中國金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會光電建筑應(yīng)用委員會專家 
龍 文 志

    世博會對推動建筑技術(shù)的創(chuàng)新可謂功不可沒。歷屆世博會都力求展示當(dāng)下世界科技領(lǐng)域最前沿的研究成果，就像一個最新科技的斗秀場。世博會上出現(xiàn)的新興技術(shù)為我們展示了未來建筑技術(shù)發(fā)展的新趨勢。
    中國的城鎮(zhèn)化正處在一個關(guān)鍵時刻。改革開放之初，中國城鎮(zhèn)化率只有17%，現(xiàn)在已近47%。今后25年到30年，是中國城鎮(zhèn)化一個飛速發(fā)展的時期，城鎮(zhèn)化不僅是中國面臨的大問題，也是世界面臨的大問題。因為發(fā)展中國家在崛起的過程當(dāng)中，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化是齊頭并進(jìn)的，城鎮(zhèn)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(jī)會，150多個國家，50多個國際組織到這兒來展現(xiàn)他們的理念。
    上海世博會開幕之際，正逢一場新能源革命席卷全球之時。最能代表未來城市發(fā)展的低耗能建筑---太陽能建筑在上海世博會上大放異彩，昭示著光電建筑在未來城市的發(fā)展中將異軍突起。
    由“世博科技行動計劃”設(shè)立專項研究的世博會太陽能應(yīng)用科技創(chuàng)新涉及世博園區(qū)中國館、主題館光伏建筑一體化關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。它包括中國館、主題館太陽能與建筑結(jié)合技術(shù)和光伏建筑一體化組件技術(shù)。世博會永久場館中國館、主題館光伏建筑一體化并網(wǎng)電站建成后，將成為目前亞洲和中國總?cè)萘课痪忧傲械墓夥ㄖ惑w化并網(wǎng)電站。主題館光伏建筑一體化并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)?？蛇_(dá)2.5 兆瓦，將是國內(nèi)單體建筑上最大容量的光伏建筑一體化并網(wǎng)系統(tǒng)；中國館光電建筑則是結(jié)合具有傳統(tǒng)中國特色建筑建造的BIPV 并網(wǎng)電站。這不僅是世博會一個嶄新的科技亮點(diǎn)，還必將成為我國BIPV 并網(wǎng)光伏發(fā)電領(lǐng)域的成功典范。
    此外，世博中心、南市電廠和滬上生態(tài)家等場館都將建立光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。整座世博園的太陽能光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)4.5 兆瓦，預(yù)計每年可節(jié)電約420 萬千瓦時，減排二氧化碳約4100t。集中使用，是上海世博會太陽能技術(shù)的一大特點(diǎn)。
    世博園區(qū)太陽能發(fā)電項目實(shí)現(xiàn)智能化，基本上不需要人工操作，太陽升起時即開機(jī)發(fā)電，太陽落山后則自動關(guān)機(jī)，陰雨天氣時發(fā)電效率雖受一定影響，但也能照常開機(jī)發(fā)電。
    上海世博園區(qū)太陽能發(fā)電項目在設(shè)計和施工過程中，充分考慮到太陽能光伏電站發(fā)電效率的優(yōu)化與世博建筑美學(xué)的統(tǒng)一，屋頂平面采用單晶硅光伏組件與綠化間隔鋪設(shè)的布置，屋頂設(shè)備間南墻立面采用光伏遮陽組件，達(dá)到了既美觀又節(jié)能的效果。
    世博會上太陽能技術(shù)的應(yīng)用和太陽能科技成果的展示使人們能夠看到并體驗到太陽能技術(shù)給人類生活帶來的變化。在此前的兩屆世博會上，均對太陽能的應(yīng)用作了初步展示，而上海世博會的光伏應(yīng)用，則將人們對這一技術(shù)的研究探索和應(yīng)用推向高潮。
    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m²，其中鋪設(shè)太陽能板面積達(dá)3 萬m²，建成后總發(fā)電量達(dá)2.5 兆瓦，使主題館成為一座兆瓦級的太陽能“綠色工廠”。主題館選用晶體硅太陽電池組件，太陽板間距僅2 mm。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。
    主題館菱形鋪設(shè)的深藍(lán)色多晶光伏組件與建筑的肌理和顏色協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在屋頂下方的中廳，設(shè)計者特別采用了透光的雙層玻璃組件，讓光線傾瀉而下，日照充分時，無需打開館內(nèi)的照明設(shè)施，而游客也看不到屋頂太陽能板的痕跡。。
    世博主題館太陽能屋頂設(shè)計的創(chuàng)意取自上海弄堂屋頂?shù)募±?，整體猶如碧波粼粼的海面。標(biāo)準(zhǔn)的電池板都是長方形的，為了鋪出 “碧海微波”的效果，主題館屋頂用了大量形狀不規(guī)則的電池組件，它們產(chǎn)生的電壓、電量不同于常規(guī)，所以在電池的并聯(lián)串聯(lián)方式上換了新思路。而且，主題館內(nèi)部是大跨度空間設(shè)計，屋頂承重有限，因此常規(guī)的安裝配件被“瘦身”，施工工藝也被革新。

