Знание отрасли

Глобальный энергетический кризис и изменение климата становятся всё более серьёзными. Сокращение потребления энергии и повышение энергоэффективности стали глобальным консенсусом. В сфере строительства потребление энергии составляет около 30% от общего мирового потребления, причём основными источниками энергии являются отопление, кондиционирование и освещение. Традиционное энергоснабжение зданий основано на невозобновляемом ископаемом топливе, что не только усугубляет загрязнение окружающей среды, но и приводит к увеличению выбросов парниковых газов. Поэтому оптимизация энергопотребления в зданиях и снижение зависимости от традиционных источников энергии стали важным направлением в области энергосбережения и сокращения выбросов. В то же время, стремительное развитие возобновляемых источников энергии открыло новые возможности для энергосбережения в зданиях, особенно в области солнечных фотоэлектрических технологий. Фотоэлектрические технологии используют солнечную энергию в качестве источника энергии, которая не только является чистой и экологически чистой, но и неисчерпаемой. С развитием технологий стоимость фотоэлектрических технологий снижается из года в год, а эффективность генерации электроэнергии неуклонно растёт, становясь важным средством достижения энергетической самодостаточности зданий и снижения энергопотребления.

1. Основные принципы и состав фотоэлектрического стекла

1.1 Принцип работы фотоэлектрического стекла

Принцип работы фотоэлектрического стекла основан на фотоэлектрическом эффекте, физическом явлении, которое напрямую преобразует солнечную энергию в электрическую. Когда солнечный свет падает на поверхность фотоэлектрического стекла, полупроводниковый материал внутри стекла поглощает фотоны и возбуждает электроны в материале для перехода. В этом процессе электроны переходят с низких энергетических уровней на высокие энергетические уровни и образуют свободные пары электронов и дырок внутри полупроводникового материала. Благодаря особой конструкции электрического поля электроны и дырки разделяются, электроны направляются к отрицательному электроду, а дырки направляются к положительному электроду для образования тока. Этот процесс преобразует солнечную энергию в электрическую и реализует фотоэлектрическую генерацию энергии. Фотоэлектрический эффект является основным принципом генерации энергии фотоэлектрическим стеклом, а также его фундаментальной характеристикой, которая отличает его от традиционного стекла. Традиционное стекло имеет только функцию оптической передачи и не может реализовать преобразование световой энергии в электрическую энергию. Фотоэлектрическое стекло может не только пропускать свет, как обычное стекло, но и преобразовывать часть световой энергии в электрическую, реализуя двойную функцию энергосберегающей выработки энергии. Основное отличие фотоэлектрического стекла от традиционного заключается в том, что оно имеет функцию выработки солнечной энергии, что обусловлено фотоэлектрическими компонентами, интегрированными в фотоэлектрическое стекло. Традиционное стекло в основном используется для освещения, теплоизоляции и защиты зданий, в то время как фотоэлектрическое стекло имеет двойную функцию выработки электроэнергии и использования в качестве строительного материала. По сравнению с традиционными фотоэлектрическими компонентами, фотоэлектрическое стекло может быть полностью интегрировано в поверхность здания, что снижает потребность в дополнительном оборудовании и затраты на установку. Фотоэлектрическое стекло имеет различные коэффициенты пропускания света и может быть изготовлено на заказ в соответствии с функциональными требованиями здания для достижения сочетания эстетики и функциональности. Эта особенность позволяет фотоэлектрическому стеклу постепенно завоевывать внимание в современном зеленом проектировании зданий и становиться важным материалом для содействия сочетанию возобновляемой энергии и архитектуры.

