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            門窗幕墻月刊
            上海世博會光電建筑
                                                                                     上海世博會光電建筑
                                                                                                中國金屬結構協會光電建筑應用委員會專家   龍文志
                    (一)上海世博,讓光電建筑引領未來。
                    世博會作為建筑學歷史上不容忽視的一頁,對于近現代建筑學的發展起著深刻的影響和促進作用。世博會力求展示現階段世界科技文明領域最前沿的研究成果,每一屆世博會都是最新科技的斗秀場,為人們提供一個建筑技術發展的切片,世博會上出現的新興技術也為我們提供了未來建筑技術發展的新趨勢,預測了未來建筑發展的方向。
                    中國的城鎮化正處在一個關鍵時刻。改革開放之初,中國城鎮化率只有17%,現在已近47%。今后25年到30年,是中國城鎮化一個飛速發展的時期,城鎮化不僅是中國面臨的大問題,也是世界面臨的大問題,因為當今世界一批發展中國家在崛起,發展中國家在崛起的過程當中,工業化和城鎮化是齊頭并進的,城鎮化的目的就是使人的生活更美好,這跟世博會的主題“城市讓生活更美好”不謀而合,如何讓生活更美好?世博會給我們提供了一個前所未有的機會,150多個國家,50多個國際組織到這兒來展現他們的理念,城市發展首當其沖的建筑自然是他們關注的重中之重。
                    一場新能源革命席卷全球的時候,正逢上海世博會開幕之際。這是中國與世界共贏的機遇,也是中國推進城鎮化的絕好機遇。而最能代表未來城市發展的低耗能建筑---太陽能建筑在這個時候于美麗的上海大放異彩,這一切都必將昭示著,未來城市的發展將從這里起源,光電建筑的前途藉此而蓬勃發展。
                    由“世博科技行動計劃”設立專項研究的世博會太陽能應用科技創新涉及世博園區中國館、主題館光伏建筑一體化關鍵應用技術,包括中國館、主題館太陽能與建筑結合技術,光伏建筑一體化組件技術,如地磚式光伏組件、大面積透光式光伏組件、防水型光伏組件、異形光伏組件等,大功率逆變及高效組合技術,大型光伏建筑控制技術及可靠性,以及大型光伏建筑一體化系統工程應用技術等方面。世博會永久場館中國館、主題館光伏建筑一體化并網電站建成后,將成為目前亞洲和中國總容量位居前列的光伏建筑一體化并網電站,主題館光伏建筑一體化并網系統規?蛇_2.5 兆瓦,將是國內單體建筑上最大容量的光伏建筑一體化并網系統,中國館光電建筑則是結合具有傳統中國特色建筑建造的BIPV 并網電站。這不僅將成為世博會一個嶄新的科技亮點,還必將成為我國BIPV 并網光伏發電領域的成功典范。此外,世博中心、南市電廠和滬上生態家等場館都將建立光伏建筑一體化并網發電系統。整座世博園的太陽能光伏發電總裝機容量將達4.5 兆瓦,預計每年可節電約420 萬千瓦時,減排二氧化碳約4100 噸。集中使用,是上海世博會太陽能技術的一大特點。主題館、中國館等主要場館,都將安裝太陽能設施。建成后,世博園區太陽能發電能力將達到4.5兆瓦。
                    世博園區太陽能發電項目實現智能化,基本上不需要人工操作,太陽升起時即開機發電,太陽落山后則自動關機,陰雨天氣時發電效率雖受一定影響,但也能照常開機發電。
