建筑外立面膜基有機(jī)光伏系統(tǒng)及安裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及IPC國(guó)際專利分類E04F建筑物的裝修工程中收集和利用太陽(yáng)能技術(shù)，尤其是建筑外立面膜基有機(jī)光伏系統(tǒng)及安裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，光伏電池可藉由光伏效應(yīng)將陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)換成電力，且光伏電池所組成元件可用于制作光伏模塊或太陽(yáng)能面板。在眾多能源中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是新能源和可再生能源中最具技術(shù)含量和發(fā)展前途的方式。而常見的太陽(yáng)能電池組件是由光伏玻璃、晶體硅電池片陣列、膠膜、背板、鋁邊框、接線盒等組成的在陽(yáng)光照射下將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。
[0003]BIPV(Building Integrated PV)是將太陽(yáng)能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品與建筑集成為一體的技術(shù)，使光伏發(fā)電成為建筑物的基本組成部分。BIPV產(chǎn)品包括:光伏幕墻、光伏采光頂、光伏車棚等多種形式?？梢蕴娲F(xiàn)有幕墻形式，如玻璃幕墻、陶土幕墻和金屬幕墻。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的的興起，將光伏應(yīng)用于建筑是未來發(fā)展的一種趨勢(shì)，這就是建筑光伏一體化(BIPV，Building Integrated Photovoltaic)技術(shù)，20 世紀(jì) 90 年代以來，日本、歐洲、美國(guó)等發(fā)達(dá)地區(qū)在“光伏屋頂計(jì)劃”的激勵(lì)下，建筑光伏系統(tǒng)逐漸規(guī)模化推廣應(yīng)用，2009年底已出現(xiàn)多處建筑光伏系統(tǒng)高密度、多點(diǎn)接入局部配電網(wǎng)的區(qū)域，如擁有3500戶的荷蘭海爾許霍瓦德SMW太陽(yáng)能社區(qū)、擁有550戶日本太田市2.2麗的光伏示范區(qū)、擁有144戶美國(guó)加州羅克林地區(qū)345kW示范區(qū)等。我國(guó)建筑光伏系統(tǒng)應(yīng)用雖剛剛起步，但是發(fā)展十分迅速，2009年底建筑光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到73MW，占我國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)容量(300MW)的24%。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能組件使用方式相比，光伏建筑一體化有眾多優(yōu)勢(shì):例如光伏建筑一體化使建材的一部分變成了要樣能組件的組成部分，節(jié)省了太陽(yáng)能組件的成本；還可以有效地利用陽(yáng)光照射的空間，節(jié)省土地資源；所發(fā)電力首先為本建筑物使用，即可原地發(fā)電原地使用，可節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資和減少輸電損耗。但是在光伏建筑一體化中對(duì)太陽(yáng)能組件的性能有著更高的要求，尤其是沖擊強(qiáng)度要達(dá)到玻璃幕墻的要求。光伏幕墻集合了光伏發(fā)電技術(shù)和幕墻技術(shù)，是集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建材，充分體現(xiàn)了建筑的智能化與人性化特點(diǎn)。
