。

1 太阳光发电系统的特点

楼房用建材一体型太阳电池以公共及产业用建筑物为主体，如官方公共大厅设施、学校、体育馆、医院、福利设施、办公大楼、工厂、商业设施、车站、飞机场、公共汽车车站等。

1.1 安装位置

按位置分屋顶部分除了屋顶材料一体型外，还有 top light(天窗)型;墙壁部分可以有:挂窗帘的墙壁、正面墙、房檐墙壁、百叶窗墙壁、双面墙壁的外侧面等不同的方式。也可以利用采光性窗户的一部分，此时不影响视野，模板从背面看上去美观等都是很重要的。

1.2 创意性可以产生新的价值

楼房建材一体型开始普及是从德国为首的几个欧洲国家开始的，在那里，楼房的间隙漏进的光被当作一种建筑形式使用，多数采用以采光型为主体、造型性高的模板。电池表面的颜色从蓝色的多晶硅到在四角安装圆形黑色单晶硅等不同的种类，另外将大小和颜色相结合，可以最大限度地按建筑家的造型要求进行安装。在建筑参观者将其当成新建材来看待的同时，又可以对环境做出贡献，因此可以提高所有者及在此建筑中的企业的形象。

1.3 采光型特点

从电池片间的间隙进来的太阳光引入到建筑内部的采光型模板具有以下的特点:

1)在两块强化玻璃之间的结晶系电池片用 EVA模夹住连接，在电池片的间隙间及模板的周边可以得到适度的采光。

2)表面通常使用被强化了的高透光率的玻璃，即使有 5nm～6nm的厚度，也可以将少量的太阳光吸收进来。另外可以和背面的玻璃一起承受强度。为了能让背面也能清楚地看到外面的景色，且能够经久耐用，一般都采用玻璃。

3)采光部分的电池片由于吸收了一部分的太阳能，因此作为有吸收热辐射线的玻璃使用，可以达到使内部空调节能的作用。

4)为了提高隔热性能，通过与双层玻璃的组合，使用三块玻璃(联合复层化)通过密封的空气层作为隔热层，可以达到节能的效果，还可以达到防止结露的目的。当双层玻璃用在防火区域中，或者防止顶部窗玻璃脱落时，可以组合成加入网的双层玻璃。

5)窗户上使用房檐等时，有可能同时使用内部适度的遮挡效果和采光效果。可以在夏天时采用隔热而冬天减少在夜间由于光线减少引起的下降，从两方面达到节能。

6)使用天窗及火车站的阳台屋顶等时，可以不要白天的照明，只按照晚上照明费用的多少来计算。

2 进一步提高采光型模板价值的方法

2.1 没有窗框的模板

具有开放感◦高档感的玻璃加工法多数采用通过开孔点支撑的结构、无孔的点支撑结构和构造用硅结构的无窗框构造。日本大约从 1998年开始普及加工法，如果仔细研究的话，作为太阳电池是合适的加工法，这是因为可以发挥:没有使用框架时所产生的阴影，因此对发电性能不产生影响;不会因框架而产生雨水及灰尘的滞留等特点。

2.2 大型模板

作为建材为了适应设计者的要求，今后慢慢会有必要提供超过 2m×1m的大型模板。一般为了提高开放感，在楼房开口部分的玻璃为 4m×3m左右的大小，与此相当的大小就可以作为最大尺寸的目标。

2.3 高耐久性措施

以无窗框为目的的模板通常与强化玻璃进行组合是其基本的方法。周边部分通常也用作采光空间。在使背面玻璃透湿的可能性为零的同时，从玻璃框到电池片的电气产品，都用 EVA进行填充，且保持相当远的距离，因此认为可以忽略漏电引起麻烦的可能性。另外，无窗框结构时的EVA膜不管雨天有多少白雾，晴天时都会变得清洁;在实际的雾天不起白雾，也不会引起电气上的漏电现象;不会引起最近的EVA变黄等麻烦。因此，可以认为 EVA有可能成为可以期待的唯一安定的中间膜。