                    上海世博園區太陽能發電項目在設計和施工過程中,充分考慮到太陽能光伏電站發電效率的優化與世博建筑美學的統一,屋頂平面采用單晶硅光伏組件與綠化間隔鋪設的布置,屋頂設備間南墻立面采用光伏遮陽組件,達到了既美觀又節能的效果。
                   2010 年的上海世博會不僅是大規模光伏建筑一體化并網電站的展示與示范應用舞臺,而且各種結合太陽能技術應用的景觀與展示也在規劃之中,如太陽能路燈、太陽能庭院燈、太陽能草坪燈、太陽能電子顯示屏、太陽能雕塑、太陽能噴泉、太陽能售貨亭、太陽能冰吧、太陽能報刊亭、太陽能移動廁所、太陽能公交候車亭、太陽能售貨亭和太陽能游船等。世博會上的大規模太陽能技術應用和各種太陽能科技展示使人們能夠體驗到太陽能技術給人類生活帶來的變化,并充分反映出世博會關注應對全球氣候變化和人類社會可持續發展等熱點問題,體現“城市,讓生活更美好”主題,促進太陽能等新能源技術推廣應用。本世紀舉辦的前兩屆世博會,德國漢諾威和日本愛知,對太陽能應用都作了初步展示,而上海世博會的光伏應用,將是世博會歷史上規模最大、形式最為多樣、技術最為新穎的。
                  無論是最具難度的主題館,還是其他場館,為滿足建筑的美觀和功能要求,選用的太陽能電池板各具姿采:有的不透光,而有的半透光,在場館內仰起頭,能看到陽光穿過電池板照射進來;有的平躺在屋頂上,有的卻垂直安裝在外立面上,成為遮陽板的一部分。在世博園區里,單晶硅、多晶硅、聚光和薄膜電池等多種光伏組件都得到了應用,一方面是為了借這個大舞臺,嘗試太陽能電池的多樣化應用,一方面是由于各類型電池色彩不一,與建筑風格的匹配效果不同。
                    世博“光電建筑”的設計建設,不僅為展示,更要實用。光伏發電并網后必須輸出符合質量標準的“綠電”,確保電網穩定。為此,上海市電力部門同設計方、供貨方經過多輪研究,制定出了一系列技術指標和參數,解決了并網的技術,這些“發電屋頂”無需太多維護,澆水清除積灰即可,預計使用壽命在20年。
                    世博“太陽城”的總投資逾2億元,平板光電組件完全“中國設計、中國制造”,因為國內尚未開發出柔性、可卷曲的光伏電池板,因此世博演藝中心的球面屋頂沒能采光發電。
                    (二)主題館光電屋頂
                    上海世博會永久性建筑之一的主題館屋頂面積為6萬平方米,其中鋪設太陽能板面積達3 萬平方米,建成后總發電量達2.5 兆瓦,使主題館成為一座兆瓦級的太陽能“綠色工廠”。中國館采取了利用68 米平臺和60 米觀景平臺鋪設單晶太陽能組件的方案,總裝機容量達302 千瓦。中國館的60 米觀景平臺四周將采用特制的透光型“雙玻組件”太陽能電池板,用這種“雙玻組件”建成的玻璃幕墻,既具有傳統幕墻的功能,又能夠將陽光轉換成清潔電力。在60 米平臺挑檐位置安裝重達250 公斤的光伏組件,為了達到所要求的平整度,要將主題館數萬平米屋面的水平誤差控制在30 毫米之內。主題館選用晶體硅太陽電池組件,太陽板間距僅2 毫米。由于太陽能材料的特殊性,工程安裝過程中不能采用焊接方式,只能用螺絲釘扣緊。中國館的光電屋頂施工精度要高、施工難度大。
                    中國館和主題館設計了兩套不同的方案。中國館采用單晶硅太陽能組件,主題館則采用與建筑肌理相吻合的菱形設計方案,鋪設多晶光伏組件,采用多晶硅是深藍色,與主題館顏色相符。主題館中庭屋頂采用了透光型的雙玻組件,在日照充分的白天,將無需打開館內的照明設施。