1.2 Базовая структура фотоэлектрического стекла

Базовая структура фотоэлектрического стекла включает в себя подложки, фотоэлектрические модули и слои обработки поверхности. Выбор подложки имеет решающее значение для производительности фотоэлектрического стекла. Как правило, используются стеклянные подложки с высокой механической прочностью, атмосферостойкостью и светопропусканием, такие как ультрабелое стекло. Ультрабелое стекло может эффективно повысить эффективность поглощения солнечной энергии благодаря низкому содержанию железа и высокому светопропусканию. Материал подложки должен обладать высокой термостойкостью и стойкостью к УФ-излучению для обеспечения стабильной работы при длительном использовании. Обработка поверхности подложки также является важным фактором повышения производительности фотоэлектрического стекла. Благодаря технологии поверхностного покрытия или нанопокрытия фотоэлектрическое стекло может улучшить светопропускание, улучшить антибликовые характеристики и, таким образом, повысить эффективность фотоэлектрического преобразования. Метод интеграции фотоэлектрических модулей является важной частью фотоэлектрического стекла. Обычно фотоэлектрические модули фотоэлектрического стекла реализуются путем встраивания высококачественных кремниевых или тонкопленочных ячеек в стеклянный слой. Высококачественные кремниевые элементы широко используются в высокопроизводительном фотоэлектрическом стекле благодаря своей высокой эффективности фотоэлектрического преобразования, в то время как тонкопленочные элементы подходят для архитектурных сцен, требующих высокого светопропускания, благодаря своей легкости и гибкости. Фотоэлектрические модули могут достигать эффективного преобразования электроэнергии, сохраняя основные характеристики стекла за счет тесной интеграции со стеклом. Конструкция интегрированного режима должна не только обеспечивать эффективность генерации энергии фотоэлектрическими модулями, но и учитывать эстетику и долговечность здания. Поэтому для фотоэлектрического стекла обычно используется технология ламинирования для встраивания фотоэлектрических модулей в многослойные структуры, что обеспечивает плотное прилегание фотоэлектрических элементов к стеклу посредством процессов обработки при высоких температурах и давлении, тем самым повышая общую механическую прочность и устойчивость к атмосферным воздействиям.

2. Применение фотоэлектрического стекла в энергосбережении зданий

2.1. Состояние применения технологии интеграции фотоэлектрических систем в зданиях

Фотоэлектрическое стекло, как основной элемент технологии интегрированной фотоэлектрической энергии в зданиях (BIPV), в последние годы привлекло большое внимание в архитектурном дизайне. Технология BIPV объединяет фотоэлектрическое стекло со строительными компонентами, так что оно не только выполняет функцию генерации электроэнергии, но и учитывает красоту и функциональность здания. Фотоэлектрическое стекло, как прозрачный или полупрозрачный строительный материал, может заменить традиционные навесные стены, крыши и окна, чтобы достичь идеальной интеграции фотоэлектрической энергии и архитектурного дизайна. В отличие от традиционных фотоэлектрических модулей, которые необходимо устанавливать на поверхности здания, фотоэлектрическое стекло может быть непосредственно интегрировано в конструкцию здания, избегая сложности строительства и дополнительных затрат, связанных с повторной установкой. Поскольку фотоэлектрическое стекло имеет множество форм внешнего вида, оно обладает большей гибкостью в архитектурном дизайне и может быть настроено в соответствии с эстетическими потребностями различных зданий, предоставляя зданиям большую степень свободы дизайна. В области энергосбережения в зданиях преимущество технологии BIPV заключается в том, что она позволяет максимально увеличить площадь фасада здания, превратив его в зону производства возобновляемой энергии, что значительно повышает общую степень энергетической самодостаточности здания. В настоящее время применение фотоэлектрического стекла во всем мире постепенно расширилось от однофункциональной фотоэлектрической генерации до комплексной концепции проектирования экологичных и интеллектуальных зданий, став одним из ключевых элементов устойчивого проектирования зданий. Будь то «здание с положительной энергией», продвигаемое в Европе, или проектирование навесных фасадов некоторых сверхвысотных зданий, комплексное применение фотоэлектрического стекла показало значительный энергосберегающий эффект. Благодаря разумному проектированию и применению, фотоэлектрическое стекло может не только помочь зданиям достичь энергетической самодостаточности, но и значительно повысить уровень энергосбережения при сохранении целостности конструкции здания. Это также важное направление для развития экологичных зданий в будущем.

