Знания отрасли

Глобальный энергетический кризис и изменение климата становятся все более серьезными. Сокращение энергопотребления и повышение энергоэффективности стали глобальным консенсусом. В строительной отрасли на энергопотребление приходится около 30% от общего мирового энергопотребления, причем основными источниками являются отопление, охлаждение и освещение. Традиционная энергетика зданий основана на невозобновляемых ископаемых видах топлива, 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 энергосбережения и сокращения выбросов. В то же время быстрое развитие возобновляемой энергетики открыло новые возможности для энергосбережения в зданиях, особенно солнечные фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические технологии используют солнечную энергию в качестве источника энергии, что не только чисто и не загрязняет окружающую среду, но и является неисчерпаемым. С развитием технологий стоимость фотоэлектрических технологий ежегодно снижается, а эффективность выработки электроэнергии неуклонно растет, становясь важным средством достижения энергетической самодостаточности зданий и сокращения энергопотребления.

1. Основные принципы и состав фотоэлектрического стекла

1.1 Принцип работы фотоэлектрического стекла

Принцип работы фотоэлектрического стекла основан на фотоэлектрическом эффекте — физическом явлении, напрямую преобразующем солнечную энергию в электрическую. Когда солнечный свет падает на поверхность фотоэлектрического стекла, полупроводниковый материал внутри стекла поглощает фотоны и возбуждает электроны в материале, вызывая их переход. В этом процессе электроны перескакивают с низких энергетических уровней на высокие, образуя свободные пары электронов и дырок внутри полупроводникового материала. Благодаря специальному электрическому полю электроны и дырки разделяются, электроны направляются к отрицательному электроду, а дырки — к положительному электроду, образуя электрический ток. Этот процесс преобразует солнечную энергию в электрическую и обеспечивает фотоэлектрическую генерацию энергии. Фотоэлектрический эффект является основным принципом генерации энергии с помощью фотоэлектрического стекла и его фундаментальной характеристикой, отличающей его от традиционного стекла. Традиционное стекло обладает только функцией оптической пропускаемости и не может преобразовывать световую энергию в электрическую. Фотоэлектрическое стекло не только пропускает свет, как обычное стекло, но и преобразует часть световой энергии в электрическую, реализуя двойную функцию энергосбережения и выработки электроэнергии. Главное отличие фотоэлектрического стекла от традиционного заключается в том, что оно обладает функцией выработки солнечной энергии благодаря интегрированным в него фотоэлектрическим компонентам. Традиционное стекло в основном используется для освещения, теплоизоляции и защиты зданий, в то время как фотоэлектрическое стекло выполняет двойную функцию: выработки электроэнергии и является строительным материалом. По сравнению с традиционными фотоэлектрическими компонентами, фотоэлектрическое стекло может быть полностью интегрировано с поверхностью здания, что снижает затраты на дополнительное оборудование и монтаж. Фотоэлектрическое стекло имеет различную светопропускаемость и может быть изготовлено на заказ в соответствии с функциональными требованиями здания для достижения сочетания эстетики и функциональности. Эта особенность постепенно привлекает внимание к фотоэлектрическому стеклу в современном проектировании «зеленых» зданий и делает его важным материалом, способствующим сочетанию возобновляемой энергии и архитектуры.

1.2 Базовая структура фотоэлектрического стекла

Основная структура фотоэлектрического стекла включает в себя материалы подложки, фотоэлектрические модули и слои обработки поверхности. Выбор материалов подложки имеет решающее значение для характеристик 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 устойчивостью к УФ-излучению для обеспечения стабильной работы в течение длительного времени. Обработка поверхности подложки также является важной частью повышения характеристик фотоэлектрического стекла. С помощью технологии поверхностного покрытия или нанопокрытия фотоэлектрическое стекло может улучшить светопропускание, повысить антибликовые свойства и, таким образом, улучшить эффективность фотоэлектрического преобразования. Способ интеграции фотоэлектрических модулей является важной частью фотоэлектрического стекла. Обычно фотоэлектрические модули из фотоэлектрического стекла создаются путем встраивания высококачественных кремниевых или тонкопленочных ячеек в слой стекла. Высококачественные кремниевые элементы широко используются в высокоэффективном фотоэлектрическом стекле благодаря высокой эффективности фотоэлектрического преобразования, в то время как тонкопленочные элементы подходят для архитектурных решений, требующих высокой светопропускаемости, благодаря своей легкости и гибкости. Фотоэлектрические модули позволяют эффективно преобразовывать электрическую энергию, сохраняя при этом основные характеристики стекла за счет тесной интеграции со стеклом. Конструкция интегрированного модуля должна не только обеспечивать эффективность выработки электроэнергии фотоэлектрическими модулями, но и учитывать эстетику и долговечность здания. Поэтому в фотоэлектрическом стекле обычно используется технология ламинирования для встраивания фотоэлектрических модулей в многослойные структуры, а также обеспечивается плотная стыковка фотоэлектрических элементов и стекла посредством высокотемпературных и высокодавленческих процессов, что повышает общую механическую прочность и устойчивость к атмосферным воздействиям.

