光电玻璃与幕墙技术及其结合

光电玻璃与幕墙技术及其结合

摘要：本文主要论述了太阳能光电玻璃、幕墙技术及其结合形成的光电幕墙玻璃。

关键字：太阳能光电玻璃、幕墙技术、光电幕墙玻璃。

地球上每平方米土地每年所获得的太阳直射光和斜射光平均为1000kW·h，在能源紧缺的今天，怎样才能有效利用太阳赋予我们的宝贵财富呢？早在1883 前，人们就发现了利用光照使浸入电解液的锌电板产生电流。到了1954 年，美国研究人员使用元素硅取得巨大成就，光电模板首先被用在宇宙航行上。现在，国家大力建设节约型社会，提倡各个行业的节能减排，人们越来越关注健康环保，绿色环境意识日益增强；所以，太阳能———人类所能利用的最洁净，无污染的自然能源之一，自然的进入了我们生活的各个部分。随着城市的发展，一栋栋高楼大厦十分的壮观，不过怎样才能让其在高大的形状上发挥节能、环保的作用呢？这又成为了一个十分有意义的话题。

一、太阳能光电玻璃

1、定义

顾名思义太阳能光电玻璃就是光能、电能和玻璃的有机结合体，利用电能使玻璃兼具光亮和通透性。光电玻璃作为一种新型的环保节能材料，广泛适用于各种工程，大型建筑、室内装潢设计、娱乐场所、户外广告展示应用等方面。

光电玻璃由低铁玻璃、太阳能光电模块、背面玻璃、特殊金属导线、EVA胶等组成，它是用一片低铁玻璃和背面玻璃通过EVA胶片的作用把太阳能光电模块密封在两片玻璃的中间，是一种最新颖的建筑用高科技玻璃产品。采用低铁玻璃覆盖在太阳能光电模块上，以确保有更好的光线透过率，产生更多的电能。经过钢化处理的低铁玻璃具有更高的强度，可以承受更大的风压及较大的昼夜温差变化。EVA的使用增强了太阳能光电模块的安全性，同时也不会降低太阳能光电模块的功效。（注：EVA是一种聚烯烃塑料）

2、介绍

光伏玻璃是一种通过层压入太阳电池，能够利用太阳辐射发电，并具有相关电流引出装置以及电缆的特种玻璃。它有着美观、透光可控、节能发电且它不

需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染的优点，应用非常广泛，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光伏玻璃建筑顶棚，以及光伏玻璃幕墙等等。光伏玻璃可分为晶体硅光伏玻璃和薄膜光伏玻璃两大类，其中幕墙最常用的是晶体硅类。按特性又分单晶硅、多晶硅和无定型硅电池三类，其物理性能不同，外表形状、颜色、太阳能电池转化效率也有很大的差别。可以根据不同的建筑效果和想要实现电能转化量的要求来选择不同的太阳能电池板。其中一种光伏玻璃是由玻璃－PVB（EVA）胶膜－太阳电池－PVB（EVA）胶膜－玻璃共5层组成，类似于建筑上常用的夹胶玻璃，具有很好的安全性。可以通过控制双面玻璃之间的电池间隙和边缘空隙，来制成5%～80%透光率的光伏玻璃。中空光伏玻璃是将中空玻璃的外层玻璃替换成双玻夹胶光伏组件，在生产工艺上比双玻夹胶光伏组件多一些合成中空的步骤。并无本质区别。由于晶体硅光伏组件在高温时的发电效率会下降一些，因此中空光伏组玻璃一般在非高温地区使用较多。薄膜光伏玻璃的特点是重量轻、厚度薄、可弯曲、易携带，弱光性好，在早晚光线弱的情况下，发电效果优于单晶硅电池，但并没有传统硅晶电池转化效率高。

3、光电玻璃分类

光电玻璃主要分为四大产品

1.LED点阵光电玻璃系列

无论是规整的矩阵，还是满天的星光。色彩随心而定，变化层出不穷。产品还用於标志、隔断、顶棚、内外墙面，艺术效果更为丰实。

2.LED视频显示玻璃系列

LED视频玻璃是采用独特的创新技术将LED光源复合嵌入玻璃内，使电光技术和传统玻璃融为一体，既保留玻璃的透光特性，又能展示动画及各种炫丽的色彩，大大提升了玻璃的应用范围。

