中国金属结构协会光电建筑应用委员会专家

中国金属结构协会光电建筑应用委员会专家

龙 文 志

世博会对推动建筑技术的创新可谓功不可没。历届世博会都力求展示当下世界科技领域最前沿的研究成果，就像一个最新科技的斗秀场。世博会上出现的新兴技术为我们展示了未来建筑技术发展的新趋势。

中国的城镇化正处在一个关键时刻。改革开放之初，中国城镇化率只有17%，现在已近47%。今后25年到30年，是中国城镇化一个飞速发展的时期，城镇化不仅是中国面临的大问题，也是世界面临的大问题。因为发展中国家在崛起的过程当中，工业化和城镇化是齐头并进的，城镇化的目的就是使人的生活更美好，这跟世博会的主题“城市让生活更美好”不谋而合。如何让生活更美好？世博会给我们提供了一个前所未有的机会，150多个国家，50多个国际组织到这儿来展现他们的理念。

上海世博会开幕之际，正逢一场新能源革命席卷全球之时。最能代表未来城市发展的低耗能建筑---太阳能建筑在上海世博会上大放异彩，昭示着光电建筑在未来城市的发展中将异军突起。

由“世博科技行动计划”设立专项研究的世博会太阳能应用科技创新涉及世博园区中国馆、主题馆光伏建筑一体化关键应用技术。它包括中国馆、主题馆太阳能与建筑结合技术和光伏建筑一体化组件技术。世博会永久场馆中国馆、主题馆光伏建筑一体化并网电站建成后，将成为目前亚洲和中国总容量位居前列的光伏建筑一体化并网电站。主题馆光伏建筑一体化并网系统规模可达2.5 兆瓦，将是国内单体建筑上最大容量的光伏建筑一体化并网系统；中国馆光电建筑则是结合具有传统中国特色建筑建造的BIPV 并网电站。这不

仅是世博会一个崭新的科技亮点，还必将成为我国BIPV 并网光伏发电领域的成功典范。

此外，世博中心、南市电厂和沪上生态家等场馆都将建立光伏建筑一体化并网发电系统。整座世博园的太阳能光伏发电总装机容量将达4.5 兆瓦，预计每年可节电约420 万千瓦时，减排二氧化碳约4100t。集中使用，是上海世博会太阳能技术的一大特点。

世博园区太阳能发电项目实现智能化，基本上不需要人工操作，太阳升起时即开机发电，太阳落山后则自动关机，阴雨天气时发电效率虽受一定影响，但也能照常开机发电。

上海世博园区太阳能发电项目在设计和施工过程中，充分考虑到太阳能光伏电站发电效率的优化与世博建筑美学的统一，屋顶平面采用单晶硅光伏组件与绿化间隔铺设的布置，屋顶设备间南墙立面采用光伏遮阳组件，达到了既美观又节能的效果。

世博会上太阳能技术的应用和太阳能科技成果的展示使人们能够看到并体验到太阳能技术给人类生活带来的变化。在此前的两届世博会上，均对太阳能的应用作了初步展示，而上海世博会的光伏应用，则将人们对这一技术的研究探索和应用推向高潮。

主题馆光电屋顶

上海世博会永久性建筑之一的主题馆屋顶面积为6万m²，其中铺设太阳能板面积达3 万m²，建成后总发电量达2.5 兆瓦，使主题馆成为一座兆瓦级的太阳能“绿色工厂”。主题馆选用晶体硅太阳电池组件，太阳板间距仅2 mm。由于太阳能材料的特殊性，工程安装过程中不能采用焊接方式，只能用螺丝钉扣紧。

主题馆菱形铺设的深蓝色多晶光伏组件与建筑的肌理和颜色协调统一。在屋顶下方的

中厅，设计者特别采用了透光的双层玻璃组件，让光线倾泻而下，日照充分时，无需打开馆内的照明设施，而游客也看不到屋顶太阳能板的痕迹。。

世博主题馆太阳能屋顶设计的创意取自上海弄堂屋顶的肌理，整体犹如碧波粼粼的海面。标准的电池板都是长方形的，为了铺出 “碧海微波”的效果，主题馆屋顶用了大量形状不规则的电池组件，它们产生的电压、电量不同于常规，所以在电池的并联串联方式上换了新思路。而且，主题馆内部是大跨度空间设计，屋顶承重有限，因此常规的安装配件被“瘦身”，施工工艺也被革新。

图1主题馆光电屋顶

图2 世博主题馆顶部太阳能板

世博会中国馆彩色光电屋顶

上海世博会中国馆250千瓦高效彩色太阳能发电并网系统安装在中国馆地区屋面“新九州清宴”园林四周，由2736块高效彩色（红色、绿色、蓝色）太阳能电池组件组成，这是高效彩色太阳能发电系统在建筑上的首次应用。彩色太阳能发电系统既能够将阳光转换成清洁电力，又能根据建筑需要拼装出彩色图案起到美化装饰效果，这不仅是光伏建筑一体化（BIPV)应用的一个经典案例，更是光伏环境一体化（EIPV)的一次精彩亮相，是对本届世博会主题“城市 让生活更美好”的具体演绎。

由于常规太阳能电池只有做成黑色才能保证较高的转换效率，因此，在常规太阳能电池应用于建筑物的过程中常会面临要么牺牲建筑物的美观，要么牺牲光伏系统发电效率的两难困境。光伏建筑一体化的概念需要新的内涵，它必须考虑光伏组件与环境和建筑的协调性。