2.2 Механизм фотоэлектрического стекла в энергосбережении зданий

Фотоэлектрическое стекло преобразует солнечную энергию в электрическую посредством фотоэлектрического эффекта, снижая зависимость здания от внешней энергии и оказывая двойной эффект: улучшение характеристик освещения и теплоизоляции здания. Механизм его действия можно проанализировать с двух сторон: функция генерации электроэнергии и улучшение тепловой среды здания. Во-первых, функция генерации электроэнергии фотоэлектрическим стеклом эффективно снижает потребление энергии зданиями. Например, в коммерческом офисном здании с фотоэлектрическим стеклянным навесным фасадом, если общая площадь наружной стены здания составляет 2000 м2, 1000 м2 из нее покрыты фотоэлектрическим стеклом. Если предположить, что эффективность фотоэлектрического преобразования фотоэлектрического стекла составляет 15%, среднегодовая солнечная освещенность в районе, где расположено здание, составит 1000 кВт⋅ч/м2. В этом случае фотоэлектрическое стекло может вырабатывать электроэнергию в год: 1000 м² x 1000 кВт·ч/м² x 15% – 150 000 кВт·ч, что эквивалентно годовой выработке 150 000 кВт·ч электроэнергии в здании. Если общая годовая потребность здания в электроэнергии составляет 500 000 кВт·ч, фотоэлектрическое стекло обеспечивает около 30% её потребления, значительно сокращая потребление энергии извне. Во-вторых, фотоэлектрическое стекло также обладает значительными теплоизоляционными характеристиками, что позволяет снизить нагрузку на кондиционирование воздуха в здании. Фотоэлектрическое стекло может уменьшить проникновение солнечного тепла благодаря использованию специальных низкоэмиссионных покрытий и оптимизированных материалов. Возьмём в качестве примера то же офисное здание: если используемое фотоэлектрическое стекло может снизить тепловое излучение от солнечной радиации на 30%, а общая нагрузка на кондиционирование воздуха в здании составляет 200 000 кВт·ч/год, то нагрузка на кондиционирование, которую можно снизить ежегодно, составит: 200 000 x 30% - 60 000 кВт·ч. Таким образом, фотоэлектрическое стекло не только снижает потребление электроэнергии за счёт её генерации, но и дополнительно снижает её потребление за счёт улучшения теплового режима.

2.3 Потенциал применения фотоэлектрического стекла в различных типах зданий

Потенциал применения фотоэлектрического стекла в различных типах зданий особенно очевиден в коммерческих зданиях. Современные коммерческие здания, особенно высотные здания и крупные торговые центры, имеют большие площади остеклённых фасадов, которые являются идеальной площадкой для установки фотоэлектрического стекла. Интеграция фотоэлектрического стекла в фасад здания позволяет не только полностью использовать поверхность здания для выработки электроэнергии, но и удовлетворить комплексные потребности коммерческих зданий в освещении, эстетике и защите окружающей среды. Особенно в крупных коммерческих зданиях, расположенных в центральной части города, применение фотоэлектрического стекла может эффективно повысить уровень сертификации экологичных зданий и повысить конкурентоспособность коммерческих зданий на рынке с высоким уровнем экологической сознательности. В жилых зданиях применение фотоэлектрического стекла также имеет широкие перспективы. С ростом осведомлённости жителей об энергосбережении и защите окружающей среды, а также развитием технологий распределённой энергетики, всё больше жилых зданий начинают оснащаться фотоэлектрическими системами. Фотоэлектрическое стекло, как красивое и практичное решение, может использоваться в таких областях, как окна и балконные ограждения. Благодаря фотоэлектрическому стеклу жилые здания могут достичь энергетической самодостаточности, не жертвуя эстетикой. Энергосберегающие и экологические функции фотоэлектрического стекла, особенно в случае односемейных вилл и элитных жилых проектов, постепенно стали важным фактором повышения стоимости жилых зданий. В общественных зданиях потенциал применения фотоэлектрического стекла в первую очередь отражается в его устойчивости и символическом значении. Общественные здания, такие как правительственные здания, учебные заведения и музеи, обычно привлекают большое внимание общественности. Применение фотоэлектрического стекла может не только продемонстрировать экологичность и экологичность здания, но и установить ориентир для устойчивого развития. В этих зданиях фотоэлектрическое стекло может не только удовлетворить ежедневные энергетические потребности здания, но и подчеркнуть его современный вид благодаря прозрачности или полупрозрачности, тем самым улучшая его внешний вид. Будь то коммерческие здания, жилые дома или общественные здания, нельзя игнорировать потенциал применения фотоэлектрического стекла в области энергосбережения в будущем.