3.LED平板照明玻璃系列

LED是世纪新光源，它能够直接将电能转化为光能，且拥有最长达8万小时以上的使用寿命，同时具有省电、环保无汞、体积小反应快速、高耐震、可应用在低温环境、光源具方向性、光害少、色彩饱和度高与色域丰富等优点

4.LED调光玻璃产品系列

使用透明电路，通电後内置LED灯源发光，除光源点外玻璃依然发光。关闭电源後与普通玻璃无异。在室内（或暗处），画面效果清晰绚丽。在强日光下，画面依然清晰可见。无尺寸局限（可按需进行超大尺寸制作）、无形状。

4、发电机理

基于光照射到硅半导体PN 结而产生的光伏效应（Photovoltraic Effect，缩写为PV），它的外形结构有圆形的和方形的两种。这是一种N/P 型光电电池，它的基本材料为P 型单晶硅，厚度在0.4mm 以下，上表面是N 型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个PN 结，在N 型层上面制作金属栅线，作为正面栅状电极（负极），在整个背面也制作金属膜，作为背面金属电极（正极），这样就形成晶体硅光电电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。当N 型半导体和P 型半导体紧密接触时，在交界处形成PN 结：N 型半导体的电子和P 型半导体的空穴，都会向对方扩散，从而形成一个内建电场。当光照射到PN 结时，如果光子的能量大于禁带宽度（对硅而言，其数值为1.1ev），满带中的电子就会被激发到导带中去，形成由N 区流向P 区的内光致电流，光致电流使N 和P 区分别积累了负电荷和正电，从而在PN 结上形成附加的电势差，这就是光生伏打效应（PV），如果将PN 结两端与外电路相连，负载便会有电流通过。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

5、优点

1、遮阳

减少阳光的入射量，具有很好的遮阳效果。

2、环保

光电玻璃是一种具有入射光线减反射作用的新型高科技玻璃组合，它起到减少光污染的作用，同时，增加了光的吸收率，提高了太阳能光电模块的作用，减少温室效应。

3、节能

光电玻璃可以减少室外热量的渗入，也可以减少室内能量的向外辐射和传导量，减少夏季冷气的供应和冬天暖气的补充，起到节能的作用。

4、隔音

光电玻璃是一种采用EVA胶片把太阳能光电模块胶合在中间的建筑用玻璃产品，EVA胶片的应用有效地降低了室外的噪音量，可以降低约30dB。同时光电玻璃自身在运行、产生电能的过程中不产生任何噪音，是一种安静的能量发生器。

5、结构牢固

光电玻璃是一种夹层玻璃，它不但具有利用光线产生电能的作用，同时具有建筑夹层玻璃破碎后不飞溅的优点，是一种安全的建筑用玻璃产品，同时光电玻璃可以承受最大风速：200km/h，工作温度可经受-45℃至+95℃的变化。

6、美化建筑

光电玻璃具有美化建筑装饰效果。可以整面玻璃幕墙和玻璃天棚全部采用光电玻璃，和蓝天白云相映；也可以在透明的玻璃幕墙或玻璃天棚中点缀穿插，构成各种美丽的几何图案。

7、具有良好的透光率

光电玻璃具有良好的透光率（>18%），而半透明型光电玻璃的透光率更可达30%，它克服了一般光电产品的不透明或极低透光率的弱点，使得光电玻璃产品大规模应用于建筑玻璃幕墙和玻璃天棚成为现实。

二、幕墙技术

1、幕墙的定义

幕墙(Curtain Wall)是建筑物的外墙围护，不承重，像幕布一样挂上去，故又称为悬挂墙，是现代大型和高层建筑常用的带有装饰效果的轻质墙体，它的自重和所承受的风荷载、地震作用等，通过锚接点以点传递方式传至建筑物主框架。由结构框架与镶嵌板材组成，不承担主体结构载荷与作用的建筑围护结构。