[0004]早期應(yīng)用的代表性技術(shù)為光伏幕墻，但最終的效果受限于光伏材料本身的性能不足。盡管已有安裝在建筑物外墻的太陽(yáng)能玻璃幕墻發(fā)電裝置，但玻璃幕墻不能保留傳統(tǒng)建筑風(fēng)格。安裝玻璃幕墻不但成本高，而且還導(dǎo)致建筑通風(fēng)、透氣、透光功能差，影響室內(nèi)人體健康。有些建筑根本不適合安裝太陽(yáng)能玻璃幕墻發(fā)電。另外，由于建設(shè)大規(guī)模光伏幕墻的初期投資成本較高，另外還需要改變?cè)O(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，推廣起來難度較大。在BIPV技術(shù)的應(yīng)用中，光伏模塊被制造成與建筑材料，如窗戶、屋頂與外墻材料等一體成形。目前可供利用的光伏電池大多由塊狀材料，諸如結(jié)晶硅或多晶硅材料所組成。在BIPV材料中所包含的塊狀光伏電池多為非透明材料，因此只限于應(yīng)用在遮光板、屋頂或外墻等材料。然而，由于BIPV窗戶材料或玻璃幕墻必須為透明材質(zhì)，而且最好在可見光譜內(nèi)能夠反射出建筑師與客戶在美學(xué)偏好方面所欲呈現(xiàn)的顏色。因此，迄今仍有待開發(fā)出新的技術(shù)來解決上述種種冋題。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行業(yè)的BIPV電池組件主要有兩種:一種是普通的雙波電池組件，另一種為中空光伏組件。普通的雙波電池組件也稱為第一代BIPV電池組件，它是以鋼化玻璃代替光伏組件背面保護(hù)材料并且采用膠膜進(jìn)行封裝。這種BIPV電池組件毫無疑問的打破了光伏行業(yè)與建筑行業(yè)的技術(shù)壁皇，但也存在著許多直接制約BIPV電池組件發(fā)展的弊端。首先是隔熱能力:能量的傳遞無非有三種輻射傳遞、對(duì)流傳遞和傳導(dǎo)傳遞，在BIPV組件應(yīng)用于建筑物時(shí)，由光照產(chǎn)生的熱量和電池組件發(fā)電產(chǎn)生的熱量會(huì)通過玻璃的傳導(dǎo)效應(yīng)直接傳入建筑物內(nèi)部，這就大大的增加的建筑物的耗能，又由于電池組件的發(fā)電效率隨表面溫度升高而降低，使得電池組件的發(fā)電效率降低，而且玻璃的隔音效果是非常差，直接在建筑物上使用第一代BIPV電池組件還需附加使用隔音、隔熱裝置和密封。中空光伏組件也稱為第二代BIPV電池組件，這種新型電池組件是在將普通電池組件與鋼化玻璃或者普通玻璃進(jìn)行中空，在中空層中添加惰性氣體然后進(jìn)行密封并在中空層中添加一定量得干燥劑。這樣的設(shè)計(jì)成功的將電池組件融入了建筑材料中，也達(dá)到了建筑材料的隔熱、隔音和防火等技術(shù)要求。高性能中空光伏組件，由于有一層特殊的金屬膜，可達(dá)到0.22-0.49遮蔽系數(shù)，使室內(nèi)冷氣空調(diào)負(fù)載減輕。傳熱系數(shù)1.4-2.8W (m2.K)。對(duì)減輕室內(nèi)暖氣負(fù)荷，同樣發(fā)揮很大效率。因此，窗戶開得越大，節(jié)能效果越明顯。高性能中空光伏組件可以攔截由太陽(yáng)射到室內(nèi)的相當(dāng)?shù)哪芰?，因而可以防止因輻射熱引起的不舒適感和減輕夕照陽(yáng)光引起的目眩。高性能中空光伏組件有多種色彩，可以根據(jù)需要選用色彩，以達(dá)到更理想的藝術(shù)效果。適用于辦公大樓、展覽室、圖書館等公共設(shè)施和像計(jì)算機(jī)房、精密儀器車間、化學(xué)工廠等要求恒溫洹濕的特殊建筑物。另外也可以用于防曬和防夕照目眩的地方。但由于中空光伏組件的外層玻璃是由光伏組件構(gòu)成，光伏組件在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱由于中空光伏組件的中空層無法被排出，熱量的堆積會(huì)導(dǎo)致中空層氣體膨脹，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致中空光伏組件的破裂，并且由于溫度過高會(huì)直接影響光伏電池的發(fā)電效率。故使得中空光伏組件在利用和應(yīng)用上頗受爭(zhēng)議。
[0006]目前太陽(yáng)能電池組件發(fā)電主要安裝在建筑物屋頂，太陽(yáng)能電池組件安裝在屋頂發(fā)電有很大的局限性，因使用面積小，發(fā)電量有限。對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電材料的輸出單位，Wp-太陽(yáng)能發(fā)電的峰值功率，即IKWp表示光照強(qiáng)度足夠充足的情況下，I小時(shí)發(fā)電lKWh。
[0007]進(jìn)入21世紀(jì)以來，光伏行業(yè)取得了較快的發(fā)展。薄膜太陽(yáng)能電池較傳統(tǒng)的晶體硅電池，在光伏建筑一體化領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。大力研發(fā)薄膜太陽(yáng)能電池在光伏建筑一體化領(lǐng)域的應(yīng)用就顯得尤為的重要。
