建筑外立面膜基有机光伏系统及安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及IPC国际专利分类E04F建筑物的装修工程中收集和利用太阳能技术，尤其是建筑外立面膜基有机光伏系统及安装方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中，光伏电池可藉由光伏效应将阳光的能量转换成电力，且光伏电池所组成元件可用于制作光伏模块或太阳能面板。在众多能源中，太阳能光伏发电是新能源和可再生能源中最具技术含量和发展前途的方式。而常见的太阳能电池组件是由光伏玻璃、晶体硅电池片阵列、胶膜、背板、铝边框、接线盒等组成的在阳光照射下将光能转化为电能的装置。
[0003]BIPV(Building Integrated PV)是将太阳能发电(光伏)产品与建筑集成为一体的技术，使光伏发电成为建筑物的基本组成部分。BIPV产品包括:光伏幕墙、光伏采光顶、光伏车棚等多种形式。可以替代现有幕墙形式，如玻璃幕墙、陶土幕墙和金属幕墙。随着光伏产业的的兴起，将光伏应用于建筑是未来发展的一种趋势，这就是建筑光伏一体化(BIPV，Building Integrated Photovoltaic)技术，20 世纪 90 年代以来，日本、欧洲、美国等发达地区在“光伏屋顶计划”的激励下，建筑光伏系统逐渐规模化推广应用，2009年底已出现多处建筑光伏系统高密度、多点接入局部配电网的区域，如拥有3500户的荷兰海尔许霍瓦德SMW太阳能社区、拥有550户日本太田市2.2丽的光伏示范区、拥有144户美国加州罗克林地区345kW示范区等。我国建筑光伏系统应用虽刚刚起步，但是发展十分迅速，2009年底建筑光伏系统累计装机容量达到73MW，占我国光伏累计装机容量(300MW)的24%。与传统的太阳能组件使用方式相比，光伏建筑一体化有众多优势:例如光伏建筑一体化使建材的一部分变成了要样能组件的组成部分，节省了太阳能组件的成本；还可以有效地利用阳光照射的空间，节省土地资源；所发电力首先为本建筑物使用，即可原地发电原地使用，可节省电站送电网的投资和减少输电损耗。但是在光伏建筑一体化中对太阳能组件的性能有着更高的要求，尤其是冲击强度要达到玻璃幕墙的要求。光伏幕墙集合了光伏发电技术和幕墙技术，是集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材，充分体现了建筑的智能化与人性化特点。
[0004]早期应用的代表性技术为光伏幕墙，但最终的效果受限于光伏材料本身的性能不足。尽管已有安装在建筑物外墙的太阳能玻璃幕墙发电装置，但玻璃幕墙不能保留传统建筑风格。安装玻璃幕墙不但成本高，而且还导致建筑通风、透气、透光功能差，影响室内人体健康。有些建筑根本不适合安装太阳能玻璃幕墙发电。另外，由于建设大规模光伏幕墙的初期投资成本较高，另外还需要改变设计师传统的设计观念，推广起来难度较大。在BIPV技术的应用中，光伏模块被制造成与建筑材料，如窗户、屋顶与外墙材料等一体成形。目前可供利用的光伏电池大多由块状材料，诸如结晶硅或多晶硅材料所组成。在BIPV材料中所包含的块状光伏电池多为非透明材料，因此只限于应用在遮光板、屋顶或外墙等材料。然而，由于BIPV窗户材料或玻璃幕墙必须为透明材质，而且最好在可见光谱内能够反射出建筑师与客户在美学偏好方面所欲呈现的颜色。因此，迄今仍有待开发出新的技术来解决上述种种冋题。
[0005]目前，国内外现行业的BIPV电池组件主要有两种:一种是普通的双波电池组件，另一种为中空光伏组件。普通的双波电池组件也称为第一代BIPV电池组件，它是以钢化玻璃代替光伏组件背面保护材料并且采用胶膜进行封装。这种BIPV电池组件毫无疑问的打破了光伏行业与建筑行业的技术壁皇，但也存在着许多直接制约BIPV电池组件发展的弊端。首先是隔热能力:能量的传递无非有三种辐射传递、对流传递和传导传递，在BIPV组件应用于建筑物时，由光照产生的热量和电池组件发电产生的热量会通过玻璃的传导效应直接传入建筑物内部，这就大大的增加的建筑物的耗能，又由于电池组件的发电效率随表面温度升高而降低，使得电池组件的发电效率降低，而且玻璃的隔音效果是非常差，直接在建筑物上使用第一代BIPV电池组件还需附加使用隔音、隔热装置和密封。中空光伏组件也称为第二代BIPV电池组件，这种新型电池组件是在将普通电池组件与钢化玻璃或者普通玻璃进行中空，在中空层中添加惰性气体然后进行密封并在中空层中添加一定量得干燥剂。