幕墙是利用各种强劲、轻盈、美观的建筑材料取代传统的砖石或窗墙结合的外墙工法，是包围在主结构的外围而使整栋建筑达到美观，多功能而又安全的外墙工法。简言之，是将建筑穿上一件漂亮的外衣。幕墙范围主要包括建筑的外墙、采光顶(罩)和雨篷。

2、幕墙的特征

⑴它是由面板和支承结构组成的完整结构体系；

⑵它具有自身平面内的变形能力和（或）相对于主体结构有相当的位移能力。

⑶幕墙通常用在主体结构的外侧，一般都包覆在主体结构表面之上；

3、幕墙的历史

建筑装饰幕墙早在150年前（19世纪中叶）就已在建筑工程中使用，由于受当时材料和加工工艺的局限，幕墙达不到绝对水密性、气密性、抵抗各种自然外力的侵袭（如风、地震、气温）、热物理因素（热辐射、结露）以及隔音、防火等要求，一直得不到很好的发展及推广。自20世纪50年代以来，由于建筑材料及加工工艺的迅速发展，各种类型的建筑材料研制成功，如各种密封胶的发明及其它隔声、防火填充材料的出现，很好地解决了建筑外围对幕墙的指标要求，并逐渐成为当代外墙建筑装饰新潮流。今天，幕墙不仅广泛用于各种建筑物的外墙，还应用于各种功能的建筑内墙，如通信机房、电视演播室、航空港（机场）、大车站、体育馆、博物馆、文化中心、大酒店、大型商场等。今后，由于幕墙工艺与科技的结合，相应全球节能减排的号召，智能型幕墙，如太阳能光伏幕墙、通风道呼吸幕墙、感应风雨智能幕墙等，将展示出建筑的独特魅力。

4、幕墙的发展趋势

⑴从笨重性走向更轻型的板材和结构（天然石材厚度25mm，新型材料最薄达到1mm）。

⑵品种少逐步走向多类型的板材及更丰富的色彩（目前有石材、陶瓷板、微晶玻璃、高压层板、水泥纤维丝板、玻璃、无机玻璃钢、陶土板、陶保板、金属板等近60种板材应用在外墙）

⑶更高的安全性能；

⑷更灵活方便快捷的施工技术

⑸更高的防水性能，延长了幕墙的寿命（从封闭式幕墙发展到开放式幕墙）

⑹环保节能（目前欧美建筑市场比较常用的为金属装饰保温板，由经过彩色烤漆的铝锌合金雕花饰面、聚氨酯保温层、玻璃纤维布复合而成；兼顾装饰和保温节能功能，面漆10-15年无褪色，整体使用寿命可达45年；）

5、性能

⑴抗风压变形⑵雨水渗漏（水密性）⑶空气渗透(气密性) ⑷平面内变形（抗震性）⑸热工（保温性）⑹隔声⑺防雷⑻防火

⑼环保⑽节能

6、优点

⑴质量轻；在相同面积的比较下，玻璃幕墙的质量约为粉刷砖墙的1/10～1/12，是大理石、花岗岩饰面湿工法墙的1/15，是混凝土挂板的1/5～1/7。一般建筑，内、外墙的质量约为建筑物总重量的1/4～1/5。采用幕墙可大大的减轻建筑物的重量，从而减少基础工程费用。

⑵设计灵活；艺术效果好，建筑师可以根据自己的需求设计各种造型，可呈现不同颜色，与周围环境协调，配合光照等使建筑物与自然融为一体，让高楼建筑减少压迫感。

⑶抗震能力强；采用柔性设计，抗风抗震能力强，是高建筑的最优选择。⑷系统化施工；系统化的施工更容易控制好工期，且耗时较短。

⑸现代化；可提高建筑新颖化、科技化，如光伏节能幕墙，双层通风道呼吸幕墙等与智能科技配套的设计。

⑹更新维修方便；由于是在建筑外围结构搭建，方便对其进行维修或者更新。

7、分类

（1）按镶嵌材料可分为：玻璃幕墙、金属板幕墙、石材幕墙、组合幕墙等。（2）按构造可分为：明框、隐框、半隐框（横明竖隐和横隐竖明）。

（3）按幕墙工厂加工程度可分为：元件式、元件单元式、单元式、嵌板式、包柱式。

三、光电幕墙玻璃

1、光电幕墙玻璃的出现

随着观念的改变及政府的推动作用，人们越来越关注健康，绿色环境意识日益增强，科技发展进步已将光电模板装入幕墙中变为可能，使用光电幕墙的时候到了。

进入90年代后，随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视，

一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划，并提出了“建筑物产生能源”的新概念，由此推动了光电技术的大规模开发与应用。美国、日本、德国、意大利、印度等许多国家都已建有太阳能屋顶或外墙的建筑。