2.4 与屋顶绿化共存

屋顶绿化具有如下的效果:1)从植物以及土壤层扩散出来的水分，可以吸收蒸发潜热，因此可以防止热岛(heat island)效应;2)由植物生长及土壤层起到的隔热效果可以使内部的空调达到节能的效果;3)由于植物生长产生的庭园性能及辅助治疗的效果。而且，太阳光发电的CO2减少量根据火力发电所CO2的产生量(180 g-C/kW◦h)计算出。结果太阳光发电比森林有约 200倍的减少效果，有绝对的优势。

2.5 适用于学校教室的窗檐

在学校采用 BIPV，作为在造型上面下功夫的例子考虑了如下的方法:

1)南面的窗户上方设置水平的 BIPV，可以确保其上部的采光。用此方法可以在冬天反射较低入射角的太阳光，使教室深处的天井明亮，可以不需要电照明。在防止夏天的太阳光(热)入射的同时，还可以在冬天最大限度地确保太阳光(热)的入射。通过在无框架等支撑结构上面下功夫，实现造型性丰富的窗檐以及校舍。

2)为了遮挡西下的太阳，可以通过将窗户的外侧设置成朝西方向的纵向型窗户(louver)，用采光型模板、无窗框结构，可以同时确保采光和夏天西部光线的遮挡。

3)在窗户和窗户间的墙壁部分(腰部)及朝西的壁面的外侧空隙间通过垂直设置，可能提高造型性能，且可以通过安装隔热性能的壁材，实现隔热的功能。这一技术有可能在今后增加的古香古色的楼房壁面的更新中得到应用。

4)从屋顶上面空出一定距离进行设置，通过这样稀疏的放置，可以提高隔热效果，且模板下部可以用作绿化部分或其他功能。

2.6 与公园、绿地、生物园等的共存

除上述应用以外，在公园、绿地、生物园等地方，与系统供电相比，建议作为独立电源，设置采光型太阳光发电作为凉亭、走廊、板凳等上面的藤架造型。作为发电电力的用途，可以考虑夜间的照明及喷水、洒水、流水等各种各样的用途，这些有可能直接作为直流电源加以利用。

3 太阳电池在设计、技术、施工方面的特点

3.1 设计阶段应该注意的事项

在基本设计中，作为建筑家的概念有“与环境友好建筑”及“新型建材”等，为了具体地体现这些概念，与魅力性、隔热性、节能性等相对应的模板安装位置和支撑方法、电池片的创意性及其排列、采光的方法等都值得研究。在详细的设计阶段，为了得到最适当的电压值，先进行直线型设计，然后边研究选定动力调节器、配线在哪里通过、如何让其在外观上看不到、建筑物上的贯通部分在哪里、如何通过、集电箱及动力调节器在哪里放置、如果与系统联系的话电气室的配置如何进行、如何接地等有关整体费用的设计思想，要结合主人所追求的价值进行详细的研究。

3.2 最佳设计和导入之前应注意事项

全体费用的最优化以及使施工顺利进行的最佳设计，通常要与系统的整体一起估计。因此建筑设计者、设备设计者、模板厂家、电器厂家、施工者等要提前进行密切的联系，积极地引导结晶型电池大型化的动向以降低费用。

3.3 施工时应注意事项

建材一体型的施工中，完成质量、精度等是非常重要的关键点，为了使设计思想充分活跃，使施工不存在不合理现象，从进行模板的设计、制造场所到施工都要有责任地进行，采用材料工程一贯的责任制。

4 今后的展望

太阳光发电费用依然居高不下是唯一存在的问题。即使是建材一体型，也常常有必要把其当成高级建材来认可，所以不可避免地比标准模板具有更高的价格。今后随着导入量的增大、电池片的大型化、薄膜系片的导入等，成本会逐渐地下降是无可非议的，但同时为了弥补成本高的缺点、进一步提高使用价值、促进其普及，有必要研究各种各样的方法和策略。

[1] 滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用[M].北京:科学出版社，2008:194.