                    建筑是凝固的音樂,世博“太陽城”必須處處與園區建筑的“韻律”合拍。世博主題館的太陽能屋頂設計,創意取自上海弄堂屋頂的肌理,整體猶如碧波粼粼的海面。標準的電池板都是長方形的,為了鋪出一層層菱形的“碧海微波”的效果,主題館屋頂用了大量形狀不規則的電池組件,它們產生的電壓、電量不同于常規,所以在電池的并聯串聯方式上換了新思路。而且,主題館內部是大跨度空間設計,屋頂承重有限,因此常規的安裝配件被“瘦身”,施工工藝也被革新。
                    主題館太陽能電站將成為亞洲單體建筑最大的太陽能光伏建筑一體化電站。主題館頂部菱形和三角形的晶體片在屋頂層層疊疊,成“折紙”形狀。這些菱形和三角形就是太陽能多晶光伏組件。在屋頂下方的中廳位置,設計者特別采用透光的雙層玻璃組件,讓光線傾瀉而下,讓游客絲毫看不到屋頂太陽能板的痕跡。
            上海世博會中國館250KW高效彩色太陽能發電并網系統安裝在中國館地區屋面“新九州清宴”園林四周,由2736塊高效彩色(紅色、綠色、藍色)太陽能電池組件組成,這是高效彩色太陽能發電系統在建筑上的首次應用。彩色太陽能發電系統既能夠將陽光轉換成清潔電力,又能根據建筑需要拼裝出彩色圖案起到美化裝飾效果,這不僅是光伏建筑一體化(BIPV)應用的一個經典案例,更是光伏環境一體化(EIPV)的一次精彩亮相,是對本屆世博會主題“城市 讓生活更美好”的具體演繹。
                    由于常規太陽能電池只有做成黑色才能保證較高的轉換效率,因此,在常規太陽能電池應用于建筑物的過程中往往就會面臨要么犧牲建筑物的外形美觀,要么犧牲光伏系統的發電效率的兩難困境。光伏建筑一體化的概念需要新的內涵,它必須考慮光伏組件與環境和建筑的協調性。
                    中國館的地區館屋面,是景色宜人的“新九州清宴”園林景觀。如果在風景如畫的園林四周采用傳統太陽能光伏板呈現藍色或黑色將會大煞風景,破壞景觀效果。而采用彩色太陽能光伏板組成的迷彩色 “高效彩色雙玻組件”建成光伏建筑一體化的太陽能發電系統,紅、綠、藍三色電池板圍繞園林四周使其與景觀的色彩和諧統一,這條足有一公里長的太陽能發電系統不僅能為中國館提供250千瓦的清潔電力,更與周圍“新九州清宴”的園林相映成趣,成為世博園中的一大景觀。
                    世博會采用多種色系的太陽能電池,其轉換效率和傳統黑色太陽能電池幾乎沒有區別!斑@使得太陽能發電系統與建筑和環境能夠在更大程度上融為一體。在光伏建筑一體化的基礎上進一步實現了光伏環境一體化。中國館安裝的高效率彩色太陽能發電系統,這是高效率彩色太陽能發電系統在建筑物上的首次應用。
                    太陽能電池從“光伏建筑一體化”正在向“光伏環境一體化”發展。
                    (四)世博臺灣館的神奇之處-調光薄膜 :
                    世博臺灣館外墻玻璃貼有電子調光薄膜,調光薄膜是一種智慧薄膜,直接將薄膜貼合在玻璃上,再經過電壓使得調光薄膜呈現穿透及霧狀,可使玻璃在透明與不透明之間轉換,即使不透明時,採光仍很好,這是目前所有窗簾都無法實現的,並且對光的熱能具有絕緣反射作用,使得室內冬暖夏涼,環保節能。調光薄膜利用液晶的光學特性,實現了薄膜的光電功能。
                    調光薄膜(Smart film)之運用:
                    ◎電子窗廉:?梢宰詣拥乜刂仆腹獬潭。當光線很強時,電子窗簾呈現不透明狀態;隨著光線的逐漸減弱,電子窗簾可呈現半透明狀態;當光線很弱時,電子窗簾則可呈現透明狀態。
                    ◎紅外線觸控面板、與投影機結合.