这样的设计成功的将电池组件融入了建筑材料中，也达到了建筑材料的隔热、隔音和防火等技术要求。高性能中空光伏组件，由于有一层特殊的金属膜，可达到0.22-0.49遮蔽系数，使室内冷气空调负载减轻。传热系数1.4-2.8W (m2.K)。对减轻室内暖气负荷，同样发挥很大效率。因此，窗户开得越大，节能效果越明显。高性能中空光伏组件可以拦截由太阳射到室内的相当的能量，因而可以防止因辐射热引起的不舒适感和减轻夕照阳光引起的目眩。高性能中空光伏组件有多种色彩，可以根据需要选用色彩，以达到更理想的艺术效果。适用于办公大楼、展览室、图书馆等公共设施和像计算机房、精密仪器车间、化学工厂等要求恒温洹湿的特殊建筑物。另外也可以用于防晒和防夕照目眩的地方。但由于中空光伏组件的外层玻璃是由光伏组件构成，光伏组件在发电过程中会产生大量的热，这些热由于中空光伏组件的中空层无法被排出，热量的堆积会导致中空层气体膨胀，进而会导致中空光伏组件的破裂，并且由于温度过高会直接影响光伏电池的发电效率。故使得中空光伏组件在利用和应用上颇受争议。
[0006]目前太阳能电池组件发电主要安装在建筑物屋顶，太阳能电池组件安装在屋顶发电有很大的局限性，因使用面积小，发电量有限。对于太阳能发电材料的输出单位，Wp-太阳能发电的峰值功率，即IKWp表示光照强度足够充足的情况下，I小时发电lKWh。
[0007]进入21世纪以来，光伏行业取得了较快的发展。薄膜太阳能电池较传统的晶体硅电池，在光伏建筑一体化领域有着独特的优势。大力研发薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化领域的应用就显得尤为的重要。
[0008]目前薄膜光伏建筑一体化组件的生产一般采用类似于生产普通晶硅太阳能组件的工艺，用EVA作为粘结玻璃和电池片的胶膜，采用层压机一次层压成型。这种生产工艺速度慢效率低，且生产的光伏建筑一体化组件作为玻璃幕墙，其强度偏低。目前光伏电池研宄的方向是开发高效低成本的电池材料和制造技术。有机太阳能电池正受到普遍关注。
[0009]有机太阳能电池是成分全部或部分为有机物的太阳能电池，他们使用了导电聚合物或小分子用于光的吸收和电荷转移。有机物的大量制备、相对价格低廉，柔软等性质使其在光伏应用方面很有前途。通过改变聚合物等分子的长度和官能团可以改变有机分子的能隙，有机物的摩尔消光系数很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池的主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差和强度低。按照结构和光伏机理，有机太阳能电池可分为肖特基有机电池、异质结有机电池和染料敏化电池；按照使用材料的物理状态，有机太阳能电池也可分为染料敏化电池和全固态有机太阳能电池，全固态有机太阳能电池又可以分为有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池。相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池具有如下优点:(I)与无机太阳能电池使用的材料相比，有机半导体材料的原料来源广泛易得、廉价，环境稳定性高，有良好的光伏效应、材料质量轻、较高的吸收系数(通常> 105CH1-1)、有机化合物结构可设计且制备提纯加工简便、加工性能好，易进行物理改性等。(2)有机太阳能电池制备工艺更加灵活简单，可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜，还可采用印刷或喷涂等方式，生产中的能耗较无机材料更低，生产过程对环境无污染，且可在柔性或非柔性衬底上加工，具有制造面积大、超薄、廉价、简易、良好柔韧性等特点。(3)有机太阳能电池产品是半透明的，便于装饰和应用，色彩可选。
[0010]有机聚合物光伏电池采用共轭聚合物作为光伏材料，制作工艺简单、成本低廉，可大面积制造，这使得有机聚合物光伏电池的研宄越来越受到重视。虽然聚合物光伏电池的研宄在最近几年取得了显著的发展，但其光电转换效率仍很低，只有得到高效率、性能稳定的光伏电池，才能实现聚合物光伏电池的商业化。对于有机聚合物光伏电池效率的提高可以通过材料的选择和器件结构的优化来实现。另外从理论上就器件中激活层的厚度、给体受体所形成的微观结构对光电流、