2. Применение фотоэлектрического стекла для энергосбережения в зданиях.

2.1 Состояние применения технологии интеграции фотоэлектрических систем в здания

Фотоэлектрическое стекло, как ключевой элемент интегрированной в здания фотоэлектрической технологии (BIPV), в последние годы привлекает к себе широкое внимание в архитектурном проектировании. Технология BIPV сочетает фотоэлектрическое стекло со строительными элементами, благодаря чему оно не только выполняет функцию выработки электроэнергии, но и учитывает эстетику и функциональность здания. Фотоэлектрическое стекло, как прозрачный или полупрозрачный строительный материал, может заменить традиционные навесные стены, крыши и окна, обеспечивая идеальную интеграцию фотоэлектрической генерации электроэнергии 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 сложностей строительства и дополнительных затрат, связанных с вторичной установкой. Благодаря разнообразию форм и внешнего вида фотоэлектрическое стекло обладает большей гибкостью в архитектурном проектировании и может быть адаптировано к эстетическим потребностям различных зданий, предоставляя зданиям большую свободу проектирования. В области энергосбережения зданий преимущество технологии BIPV заключается в том, что она позволяет максимально увеличить площадь фасада здания, превратив её в зону производства возобновляемой энергии, что значительно повышает общую энергетическую самодостаточность здания. В настоящее время глобальное применение фотоэлектрического стекла постепенно расширилось от однофункционального производства фотоэлектрической энергии до комплексной концепции проектирования «зелёных» и «умных» зданий, став одним из ключевых элементов устойчивого проектирования зданий. Как в «энергетически позитивных зданиях», продвигаемых в Европе, так и в проектировании навесных стен некоторых сверхвысоких зданий, комплексное применение фотоэлектрического стекла демонстрирует значительный энергосберегающий эффект. Благодаря разумному проектированию и применению фотоэлектрическое стекло не только помогает зданиям достичь энергетической самодостаточности, но и значительно повышает уровень энергосбережения зданий, сохраняя при этом целостность их конструкции. Это также важное направление развития «зелёных» зданий в будущем.

2.2 Механизм действия фотоэлектрического стекла в энергосбережении зданий

Фотоэлектрическое стекло преобразует солнечную энергию в электрическую за счет фотоэлектрического эффекта, снижая зависимость здания от внешних источников энергии и оказывая двойное воздействие, улучшая освещение и теплоизоляцию здания. Механизм его действия можно проанализировать с двух точек зрения: функция выработки электроэнергии и улучшение теплового режима здания. Во-первых, функция выработки электроэнергии фотоэлектрическим стеклом эффективно снижает энергопотребление зданий. Например, в коммерческом офисном здании с фотоэлектрической стеклянной навесной стеной, если общая площадь наружных стен здания составляет 2000 м², то 1000 м² из них покрыты фотоэлектрическим стеклом. Предполагая, что эффективность фотоэлектрического преобразования фотоэлектрического стекла составляет 15%, среднегодовая солнечная радиация в районе расположения здания составит 1000 кВт·ч/м². В этом случае фотоэлектрическое стекло может генерировать электроэнергию в год: 1000 м² х 1000 кВт·ч/м² х 15% - 150 000 кВт·ч, что эквивалентно обеспечению здания 150 000 кВт·ч электроэнергии в год. Если общая годовая потребность здания в электроэнергии составляет 500 000 кВт·ч, фотоэлектрическое стекло обеспечивает около 30% этой потребности, значительно сокращая внешние затраты на электроэнергию для здания. Во-вторых, фотоэлектрическое стекло также обладает значительными теплоизоляционными свойствами, что может снизить нагрузку на систему кондиционирования воздуха в здании. Фотоэлектрическое стекло может уменьшить проникновение солнечного излучения за счет использования специальных низкоэмиссионных покрытий и оптимизированных материалов. Рассмотрим в качестве примера то же офисное здание. Если используемое фотоэлектрическое стекло способно снизить тепловое излучение от солнечного света на 30%, а общая нагрузка на систему кондиционирования составляет 200 000 кВт·ч в год, то ежегодная нагрузка на систему кондиционирования составит: 200 000 x 30% - 60 000 кВт·ч. Таким образом, фотоэлектрическое стекло не только снижает потребление электроэнергии за счет ее выработки, но и дополнительно уменьшает энергопотребление за счет улучшения теплового режима.