在1991年慕尼黑最大的建筑行业展览会上，德国的旭格公司首先展出了光电幕墙，这是一个发展项目，也是将光能应用于建筑装饰业的开始，引起了专业人士的关注。光电幕墙还提供了一种与众不同的造型，因为这是科技发展进步的标志，也是企业文化不可或缺的一个要素。

现代建筑物提倡节能和环保的概念，而作为主要外装饰项目的玻璃幕墙，也就相应的产生了新的体系—原理：太阳光照射在光电幕墙的玻璃面板内的太阳能电池板上，太阳能电池板组件方阵所产生的直流电，通过导线传输到并网逆变器，输出单相或三相交流电进入城市电网，也可提供建筑自身用电的需求，达到原地发电，原地用电的目的，同时对城市电网也有“削峰填谷”的作用。

2、介绍

光电玻璃幕墙与普通玻璃幕墙的唯一区别是其面板材料为太阳能光电玻璃。光电幕墙技术是一种集发电、隔音、隔热、装饰等功能于一身的新型建筑幕墙，充分体现了建筑智能化的特点。它大大减轻了环境的负担，同时也满足建筑的物理需求，比如阻燃、保暖、隔热等。光电幕墙装了光电模板后，可节省传统的建筑材料，比如，光电模板可代替抛光的自然建材，并且光电幕墙的生产、使用直至报废都可以实现对环境的无污染。光电板成分中没有有毒物质，不会在建筑物起火时出现任何诸如释放有毒气体等危险。重要的是光电幕墙在具有普通幕墙功能的同时，还可以把光能转换成电能，这种能源生产型幕墙是幕墙技术发展的最新代表。目前，世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812 块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率130W，总容量超过1MW，所发电力与20kV 电网相联，每年能发电100 万千瓦时，足够340 户德国家庭使用。光电幕墙技术可用于建筑物外表装饰的许多方面，安装时要放置在建筑物中受阳光照射时间较长的部位，例如建筑物面朝南方向的幕墙，采光棚及遮阳棚等部位，以保证太阳能电池的效率。光电幕墙的经济效益是显而易见的。光电幕墙虽然具有较强的节能功效，但由于造价昂贵，尚未被广泛使用。相信，在不久的将来，这种优异的节能建筑装饰形式必将在未来建筑中放出异彩。

3、光电幕墙的工作原理

简单一点的说光电幕墙，即用特殊的树脂将太阳电池粘贴在玻璃上，镶嵌于两片玻璃之间，通过电池可将光能转化成电能.这就是--太阳能光电幕墙。它是用光电池、光电板技术，把太阳光转化为电能，它关键的技术是太阳能光电池技术。太阳能光电池是利用太阳光的光子能量，使得被照射的电解液或者半导体材料的电子移动，从而产生电压，这称为光电效应。

设计光电幕墙需考虑电池、模板、导线和变压器各个因素，各电池组成模板，各模板组成小分格，并通过导线连接，所有导线又组成一个PV变压器。一个PV 变压器是一个封闭的幕墙部分，每套光电设备可由一个或多个变压器组成。每套光电设备都先产生直流电，再由直流电转变成交流电，并由电压网传输，逆整流器再将230/400伏的电压转变成频率通常为50赫兹的电能。

晶体电池通过导线相互连通，并被接在大表面的模板上，这些电池被嵌入坚硬的树脂玻璃中，导线可接在模板背面或玻璃边缘。作为模板一个组成部分的非晶体是一个完整的平面，相互连通，被嵌入两块玻璃和透明度高的树脂中。所有模板都可作为幕墙的建筑材料使用，这些模板极为坚固，电绝缘性好，符合二级安全标准。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不会出现危险的电压。光电模板具备抵御外界环境侵扰的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50至90℃的环境中，光电模板仍可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。

