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提要：本文通过对光电幕墙（词条“光电幕墙”由行业大百科提供）的发展、技术工作原理、光电幕墙形式在太阳能建筑一体化中的应用、光电幕墙光伏发电系统的构成及原理等方面介绍，光电幕墙充分利用太阳能这种取之不尽、用之不绝的清洁能源，光电幕墙产生的电能不仅能够提供给建筑物本身使用，还可以在发电高峰时供外网并网使用。
关键词：太阳能、光电幕墙，太阳能光伏建筑一体化（词条“光伏建筑一体化”由行业大百科提供），碳达峰、碳中和。
1、引言
随着我国经济快速发展，环境污染问题日益凸显，节能减排迫在眉睫。我国 “十四五”规划中指出：贯彻新发展理念，推动高质量发展。2020年9月，我国承诺2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。我们国家建筑95%以上属于高能耗建筑，建筑能耗在总能耗占比将近3成。修建建筑物时就已经消耗了大量的能量，建筑物在使用过程中对空气及温度进行有效的调节时又消耗大量的能量，而对空气及温度调节时消耗的能量占到建筑物总能耗的近70%。 为了控制室温，使用空调机或采用燃煤不仅消耗大量的能量，而且还给外界的环境带来污染，所以建设环保节能型建筑意义重大。根据我国的可持续发展战略以及保护环境的根本需要，在接下来的较长时间内，太阳能光伏发电一定部分要替代常规能源发电。太阳能光伏建筑一体化(简称BIPV)就是将太阳能光伏发电与建筑结合技术。光电幕墙既有普通幕墙外围护结构功能(即装饰美观效果、安全性能、保温（词条“保温”由行业大百科提供）隔热性能、水密性能、气密性能、隔声性能等等)，又有产生电能供建筑自身使用的功能以及并网发电功能。随着太阳能光伏建筑一体化进程不断推进，光电幕墙技术得到广泛应用。
2、光电幕墙技术
2.1光电幕墙技术原理
光电幕墙通过光伏电池把太阳能转换成电能，通过蓄电池中存储或提供负载工作。发电原理是利用半导体光生伏打效应(图2.1)，也就是太阳光照射到光电电池上时，当光伏电池吸收光能后，形成光生电子-空穴对，在光伏电池内建电场的作用下，光生电子与空穴被分离形成电压。
光伏电池主要种类有：晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。晶体硅太阳能电池包括多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池;薄膜太阳能电池包括铜铟硒太阳能电池、非晶硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池。单晶硅太阳能电池转化效率较高，但是成本较高。多晶硅太阳能电池转化率较单晶硅太阳能电池低一些，但是成本较单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池是仅通过低温工艺，即可将原材料与光电板制作成组件，耗材较少且不依赖温度变化，价格较低。我国目前晶体硅太阳能电池在太阳能光伏发电系统应用较多，多晶硅太阳能电池应用比例最多，但是近年来薄膜太阳能电池应用比例明显增加特别是铜铟硒太阳能电池，薄膜太阳能电池主要是跟适合与光电幕墙结合应用。
光伏电池转换效率影响着太阳能光伏发电（词条“光伏发电”由行业大百科提供）系统的发电效率，光伏电池自身的输出功率（词条“输出功率”由行业大百科提供）与光伏阵列的光照功率情况影响着光伏电池转换效率。光照辐射度越高光伏电池转换效率越高，光伏电池外界温度越高光伏电池转换效率越低。因此为保持光伏电池转换效率最高，应该在任意外界温度以及光照辐射度的基础上，采用最大功率跟踪方法等对光伏阵列进行管理和控制，从而使光伏阵列能够保持在最大功率点进行发电作业。