                    ◎結合全彩LED,可產生美麗的全彩玻璃。
                    ◎結合雷射膜、各式半透明印刷膜,可依據客戶需要顯現任何圖案。
                    ◎結合投影機,可產生懸浮粒子的效果(屏幕在透明狀態)。
                    ◎結合影片或任何的內容提供者及廣告業者,可在任何有透明玻璃的場所使用,讓薄光薄膜產品更具有特色。
                    ◎結合控制系統,上述所有的運用可與調光薄膜完美的搭配。
                    調光薄膜原理:
                    1、 當調光薄膜斷電時,其間的高分子液晶材料無序排列,使光線無法穿透薄膜,這時看到的效果便是乳白的不透明狀態。
                    2、 當調光薄膜通電時,電場作用下薄膜中間的高分子液晶材料有序排列,可使光線能透過薄膜,這時看到的效果便是透明無色的薄膜狀態。
                     (五)日本館柔性光電外墻
                    日本館高約24米,占地面積約6000平方米。展館外部呈半圓型的大穹頂,外層是帶有太陽能發電裝置的超輕 “膜結構”,獨特新穎的鋼網殼雙層膜氣枕結構形成的橢圓形外觀,酷似一只等待破繭而出的紫蠶。日本館的建筑外面鋪設了一層透光的淡紫色ETFE薄膜,構成枕頭狀空間單位。有較好的透光性,膨脹后的枕頭狀內部有太陽能電池板,是一種建筑用的柔性光電薄膜,這層膜,白天能透過陽光,利用太陽能發電,夜晚讓建筑物閃閃發光。在“膜結構”的外表,還形成一層“水膜”,可強化冷暖空氣的流通,減少空調能耗,展館外部透光性高的雙層外膜配以內部的太陽電池,可以充分利用太陽能資源,實現高效導光、發電;展館內將使用循環式呼吸孔道等最新技術。在結構方面,由于日本館采用了屋頂、外墻等結成一體的半圓形的輕型結構,使得施工時對周邊環境影響較小。日本館外圍護結構是柔性光電屋頂和柔性光電幕墻的光電建筑。
                    日本館弧形穹頂上的三個觸角似的排熱塔,當天氣炎熱時,館內制造噴霧,使館內熱量排出,“就像人熱時會出汗一樣” 來讓環境變得清涼。 日本館外墻的光電膜結構,可以使建筑的重量減輕一半。日本館外墻之所以通體透出紫色,這是因為內嵌在ETFE膜中的太陽能光電薄膜都是深紫色的。紫色無論在中國還是在日本,都是代表高貴的顏色,同時,淡淡的紫色極其接近日本館建筑外觀的色調;蠶在中國是長壽的象征,日本館建筑外形成弧形穹頂,宛如一個巨大的蠶繭點綴著世博園。
                    (六)瑞士館智能光電幕墻
                    瑞士館互動型智能光電幕墻是展館的亮點之一,由半透明的鋁網結構帷幕覆蓋,安裝11000塊包含敏化太陽電池的的生物樹脂的智能光電幕墻建筑,光電外墻的紅色圓盤是太陽能光電板,可以利用展館周圍的能量光伏發電,比如太陽能或者照相機閃光燈產生的光能發生反應,從而發出閃光。同時,這些電池可以儲存能量,互為光源,使得帷幕在夜間也能閃光。這種獨特新穎的構思意在表現瑞士館內外的“環境影響“,以此展示我們周圍還有許多未被利用的能源。
                     互動型智能幕墻上太陽能電池板由LED燈、能量源、存儲裝置和耗能裝置組成。每塊太陽能電池板都包含了一張瑞士地圖,
                    每塊太陽能電池均互相獨立,整個幕墻的閃光具有某種程度的不確定性,因而產生一種動態閃光的視覺效果。此外,由于這些電池可以儲存能量,它們之間能互為光源,使得整個展館幕墻在夜間也能閃閃發光。