4、光电幕墙玻璃的优缺点及特点

1、优点

它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染，可用来发电。由于能发电，可少交电费，在国外还可将多余的电卖给电业局。由此可见，光电幕墙本身就是效益。光电幕墙加装光电模板后，可节省传统的建筑材料，比如光电模板可代替抛光的自然建材。光电幕墙也大大减轻了环境的负担，因为它保护自然资源免受损失。

在传统的发电厂内，最常见的是用化石类燃料发电，而用光电模板发电100千瓦时，可省油26升或省煤50千克，这也意味着少排放57千克的二氧化碳、71克的二氧化硫和75克氮的氧化物。

2、缺点

光电幕墙先不要说光伏电池的价格，只是外侧的高透光率的玻璃的价格就很贵。而且现在大多还依赖进口。

太阳能电池的价格现在也很昂贵，而且转换效率很低，一般的都不到20%，而且是阳光直射，阴天的时候就发挥不出作用，并且墙面每天日照时间一般不会很长，而且大部分时间都不是直射，这样一来，效率几乎达不到2%，花很高的成本做成很不实用的东西，这就是光电幕墙不能推广的原因。

3、特点

1）节约能源——由于光电幕墙作为建筑外围护体系，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，可以有效降低墙面及屋面温升，减轻空调负荷，降低空调能耗。

2）保护环境——光电幕墙通过太阳能进行发电，它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染。

3）新型实用——舒缓白天用电高峰期电力需求，解决电力紧张地区及无电少电地区供电情况。可原地发电、原地使用，减少电流运输过程的费用和能耗；同时避免了放置光电阵板的额外占用宝贵的建筑空间，与建筑结构合一省去了单独为光电设备提供的支撑结构，也介于了昂贵的外装饰材料，减少建筑物的整体造价。4）特殊效果——光电幕墙本身具有很强的装饰效果。玻璃中间采用各种光伏组件，色彩多样，使建筑具有丰富的艺术表现力。同时光电模板背面还可以衬以设计师喜欢的颜色，以适应不同的建筑风格。

5、光电幕墙的发展实例

国外案例

1、新慕尼黑贸易展览中心

世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率130W，总容量超过IMW，所发电力与20KV电网相联，每年能发电100万KWH，足够340户德国家庭使用。

2、MarinaPinnacle

该项目坐落于中东迪拜，为一幢250米高、全单元式幕墙的酒店式公寓。

3、证大喜玛拉雅艺术中心

该项目坐落于上海浦东，由日本著名建筑大师矶崎新设计。包括酒店、办公楼、异形体等建筑。整个幕墙面积超过6万平米。

国内案例

1、江西天工开物国际论坛会址

该项目坐落于江西新余，为一全木结构外加全玻璃幕墙及采光顶建筑，造型新颖。

2、江苏东台磊达国际大酒店(五星级)

该项目坐落于东台市中心，包括酒店主体楼、康体楼、娱乐楼、餐厅、会所等建筑。由香港著名建筑师巴马丹拿(P&T)设计。

3、宁波联盛国际商业广场

该项目坐落于宁波鄞州中心区，包括一幢异形高层办公楼和大型绳索状商业裙楼。

4、上海陆家嘴时代金融中心

该项目坐落于中国上海的浦东开发区，包括一幢47层楼的办公楼，和一座6层高的裙楼，主入口建上海第一幅单层索网幕墙。主要幕墙系统包括单元式玻璃幕墙、石材幕墙、铝板幕墙、玻璃肋系统、拉索幕墙等。

总结：我国是世界上首要的太阳能电池出口国家，太阳能电池技术对于我们来说已经相当成熟，但是转化效率还有待提高。对于光电幕墙在我国并不多见，因为造价昂贵，即使具有较强的节能功效。不过我们相信，在不久的将来，这种优异的节能建筑装饰形式必将在未来建筑中放出异彩。

参考文献：

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【5】赵西安.《幕墙技术研究进展》[J].居业.2014-05-10