太阳能电池单体是光伏转换的最小单元，工作电压约为 0.45~0.5V，一般不能单独作为电源使用。需通过太阳能电池单体串、并联并且封装后，形成可以单独作为电源的光伏组件。
2.2国内外光电幕墙发展
2.2.1国外光电幕墙的发展
上个世纪70年代，由于世界各国大力发展经济，全球性自然资源过度开发与消耗，环境污染严重，特别是受石油危机的影响。发展新能源和可再生能源，实现可持续发展道路成为世界各国共同长期发展战略。光伏发电在发达国家受到高度重视，发展较快。光电幕墙的研究工作起源于上世纪 80 年代瑞典，一篇关于太阳能电池在建筑墙面应用的文章，发起了光电幕墙在全世界范围内的研究。从此欧美发达国家的光伏产业迅猛发展。国外光电幕墙系统应用的案例较多，比较著名的有：德国宝马世界中心、德国弗莱堡太阳能工厂、三洋太阳能电池科学馆等等
2.2.2国内光电幕墙的发展
虽然我国光伏研究较早，但是发展比较缓慢。目前我国光电幕墙的发展总体处于示范起步阶段，随着国家政策的扶持和光电幕墙技术日渐成熟，光电幕墙在幕墙行业中开发研究也越来越广泛。比如近年来的一些示范性案例：上海世博会中国馆、上海世博会主题馆、保定锦江国际酒店、武汉中心、泉州海峡体育中心、北京火车站南站、长沙中建大厦光伏幕墙（词条“光伏幕墙”由行业大百科提供）、广东省科学中心、广州电视塔光伏幕墙、无锡尚德光伏研发中心、我国自主知识产权光电幕墙产品应用在方大集团科技中心大厦工程中等。
铜铟硒太阳电池中试线在南开大学建立，除了德、美、日之外，我国是第4个开展该电池中试的国家。中国科学院半导体研究所对非晶硅太阳电池转换效率最低可限制在10%以内。中国科学院物理研究所研制的有机纳米晶太阳电池，转换效率达到5.48%，为以后广泛使用提供了更大可能性。近年来，我国太阳电池不论在生产能力还是在研发上都达到国际先进水平，同时在有机纳米晶太阳电池的研究中也取得国际领先的成果。
2.3太阳能光伏建筑一体化
2.3.1太阳能光伏建筑一体化的正确理解
太阳能光伏建筑一体化是把太阳能光伏发电与建筑结合的技术，将建筑建造成可以具有自我发电，自我循环的新型建筑。光电幕墙既有普通幕墙外围护结构的功能， 又有产生电能供建筑使用的功能。不是简单的太阳能与建筑的叠加，而是需要根据安全性、艺术性、节能、 环保以及实用经济性的综合考虑，把太阳能光伏发电作为建筑的一部分纳入建筑行业，与建设工程同步设计、施工、验收、管理，同时投入使用，使其成为建筑有机组成部分。太阳能光伏建筑一体化的核心是一体化，包括设计、制造、安装等一体化，其主要是降低能耗、节约用电成本、是绿色环保的建筑技术。
2.3.2太阳能光伏建筑一体化应用的形式
太阳能光伏建筑一体化应用形式较为广泛，通过是否有采光要求，采用不同形式的太阳能光伏电池。可以利用屋顶、墙面以及建筑物局部构件等部位设计光伏结构。屋面部位：可以采用光电屋顶。可以采用框架、钢结构桁架、网架结构、拉杆拉索等结构形式;立面部位：采用光电幕墙(有消防救援要求的窗（词条“窗”由行业大百科提供）慎用)。按传统幕墙形式可以采用框架形式、单元形式、双层幕墙、点式幕墙等形式;局部建筑物构件包括：光电雨篷、太阳能遮阳板、阳台、天窗等部位;以及光电LED（词条“LED”由行业大百科提供）多媒体动态幕墙、天幕等。[4]
2.3.3太阳能光伏建筑一体化应用的优势
太阳能光伏建筑一体化建筑除了满足建筑的美观要求、采光要求、安全性要求、安装方便要求、长使用寿命等要求外，还具有以下方面优势：
2.3.3.1在绿色能源方面：太阳能光伏建筑一体化生产绿色能源。利用太阳能进行发电，太阳能不仅是可再生，取之不尽，用之不竭，而且太阳能即清洁又廉价，不会污染环境。
2.3.3.2在占地方面：太阳能光伏阵列设计在建筑物的屋面或外立面处，不需要再额外占用土地，不增加建设建筑物所需的额外的占地使用成本。