                    紅色圓形光電組件閃動與電壓關系
                    紅色圓形光電板包含了一塊印制電路板,該電路板由太陽能電池、微處理器、 3個雙層電容器(高能率存儲裝置)、一個快速開關的LED和光感器組成。這些電子元件密封在一個紅色透明的聚碳酸酯容器里,通過它們可與展館幕墻進行互動。印制電路板上的電子線路按照瑞士地圖的形狀設計,一些關鍵的元件對應著主要的城市,如蘇黎世、日內瓦、洛桑等。
                    幕墻上的紅色圓形光電板件每個通過太陽能電池、光感器、LED等的相互配合工作,根據入射光的角度和強度,將光能吸收儲存并轉化為電能,可以獨立發光。這些電池的設計模仿生物細胞,具有自成一體、自我維持的特性,仿佛每個個體都有自己的生命。同時,每個紅色圓形光電板的外圍有一圈天線,用來接收半徑2米以內的信息,也就是說,其它“小太陽”發光時,還可迅速互相傳導發光。在隨意編織的金屬網構成的幕墻上,由于鑲嵌的紅色圓形光電板布局任意、間隔不規則,就出現了每次發光持續的時間不同、范圍不均,閃閃爍爍的奇妙效果!
                    智能幕墻有7種發光模式:日出以后,每分鐘閃1次,互相不傳導;2小時后,每40秒閃1次,互相可傳導;中午時分,進入活躍期,每5秒閃1次;之后光照最強時,大量發光;黃昏時分,其他光源,比如照相機的閃光等,也能激活其發光,但互相已不能傳導;日落后1小時,靠原先儲備的能量,慢慢地發光;日落后5小時,在集中發出一段時間的光之后,原先儲備的能量全部耗盡。
                    為了在世博會上達到良好效果,團隊去年在瑞士做了好幾個實驗墻,分別以20個小單元和200個大單元測試紅色圓形光電板的效果,還專程建氣象站采集了上海的光照數據,進行編程。
            瑞士館科技的眼光加上美好的夢想——展館極大地體現了現代瑞士的特質:追求卓越、不斷創新和高品質的生活,同時也展示了瑞士面向未來、具前瞻性和可持續的發展理念。
                   (七)法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻
                   本屆世博會上,運用太陽能光伏技術的展館不計其數,但在太陽能板下還有潺潺流水的,恐怕只有法國阿爾薩斯案例館“獨此一家”了。通過巧妙運用太陽能發電、水源降溫等技術,這幢金屬鋼架結構的建筑有效實現了冬暖夏涼。從遠處看,法國阿爾薩斯案例館并不如傳統建筑般四四方方,而是與地面呈微微傾斜的角度。從側面看,它的縱剖面有點接近于平行四邊形。其主要看點集中于南立面,斜斜的墻面分為兩部分,一部分是被青枝綠葉覆蓋的“綠墻”,另一部分是一整片玻璃幕墻。
                    水幕館”的原型,來自阿爾薩一所普通高中的太陽能發電墻,在這屆世博會上,科學家進行了豪華升級:傳統概念中,玻璃幕墻是造成現代建筑夏天“溫室效應”的罪魁禍首,但在這里,它卻是使整幢建筑實現冬暖夏涼的關鍵所在。仔細看,玻璃幕墻從外到內包括三個層面,外層為夾層玻璃光伏組件,中間層是個可開可閉的空氣層,最后一層還是玻璃,上面有水流過,構成水幕玻璃。玻璃幕墻上的太陽能光伏發電板面積約為72.2平方米,發電量6600瓦,雖然無法完全滿足這幢3層高建筑的所有能量需求,世博開園的運行情況表明,在和水幕的聯合作用下,室內的空調能耗已經比常規同類建筑少很多。
                    “冬天模式”: 太陽能電池依舊運作,供給空調用電,水幕停止流動,所有的玻璃窗全部關閉,使得中間層成為一個密閉空氣艙。經過陽光照射以及太陽光在光電板上轉換成電并發熱,密閉艙里的空氣被迅速加熱,并源源不斷送往風機,就能持續地給室內各個樓面供暖。