中国馆的地区馆屋面，是景色宜人的“新九州清宴”园林景观。如果采用传统太阳能光伏板呈现蓝色或黑色将会大煞风景，破坏景观效果。而采用彩色太阳能光伏板组成的迷彩“高效彩色双玻组件”建成光伏建筑一体化的太阳能发电系统，红、绿、蓝三色电池板围绕园林四周，与景观的色彩和谐统一，这条足有一公里长的太阳能发电系统不仅为中国馆提供２５０千瓦的清洁电力，更与周围“新九州清宴”的园林相映成趣，成为世博园中的一大景观，也是高效率彩色太阳能发电系统在建筑物上的首次应用。

图3上海世博会中国馆彩色光电屋顶

图4上海世博会中国馆彩色光电屋顶与“新九州清宴”园林相映

图5上海世博会中国馆彩色光电屋顶安装

图6上海世博会中国馆彩色光电屋顶安装

台湾馆的神奇——调光薄膜

上海世博会台湾馆外墙玻璃贴有电子调光薄膜，调光薄膜是一种智能薄膜，直接将薄膜贴合在玻璃上，再经过电压使得调光薄膜呈现穿透及雾状，可使玻璃在透明与不透明之间转换，即使不透明时，采光效果也很好，对光的热能具有绝缘反射作用，使得室内冬暖夏凉，环保节能。调光薄膜利用液晶的光学特性，实现了薄膜的光电功能。

图7上海世博会台湾馆调光薄膜不透光遮蔽内景

图8上海世博会台湾馆调光薄膜透光显示内景

图9上海世博会台湾馆调光薄膜不透光外景

日本馆柔性光电外墙

上海世博会日本馆高约24m，占地面积约6000m²，呈半圆型的大穹顶，外层是带有太阳能发电装置的超轻 “膜结构”，一种建筑用的柔性光电薄膜。这层膜，白天能透过阳光，利用太阳能发电，夜晚让建筑物闪闪发光。

图10上海世博会日本馆柔性光电外墙俯瞰

图11上海世博会日本馆柔性光电外墙侧视

瑞士馆智能光电幕墙

瑞士馆互动型智能光电幕墙是展馆的亮点之一，由半透明的铝网结构帷幕覆盖，安装11000块包含敏化太阳电池的生物树脂智能光电幕墙建筑。光电外墙的红色圆盘是太阳能光电板，可以利用展馆周围的能量光伏发电，比如对太阳能或者照相机闪光灯产生的光能发生闪光的反应。同时，这些太阳电池可以储存能量，并互为光源，使得帷幕在夜间也能闪光。这种独特新颖的构思意在提醒：我们身边有许多未被利用的能量。

图12上海世博会瑞士馆互动智能光电幕墙

图13上海世博会瑞士馆互动智能光电幕墙

法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙

上海世博会运用太阳能光伏技术的展馆很多，但在太阳能板下还有潺潺流水的，恐怕只有法国阿尔萨斯案例馆了。通过巧妙运用太阳能发电、水源降温等技术，这幢金属钢架结构的建筑有效实现了冬暖夏凉。其主要看点集中于南立面，倾斜的墙面分为两部分，一部分是被青枝绿叶覆盖的“绿墙”，另一部分是玻璃幕墙。

水幕馆”的原型，来自阿尔萨一所普通高中的太阳能发电墙。在这届世博会上，科学家进行了豪华升级：传统概念中，玻璃幕墙是造成现代建筑夏天“温室效应”的罪魁祸首，但在这里，它却是整幢建筑实现冬暖夏凉的关键所在。玻璃幕墙从外到内包括三个层面，外层为夹层玻璃光伏组件，中间层是可开可闭的空气层，最后一层是玻璃，上面有水流过，构成水幕玻璃。玻璃幕墙上的太阳能光伏发电板面积约为72.2m²，发电量6600瓦，虽然无法完全满足这幢3层高建筑的所有能量需求，但运行情况表明，在与水幕的联合作用下，室内的空调能耗已经比常规同类建筑少很多。

“冬天模式”： 太阳能电池依旧运作，供给空调用电，水幕停止流动，所有的玻璃窗全部关闭，中间层成为一个密闭空气舱。经过阳光照射以及太阳光在光电板上转换成电并发热，密闭舱里的空气被迅速加热，并源源不断送往风机，就能持续地给室内各个楼面供暖。

夏天模式”： 太阳能电池板产生的电能运行水泵，让从上而下流动的水幕为房子带走热量；空气层玻璃向室外打开通风。

光电建筑在实际运行中,光伏电池的光电转换效率随着工作温度的上升而下降。理论研究表明:标准条件下,单晶硅太阳电池在0度时的最大理论转换效率可到30％。在光强一定的条件下，硅电池自身温度升高时，硅电池转换效率约为12％一17％。照射到电池表面上的太阳能83％以上未能转换为有用能量，相当一部分能量转化为热能，使太阳能电池温度升高。 若能将使电池温度升高的热量加以回收利用，使光电电池的温度维持在一个较低的水平，既不降低光电电池转换效率,又能得到额外的热收益，于是太阳能光伏光热一体化系统(PVT系统)应运而生。在建筑的外维护结构外表面设置光伏光热PVT组件或以光伏光热PVT构件在提供电力的同时又能提供热水或实现室内采暖等功能，解决了光伏模块的冷却问题,改善了建筑外维护结构得热,甚至可以使建筑物的室内空调负荷的大量减少，增加了BIPV的多功能性， 为建筑节能和推广BIPV系统提供了一种新的思路。法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙是一个较好的案例。

图14上海世博会法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙

图15上海世博会法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙

图16上海世博会法国阿尔萨斯案例馆水幕光电幕墙

结 束 语

太阳能建筑是本次上海世博会的最大亮点，而太阳能发电项目规模之大、运用的新技术之多，在世博历史上也是空前的。上海世博会对低碳与环保的实践，不仅令中国受惠，还将为全球带来新的启迪，其中光电建筑带来了新的尝试、新的看点。