2.3.3.3在光伏并网方面：夏天日照量最大，太阳能光伏系统发电量相应也最多。如果太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，那么对当地电网可以起到一定的调峰作用。在太阳能并网系统情况下，不用配备蓄电池，既可以节省蓄电池部分投资，又不被蓄电池荷电状态所限制。那么太阳能光伏系统所发出的电力就可以得到充分利用。
2.3.3.4在节能减排方面：太阳能光伏阵列系统在把吸收来的太阳能转化为电能的时候，可以降低建筑物室外的综合温度，减少了太阳能传递给建筑墙体的热量，从而降低了室内空调制冷的负荷，对建筑节能起到积极的作用。所以太阳能光伏建筑一体化可以节能减排。
2.3.4太阳能光伏建筑一体化应用存在的问题
太阳能光伏建筑一体化尽管有诸多优点，并且也已经运用到上海世博会中国馆、上海世博会主题馆等许多示范性工程中，但太阳能光伏建筑还未得到广泛应用，尤其是我国广大普遍的民用住宅方面还未广泛采用。影响太阳能光伏建筑一体化广泛应用有以下几个方面：
2.3.4.1在建筑设计美观方面：太阳能光伏建筑一体化应用把建筑学、建筑师的设计概念理论指导为“实用、 经济、美观”中的“实用”，应用到的太阳能技术。这对传统建筑美观有很大的冲击，需要建筑师重新塑造运用太阳能的建筑自然美的理论与观点。
2.3.4.2在建筑物造价方面：太阳能光伏建筑一体化由于建筑物设计有太阳能光伏发电系统，使得比普通建筑物造价高。一是受科研技术方面限制，光伏发电系统价格偏高;其次还需大力发展太阳能光伏建筑一体化进程，加大推广力度。以降低建筑物造价成本。
2.3.4.3在太阳能发电（词条“太阳能发电”由行业大百科提供）成本方面：太阳能发电的成本较高。2018年太阳能光伏组件成本下降至5000元/千瓦，从而使光伏系统的成本下降至0.9万/千瓦，光伏发电成本下降到0.7元/度，太阳能光伏发电也具有了一定的竞争优势。但是太阳能光伏发电成本仍是燃煤发电的3倍多。所以太阳能光伏发电成本偏高限制着太阳能光伏建筑一体化的发展。
2.3.4.4在太阳能光伏发电不稳定方面：太阳能光伏发电受天气影响较大，太阳日照时长、日照强度等的影响，导致太阳能光伏发电不稳定、有波动性。因此亟待解决太阳能光伏发电的波动性，使太阳能光伏发电更加稳定，使建筑物或外电网能更好、更方便的应用太阳能光伏系统所发的电能。
3、光电幕墙光伏发电系统的构成及原理
光电幕墙发电系统主要结合了建筑物的负载，在本建筑物实际负载的基础上进行系统建设，通过就近发电方式保障本建筑的电能供给。光电幕墙光伏发电系统具有更好的灵活性，结合建筑实际的需要和系统建设要求进行设计和安装。
光电幕墙光伏发电系统有两种利用形式。一种是太阳能光伏独立系统，主要的硬件装置包含配电箱、逆变器、汇流箱、蓄电池等。一种是太阳能光伏并网系统，主要的硬件装置包含配电箱、并网逆变器、汇流箱、双向电表等。太阳能光伏独立系统与太阳能光伏并网系统相比较，需要设置蓄电池。二者都是由光电幕墙光伏电池组件通过串联方式或并联方式构成光伏阵列，最大效率收集太阳辐射能量，并将太阳辐射能量转化为直流电，太阳能光伏独立系统是通过蓄电池直接输送给直流荷载或者在通过逆变器输送给交流荷载;太阳能光伏并网系统通过并网逆变器进行输送给交流负载或是主电网。并网逆变器主要的功能就是把直流电转化为交流电，太阳能光伏电池方阵产生的是低压的直流电，要使之与外电网连接，就要转换为220 伏、380 伏甚至更高电压的交流电，并且对于电压波动、频率、谐波和功率因素等电能质量参数都有一定的要求。为确保电网、设备和人身安全，还应设有并网检测保护装置，必须明确规定处理过/欠电压、过/欠频率、防孤岛效应、恢复并网、直流隔离、防雷和接地、短路保护、断路开关、功率方向保护等。逆变器和控制器是太阳能光伏并网系统的关键设备。完成转化交流电之后，在发电高峰时，可以实现向主电网当中输送电力，实现并网发电，节约能源及成本。通过双向电表对光电幕墙光伏发电系统的实际发电和用电情况进行记录、存储和显示，从而实现对电力用量及发电量的计算统计。