3. Перспективы применения фотоэлектрического стекла в энергосбережении зданий

3.1 Фотоэлектрическая навесная стена

Фотоэлектрическая навесная стена предполагает интеграцию фотоэлектрических стеклянных компонентов непосредственно в наружную стену здания для достижения большой площади солнечной генерации на поверхности здания. В будущих высотных зданиях фотоэлектрические навесные стены станут важной энергосберегающей технологией. Они могут не только удовлетворить основные потребности в материалах для наружных стен здания, такие как ветроизоляция, защита от дождя, теплоизоляция и другие функции, но и эффективно использовать ресурсы солнечной энергии для выработки электроэнергии. В современных высотных зданиях фотоэлектрические навесные фасадные системы широко используются в дизайне наружных стен для достижения сочетания функций энергосбережения и генерации электроэнергии. В практическом случае, на южном фасаде коммерческого офисного здания в Шанхае площадью около 5000 м2 была установлена система фотоэлектрических стеклянных навесных стен общей площадью 1000 м2. Каждый квадратный метр фотоэлектрического стекла может генерировать около 150 Вт электроэнергии, а общая мощность выработки электроэнергии всей навесной стены может достигать 150 кВт. Эта фотоэлектрическая система навесного фасада обеспечивает здание возобновляемой энергией, интегрируясь в электросеть здания и снижая зависимость от городской электросети. Система не только обладает хорошей светопропускаемостью, но и позволяет эффективно снизить потребность в дневном освещении внутри помещения. В сочетании с интеллектуальной системой управления интенсивностью освещения она может дополнительно снизить энергопотребление здания.

3.2 Фотоэлектрические световые люки и мансардные окна

Фотоэлектрические световые люки и мансардные окна имеют широкие перспективы применения в крупных общественных зданиях, таких как торговые центры, вокзалы и аэропорты. Это фотоэлектрическое стекло может не только удовлетворить потребность здания в освещении, но и реализовать функцию генерации солнечной энергии, чтобы объединить естественное освещение с использованием энергии. В недавно построенном музее в Мюнхене, Германия, фотоэлектрические световые люки и система световых люков были успешно применены в центральной части зала здания, с площадью светового люка 600 м2. Мощность каждого квадратного метра фотоэлектрического стекла составляет 120 Вт, а общая мощность составляет 72 кВт. Этот фотоэлектрический световой люк может не только эффективно обеспечивать естественным освещением музей, снижать потребность в внутреннем освещении, но и обеспечивать экологически чистую энергию для систем кондиционирования и освещения здания за счет выработки электроэнергии. Благодаря использованию специального полупрозрачного фотоэлектрического стекла свет мягко проникает в помещение, не вызывая чрезмерного прямого солнечного света и повышения температуры, что повышает комфорт посетителей. Практическое применение этой системы не только позволяет достичь значительного эффекта энергосбережения, но и становится удачным примером сочетания фотоэлектрических технологий и архитектурной эстетики.