                    夏天模式”: 太陽能電池板產生的電能運行水泵,空氣層玻璃向室外打開,讓從上而下流動的水幕為房子帶走熱量;外層玻璃打開實現通風;同時經位于屋頂的水泵抽送,水幕以每小時48立方米的流速不斷沖刷著內層玻璃,再加上太陽能板產生的陰影,三管齊下,使得中間空氣層的溫度有所降低,從而起到給建筑降溫的作用。此時,太陽能光電板產生的能量將成為水泵的動力來源
            光電建筑在實際運行中,光伏電池的光電轉換效率隨著工作溫度的上升而下降。如果直接將光伏電池鋪設在建筑表面,將會使光伏電池在吸收太陽能的同時,工作溫度迅速上升,導致發電效率明顯下降 。理論研究表明:標準條件下,單晶硅太陽電池在0度時的最大理論轉換效率可到30%。在光強一定的條件下,硅電池自身溫度升高時,硅電池轉換效率約為12%一17%。照射到電池表面上的太陽能83%以上未能轉換為有用能量,相當一部分能量轉化為熱能,從而使太陽能電池溫度升高, 若能將使電池溫度升高的熱量加以回收利用,使光電電池的溫度維持在一個較低的水平,既不降低光電電池轉換效率,又能得到額外的熱收益,于是太陽能光伏光熱一體化系統(PVT系統)應運而生。在建筑的外維護結構外表面設置光伏光熱PVT組件或以光伏光熱PVT構件在提供電力的同時又能提供熱水或實現室內采暖等功能,解決了光伏模塊的冷卻問題,改善了建筑外維護結構得熱,甚至可以使建筑物的室內空調負荷的減少達到50%以上,增加了BIPV的多功能性. 為建筑節能和推廣BIPV系統提供了一種新的思路。法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻是一個較好的案例。
                    法國設計方表示,按照原先設計,在夏季模式下,裝有太陽能板的外層玻璃還能像“向日葵”般跟著太陽改變開啟角度,以求得到最大照射面積,獲得最多的太陽能。由于時間、成本等因素,這項“智能控制”方案最終并未實施。他們樂觀表示,希望將來能在中國的大型公共建筑中看到實際應用。
                    我國太陽能產業究竟該如何發展?光電還是光熱?一直是行業和學術界爭論的課題,光電是從光能轉電能的角度解決能源問題的,光熱是從光能轉熱能的角度解決能源問題,兩者目的是相同的,都是為了節約能源、保護環境。太陽能與建筑的結合,不僅需要光電,也需要光熱。更需要光電光熱有機結合。
                    結 束 語
                    太陽能建筑,是本次上海世博會的最大亮點,成了上海最為靚麗的城市新名片。綜觀世博場館,擯棄既有建筑的耗能弊端,而繽紛異彩的光電建筑促使我們眼前一亮。上海世博會設計應用的太陽能發電項目規模之大、運用的新技術之多,在世博歷史上是空前的。上海世博會對低碳與環保的實踐,不僅令中國受惠,還將為全球帶來新的啟迪,其中光電建筑帶來了新的嘗試、新的看點。它不僅為世博會留下了經認證的綠色財富和低碳世博的理念,亦為未來城市的建筑發展起到了良好的示范作用。
                    全球沒有人能夠置身于氣候變化的挑戰之外,氣候變化已經把人類首次凝聚起來應對共同的敵人。我國面臨著快速城鎮化進程中能源集約化使用的巨大壓力,挑戰和機遇是同在的。巨大的壓力推動未來城市建筑思路的全面創新,以我為主,博采眾長,融會貫通,上海世博會演譯展示了中國的未來城市的低碳能源、低碳建筑、綠色建筑的核心技術----光電建筑,上海世博會站在高科技的肩上觸摸“未來城市讓生活更美好”的建筑。
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