光电幕墙光伏发电并网系统的主要原理结构图如下：(图3-1)
光电幕墙光伏发电独立系统的主要原理结构图如下：(图3-2)
4、 光电幕墙光伏发电的性能指标与经济效率分析
光电幕墙的光电转换率一般可以设计为10%-15%,设计峰值发电功率为0.1kw/m2-0.15kw/m2。输出频率为50Hz。
从成本方面分析：首先是初始一次性投资费用，其次是运营过程中维护保养费用，第三为废弃后电池处理费用。随着国家扶持光伏产业政策出台，建设光伏发电系统成本降低。也就是初始一次性投资费用呈下降趋势。废弃后出售使用过设备，还可以回收一部分资金流。可以获得利益最大化，提高市场竞争力。
从收益方面分析：节省外网用电量及并网发电的电价收益是整个收益的来源。当前电价收益主要还是靠政策补贴，以便更好发展太阳能光伏发电。尽管初始一次性投资费用较大，但是从长远角度考虑，可以产生较长远的成本投资回收期，可获得比较可观的投资回报收益。
以安徽天柱绿色能源科技有限公司办公楼为例，分析光电幕墙带来的经济效益。该工程建筑面积约 5600m2，全年实际用电量约12 万k Wh，其中光电幕墙面积约1200 m2，装机容量约160 k W，2020 年全年发电量为6.37万k Wh，占总用电的 53%。该工程选用铜铟镓硒薄膜发电玻璃，既有普通钢化玻璃功能，还有利用太阳能发电功能，此发电玻璃有弱光发电、温度系数低等特点。其弱光发电特性优于普通光伏组件，不仅在高温天气发电效率维持较高水平，还对室内温度维持稳定有很大的益处。综上数据可知：用电费用节省一半有余，带来了极大的经济效益。
所以应该大力发展光电幕墙光伏发电项目，不仅具有维护环境污染的社会效益，还可以实现长远的可观的经济效益。
5、 结束语
光电幕墙在发电过程中不会消耗自然资源，不会产生各种污染。如余热、废气、废渣、噪音等。GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标（词条“技术标”由行业大百科提供）准》的发布与实施，标志着我国超低近零和零能耗建筑节能时代到来了，实现建筑零能耗还需要利用建筑本身创能技术-太阳能光伏建筑一体化(BIPV)。随着储能技术、光伏发电电流并网控制技术、综合能源管理技术的不断提高，新能源发电相对不均衡不充足与建筑实际能耗的匹配问题得以解决;随着建筑师认为把利用太阳能到建筑，使“建筑自然美”的成为主流;随着发电型建材和光电建筑一体化技术应用的相关规范的完善;在碳达峰与碳中和的国家战略背景下，各级政府相关部门及行业都在出台支持光电建筑一体化推广应用的相关措施。一次性投入成本不断降低，随着并网发电的电价不断提高，获得电价的收益也日益增加。所以光电幕墙的应用前景会非常广阔。
参考文献
[1] 李伟，刍议光电幕墙技术在太阳能建筑一体化中的实施要点.江西建材，2014年，第22期
[2] 周慧春，论光电幕墙在建筑幕墙（词条“建筑幕墙”由行业大百科提供）设计中的发展及应用,.苏州大学，2011年
[3] 黄志勇，分布式光伏发电并网设计及运行分析研究.南昌大学，2021年5月
[4]龙文志，光电建筑一体化应用方式.建筑科技,2009，(20)
[5]李 虎，刘 祥，殷建家，“碳中和”背景下零能耗建筑BIPV技术研究与案例分析-以安徽天柱绿色能源科技有限公司办公楼为例.安徽电子信息职业技术学院学报,2022年，第2期，第21卷(总119期)
作者单位：北京佑荣索福恩建筑咨询有限公司