3.3 Фотоэлектрические солнцезащитные устройства и жалюзи Фотоэлектрическое стекло будет широко использоваться в качестве солнцезащитных устройств и жалюзи в будущих зданиях, особенно в жилых и офисных зданиях. Они не только выполняют функции традиционного солнцезащитного оборудования, могут эффективно регулировать освещенность в помещении и блокировать чрезмерный солнечный свет, но и используют фотоэлектрическое стекло для преобразования световой энергии в электрическую для достижения двойной функции выработки электроэнергии и солнцезащиты. В умном доме в Калифорнии дизайнер применил инновационное решение фотоэлектрических солнцезащитных устройств и жалюзи. На внешней стороне окон, выходящих на юг, была установлена система регулируемых фотоэлектрических жалюзи площадью 200 м2. Эти жалюзи не только выполняют функцию солнцезащиты, но и могут вырабатывать электроэнергию при достаточном солнечном свете. Мощность генерации каждого квадратного метра жалюзи составляет 100 Вт, а общая мощность генерации составляет 20 кВт. Благодаря интеллектуальной системе управления фотоэлектрические жалюзи могут автоматически регулировать угол наклона, чтобы уменьшить солнечное излучение, попадающее в помещение летом, и снизить потребление энергии на кондиционирование воздуха. Зимой угол наклона жалюзи будет регулироваться, чтобы максимально эффективно использовать солнечную энергию для выработки электроэнергии, одновременно обеспечивая проникновение естественного света в помещение для улучшения освещения. Эта двухфункциональная фотоэлектрическая система самораскладывающихся окон значительно повышает энергоэффективность дома и становится примером экологичного жилья будущего.

3.4 Фотоэлектрическая крыша

В будущих экологичных зданиях фотоэлектрическое стекло будет широко использоваться в конструкции крыш. По сравнению с традиционными фотоэлектрическими панелями, фотоэлектрическое стекло более прозрачно и красиво, и подходит для реконструкции крыш жилых домов, школ, стадионов и других зданий. Таким образом, здание может не только достичь собственной энергетической самодостаточности, но и выдавать излишки электроэнергии в энергосистему, что еще больше способствует использованию возобновляемых источников энергии. В экологической школе на юге Франции фотоэлектрическая система крыши широко используется в архитектурном дизайне всего здания школы. Общая площадь крыши составляет 2000 м2. Используются высокоэффективные фотоэлектрические стеклянные панели. Мощность генерации каждого квадратного метра фотоэлектрических стеклянных панелей составляет 180 Вт, а общая мощность генерации всей системы — 360 кВт. Эта фотоэлектрическая крыша не только обеспечивает достаточное количество энергии для ежедневного потребления школы, но и передает излишки электроэнергии в энергосистему, создавая экономическую выгоду. При проектировании фотоэлектрической крыши учитывались эстетика и функциональность здания. Благодаря точному проектированию угла наклона крыша может максимально эффективно использовать солнечное излучение в любое время года. Установка фотоэлектрической крыши значительно экономит электроэнергию для школы и способствует достижению целей энергосбережения и устойчивого развития.

4 Заключение

В будущем инновации в области материалов для фотоэлектрического стекла станут ключом к улучшению его характеристик. Новые фотоэлектрические материалы, такие как фотоэлектрические материалы с квантовыми точками и перовскитные материалы, обладают более высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования и лучшими оптическими свойствами, что, как ожидается, значительно повысит мощность генерации фотоэлектрического стекла. Применение прозрачных проводящих пленок и нанотехнологий также позволит фотоэлектрическому стеклу достичь лучшего баланса между светопропусканием, производительностью генерации электроэнергии и эстетикой, что еще больше способствует его применению в энергосбережении зданий. С популяризацией Интернета вещей и технологий интеллектуальных зданий фотоэлектрическое стекло в будущем будет не только устройством генерации электроэнергии, но и интегрировать интеллектуальную систему регулировки для достижения связи с системой управления энергопотреблением здания. Умное фотоэлектрическое стекло может автоматически регулировать свои характеристики фотоэлектрического преобразования и пропускания света в зависимости от внешнего освещения, температуры и других факторов окружающей среды, обеспечивая более эффективное управление энергопотреблением и комфортную среду в помещении.