圖1主題館光電屋頂

圖2 世博主題館頂部太陽能板

    世博會中國館彩色光電屋頂
    上海世博會中國館250千瓦高效彩色太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)安裝在中國館地區(qū)屋面“新九州清宴”園林四周，由2736塊高效彩色（紅色、綠色、藍(lán)色）太陽能電池組件組成，這是高效彩色太陽能發(fā)電系統(tǒng)在建筑上的首次應(yīng)用。彩色太陽能發(fā)電系統(tǒng)既能夠?qū)㈥柟廪D(zhuǎn)換成清潔電力，又能根據(jù)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(yīng)用的一個經(jīng)典案例，更是光伏環(huán)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(guī)太陽能電池只有做成黑色才能保證較高的轉(zhuǎn)換效率，因此，在常規(guī)太陽能電池應(yīng)用于建筑物的過程中常會面臨要么犧牲建筑物的美觀，要么犧牲光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的兩難困境。光伏建筑一體化的概念需要新的內(nèi)涵，它必須考慮光伏組件與環(huán)境和建筑的協(xié)調(diào)性。
    中國館的地區(qū)館屋面，是景色宜人的“新九州清宴”園林景觀。如果采用傳統(tǒng)太陽能光伏板呈現(xiàn)藍(lán)色或黑色將會大煞風(fēng)景，破壞景觀效果。而采用彩色太陽能光伏板組成的迷彩“高效彩色雙玻組件”建成光伏建筑一體化的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，紅、綠、藍(lán)三色電池板圍繞園林四周，與景觀的色彩和諧統(tǒng)一，這條足有一公里長的太陽能發(fā)電系統(tǒng)不僅為中國館提供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，也是高效率彩色太陽能發(fā)電系統(tǒng)在建筑物上的首次應(yīng)用。

圖3上海世博會中國館彩色光電屋頂

圖4上海世博會中國館彩色光電屋頂與“新九州清宴”園林相映

圖5上海世博會中國館彩色光電屋頂安裝

圖6上海世博會中國館彩色光電屋頂安裝

    臺灣館的神奇——調(diào)光薄膜
    上海世博會臺灣館外墻玻璃貼有電子調(diào)光薄膜，調(diào)光薄膜是一種智能薄膜，直接將薄膜貼合在玻璃上，再經(jīng)過電壓使得調(diào)光薄膜呈現(xiàn)穿透及霧狀，可使玻璃在透明與不透明之間轉(zhuǎn)換，即使不透明時，采光效果也很好，對光的熱能具有絕緣反射作用，使得室內(nèi)冬暖夏涼，環(huán)保節(jié)能。調(diào)光薄膜利用液晶的光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了薄膜的光電功能。

圖7上海世博會臺灣館調(diào)光薄膜不透光遮蔽內(nèi)景

圖8上海世博會臺灣館調(diào)光薄膜透光顯示內(nèi)景

圖9上海世博會臺灣館調(diào)光薄膜不透光外景

    日本館柔性光電外墻
   上海世博會日本館高約24m，占地面積約6000m²，呈半圓型的大穹頂，外層是帶有太陽能發(fā)電裝置的超輕 “膜結(jié)構(gòu)”，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(fā)電，夜晚讓建筑物閃閃發(fā)光。

