北極星太陽能光伏網訊:隨著光伏技術的不斷進步和光伏產業的迅猛發展，近年來建築一體化半透明光伏窗（簡稱光伏窗或「光伏發電玻璃」）吸引了越來越多的研究人員和生產廠家的高度關注，圖1展示了一些典型的半透明光伏窗應用案例。簡單來說，光伏窗是指使用由雙層玻璃封裝的半透明光伏組件來取代傳統玻璃而構成的窗戶系統，圖2給出了常見晶體矽和薄膜半透明光伏組件的組成結構。光伏窗不透明（或半透明）的電池部分可以通過光伏效應發電，而透明（或半透明）部分則可以實現自然採光以及室內外的視覺交流。與其他先進窗戶技術相比，光伏窗的最大特點是可以通過光伏作用主動將一部分太陽輻射轉變為有用的電能。
（來源：微信公眾號「直流建築聯盟」作者：彭晉卿）
常見晶體矽和薄膜半透明光伏組件結構示意圖
（a, 晶體矽半透明組件；b, 薄膜半透明組件）
半透明光伏窗的發電性能受太陽能電池種類、組件透過率、太陽輻照強度以及建築朝向等因素影響。根據組件透過率高低，目前已經商業化的晶體矽、非晶矽和碲化鎘半透明光伏組件的能量轉換效率大約為8-17%，5-9%和7-14%。研究人員對印度地區使用不同透過率的碲化鎘半透明光伏窗的能效進行了深入研究[1]，結果表明效率為9.9%的南向碲化鎘光伏窗的年最大發電量可以高達119.6 kWh/m2。效率為6%的南向半透明非晶矽光伏窗在香港[2]和美國舊金山灣區[3]的年發電量分別為38 kWh/m2 和65 kWh/m2。
在安裝角度和透光需求等不利因素影響下，雖然單位面積的光伏窗的發電量要比傳統的以最佳傾斜角安裝的光伏系統的發電量低，但是光伏窗除了可以發電外，更重要的是具有很好的建築節能效果。
一方面，它可以通過減少室內太陽得熱而降低空調製冷能耗。半透明光伏窗的平均太陽得熱係數僅為0.25 甚至更低，遠遠低於普通玻璃窗的太陽得熱係數（0.85）和low-e雙層中空玻璃窗的太陽得熱係數（0.364）。相比傳統玻璃窗，半透明光伏窗在香港可以節約61%的空調製冷能耗[4]，在日本可以節約54%的空調製冷能耗[5]，在巴西可以節約高達43%的能耗[6]，在印度可以減少60.4%的淨能耗[7]，在韓國可以減少47%的能耗需求[8]，在地中海區域可以減少59%的能耗[9]，在美國舊金山灣區可以減少50%的空調製冷能耗[3]。相比於普通中空玻璃窗，非晶矽半透明光伏窗在國內5大氣候區的平均節能率也高達30%以上[10]。
另一方面，合理設計的光伏窗還可以最大程度地利用自然採光並改善視覺不舒適性。Didone等[11]關於非晶矽光伏窗自然採光效果的研究表明：採用光電傳感器和自動調暗系統對人工照明加以控制之後，光伏窗可以恰到好處地利用自然採光從而減少人工照明能耗以及相應的照明空調負荷。Do等[12]報導半透明光伏窗與自動調暗系統結合使用可以減少3%-14%的人工照明能耗，同時可以將房間峰值冷負荷降低14%-26%，因此半透明光伏窗的應用可以進一步降低空調系統設備容量，從而實現更大程度節能。Sch和Uehara[13]的研究結果表明使用光伏窗的房間持續自然光可用度（continuous daylight availability, cDA）僅降低4.9%-6%，但是其平均眩光指數（average daylight glare index）則下降23.3%-30.3%。這意味著，相比傳統玻璃窗，使用光伏窗雖然會稍微增加一點人工照明能耗，但是其可以大大降低窗戶的視覺不舒適性。美國勞倫斯伯克利國家實驗室的實驗研究[14]表明，優化設計的半透明光伏窗可以有效改善視覺不舒適性，因此可以同時充當內部遮陽的功能，節約了窗簾成本。
綜上所述，一個優化設計的光伏窗不僅可以發電，還可以通過降低太陽得熱量和調控入射太陽輻射從而減少建築物空調能耗、改善自然採光效果和提高視覺舒適性。筆者在香港和美國舊金山地區的研究結果表明[15,14]，光伏窗所帶來的能量收益中只有1/3是來自於發電，另外2/3的收益來自於空調節能。因此，光伏窗為零能耗建築以及具有較大窗牆比的高層辦公建築節能提供了一個非常好的建築節能解決方案。
目前限制光伏窗大規模應用的另一個重要因素就是成本問題。然而實際上太陽能電池本身所增加的成本已經非常低，一般不超過500 RMB/m2， 大部分成本可能來自於生產難度增加所導致的工藝成本上升。因此，隨著半透明技術的進一步發展以及電池效率的進一步提高，光伏窗的能效性能還有很大的提升空間，相應地，其投資回收期也會進一步縮短，屆時將在零碳建築和綠色建築領域具有廣闊的發展前景。
文章作者：彭晉卿，湖南大學土木工程學院教授，國家「千人計劃」青年項目入選者。
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