[0008]目前薄膜光伏建筑一體化組件的生產(chǎn)一般采用類似于生產(chǎn)普通晶硅太陽(yáng)能組件的工藝，用EVA作為粘結(jié)玻璃和電池片的膠膜，采用層壓機(jī)一次層壓成型。這種生產(chǎn)工藝速度慢效率低，且生產(chǎn)的光伏建筑一體化組件作為玻璃幕墻，其強(qiáng)度偏低。目前光伏電池研宄的方向是開發(fā)高效低成本的電池材料和制造技術(shù)。有機(jī)太陽(yáng)能電池正受到普遍關(guān)注。
[0009]有機(jī)太陽(yáng)能電池是成分全部或部分為有機(jī)物的太陽(yáng)能電池，他們使用了導(dǎo)電聚合物或小分子用于光的吸收和電荷轉(zhuǎn)移。有機(jī)物的大量制備、相對(duì)價(jià)格低廉，柔軟等性質(zhì)使其在光伏應(yīng)用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長(zhǎng)度和官能團(tuán)可以改變有機(jī)分子的能隙，有機(jī)物的摩爾消光系數(shù)很高，使得少量的有機(jī)物就可以吸收大量的光。相對(duì)于無機(jī)太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池的主要缺點(diǎn)是較低的能量轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)定性差和強(qiáng)度低。按照結(jié)構(gòu)和光伏機(jī)理，有機(jī)太陽(yáng)能電池可分為肖特基有機(jī)電池、異質(zhì)結(jié)有機(jī)電池和染料敏化電池；按照使用材料的物理狀態(tài)，有機(jī)太陽(yáng)能電池也可分為染料敏化電池和全固態(tài)有機(jī)太陽(yáng)能電池，全固態(tài)有機(jī)太陽(yáng)能電池又可以分為有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池和有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池。相對(duì)于無機(jī)太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)與無機(jī)太陽(yáng)能電池使用的材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體材料的原料來源廣泛易得、廉價(jià)，環(huán)境穩(wěn)定性高，有良好的光伏效應(yīng)、材料質(zhì)量輕、較高的吸收系數(shù)(通常> 105CH1-1)、有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)且制備提純加工簡(jiǎn)便、加工性能好，易進(jìn)行物理改性等。(2)有機(jī)太陽(yáng)能電池制備工藝更加靈活簡(jiǎn)單，可采用真空蒸鍍或涂敷的辦法制備成膜，還可采用印刷或噴涂等方式，生產(chǎn)中的能耗較無機(jī)材料更低，生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境無污染，且可在柔性或非柔性襯底上加工，具有制造面積大、超薄、廉價(jià)、簡(jiǎn)易、良好柔韌性等特點(diǎn)。(3)有機(jī)太陽(yáng)能電池產(chǎn)品是半透明的，便于裝飾和應(yīng)用，色彩可選。
[0010]有機(jī)聚合物光伏電池采用共軛聚合物作為光伏材料，制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，可大面積制造，這使得有機(jī)聚合物光伏電池的研宄越來越受到重視。雖然聚合物光伏電池的研宄在最近幾年取得了顯著的發(fā)展，但其光電轉(zhuǎn)換效率仍很低，只有得到高效率、性能穩(wěn)定的光伏電池，才能實(shí)現(xiàn)聚合物光伏電池的商業(yè)化。對(duì)于有機(jī)聚合物光伏電池效率的提高可以通過材料的選擇和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。另外從理論上就器件中激活層的厚度、給體受體所形成的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光電流、