圖10上海世博會日本館柔性光電外墻俯瞰

圖11上海世博會日本館柔性光電外墻側(cè)視

    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(diǎn)之一，由半透明的鋁網(wǎng)結(jié)構(gòu)帷幕覆蓋，安裝11000塊包含敏化太陽電池的生物樹脂智能光電幕墻建筑。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(fā)電，比如對太陽能或者照相機(jī)閃光燈產(chǎn)生的光能發(fā)生閃光的反應(yīng)。同時，這些太陽電池可以儲存能量，并互為光源，使得帷幕在夜間也能閃光。這種獨(dú)特新穎的構(gòu)思意在提醒：我們身邊有許多未被利用的能量。

圖12上海世博會瑞士館互動智能光電幕墻

圖13上海世博會瑞士館互動智能光電幕墻

    法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻
    上海世博會運(yùn)用太陽能光伏技術(shù)的展館很多，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了。通過巧妙運(yùn)用太陽能發(fā)電、水源降溫等技術(shù)，這幢金屬鋼架結(jié)構(gòu)的建筑有效實(shí)現(xiàn)了冬暖夏涼。其主要看點(diǎn)集中于南立面，傾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(fā)電墻。在這屆世博會上，科學(xué)家進(jìn)行了豪華升級：傳統(tǒng)概念中，玻璃幕墻是造成現(xiàn)代建筑夏天“溫室效應(yīng)”的罪魁禍?zhǔn)?，但在這里，它卻是整幢建筑實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼的關(guān)鍵所在。玻璃幕墻從外到內(nèi)包括三個層面，外層為夾層玻璃光伏組件，中間層是可開可閉的空氣層，最后一層是玻璃，上面有水流過，構(gòu)成水幕玻璃。玻璃幕墻上的太陽能光伏發(fā)電板面積約為72.2m²，發(fā)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，但運(yùn)行情況表明，在與水幕的聯(lián)合作用下，室內(nèi)的空調(diào)能耗已經(jīng)比常規(guī)同類建筑少很多。
    “冬天模式”： 太陽能電池依舊運(yùn)作，供給空調(diào)用電，水幕停止流動，所有的玻璃窗全部關(guān)閉，中間層成為一個密閉空氣艙。經(jīng)過陽光照射以及太陽光在光電板上轉(zhuǎn)換成電并發(fā)熱，密閉艙里的空氣被迅速加熱，并源源不斷送往風(fēng)機(jī)，就能持續(xù)地給室內(nèi)各個樓面供暖。
    夏天模式”： 太陽能電池板產(chǎn)生的電能運(yùn)行水泵，讓從上而下流動的水幕為房子帶走熱量；空氣層玻璃向室外打開通風(fēng)。
    光電建筑在實(shí)際運(yùn)行中,光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨著工作溫度的上升而下降。理論研究表明:標(biāo)準(zhǔn)條件下,單晶硅太陽電池在0度時的最大理論轉(zhuǎn)換效率可到30％。在光強(qiáng)一定的條件下，硅電池自身溫度升高時，硅電池轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為有用能量，相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，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(zhuǎn)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(tǒng)(PVT系統(tǒng))應(yīng)運(yùn)而生。在建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面設(shè)置光伏光熱PVT組件或以光伏光熱PVT構(gòu)件在提供電力的同時又能提供熱水或?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)得熱,甚至可以使建筑物的室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的大量減少，增加了BIPV的多功能性， 為建筑節(jié)能和推廣BIPV系統(tǒng)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。

圖14上海世博會法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻

圖15上海世博會法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻

圖16上海世博會法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻

    結(jié) 束 語
    太陽能建筑是本次上海世博會的最大亮點(diǎn)，而太陽能發(fā)電項目規(guī)模之大、運(yùn)用的新技術(shù)之多，在世博歷史上也是空前的。上海世博會對低碳與環(huán)保的實(shí)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(diǎn)。