2.3 Потенциал применения фотоэлектрического стекла в различных типах зданий

Потенциал применения фотоэлектрического стекла в различных типах зданий особенно заметен в коммерческих зданиях. Современные коммерческие здания, особенно высотные и крупные торговые центры, имеют большие площади стеклянных навесных стен, которые представляют собой идеальную основу для применения фотоэлектрического стекла. Интеграция фотоэлектрического стекла в фасад здания позволяет не только полностью использовать площадь здания для выработки электроэнергии, но и удовлетворить комплексные потребности коммерческих зданий в освещении, эстетике и защите окружающей среды. Особенно для крупных коммерческих зданий, расположенных в центре города, применение фотоэлектрического стекла может эффективно повысить уровень сертификации «зеленого здания» и повысить конкурентоспособность коммерческих зданий на рынке благодаря высокой экологической осведомленности. В жилых зданиях применение фотоэлектрического стекла также имеет широкие перспективы. С ростом осведомленности жителей об энергосбережении и защите окружающей среды, а также с развитием распределенных энергетических технологий, все больше жилых зданий начинают внедрять фотоэлектрические системы. Фотоэлектрическое стекло, как красивое и практичное решение, может использоваться в таких местах, как окна и балконные ограждения. Благодаря фотоэлектрическому стеклу жилые здания могут достичь энергетической самодостаточности без ущерба для эстетики. Особенно для частных вилл и элитных жилых проектов энергосберегающие и экологические функции фотоэлектрического стекла постепенно становятся важным фактором повышения ценности жилых зданий. В общественных зданиях потенциал применения фотоэлектрического стекла в основном проявляется в его экологичности 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 концепцию экологичности и защиты окружающей среды здания, но и установить эталон устойчивого развития для общества. В этих зданиях фотоэлектрическое стекло может не только удовлетворять ежедневные энергетические потребности здания, но и демонстрировать современный вид здания благодаря своей прозрачной или полупрозрачной конструкции, тем самым улучшая общественный имидж здания. Будь то коммерческие здания, жилые здания или общественные здания, потенциал применения фотоэлектрического стекла в области энергосбережения зданий будущего нельзя игнорировать.

3. Перспективные варианты применения фотоэлектрического стекла в энергосбережении в зданиях

3.1 Фотоэлектрическая навесная стена

Фотоэлектрическая навесная стена представляет собой интеграцию фотоэлектрических стеклянных элементов непосредственно во внешнюю стену здания для достижения крупномасштабной генерации солнечной энергии на поверхности здания. В будущих высотных зданиях фотоэлектрические навесные стены станут важной энергосберегающей технологией. Они могут не только удовлетворять основные потребности в материалах наружных стен здания, такие как ветро-, водонепроницаемость, теплоизоляция и другие функции, но и эффективно использовать солнечную энергию для выработки электроэнергии. В современных высотных зданиях фотоэлектрические навесные системы широко используются в проектировании наружных стен для достижения сочетания функций энергосбережения и выработки электроэнергии. В качестве практического примера можно привести коммерческое офисное здание в Шанхае площадью около 5000 м2, на южном фасаде которого была установлена ​​фотоэлектрическая стеклянная навесная система общей площадью 1000 м2. Каждый квадратный метр фотоэлектрического стекла может генерировать около 150 Вт электроэнергии, а общая мощность всей навесной стены может достигать 150 кВт. Эта фотоэлектрическая навесная фасадная система обеспечивает здание возобновляемой энергией, интегрируясь в его собственную электросеть и снижая зависимость от муниципальной электросети. Система не только обладает хорошей светопроницаемостью, но и эффективно снижает потребность в дневном освещении внутри помещений. В сочетании с интеллектуальной системой управления, регулирующей интенсивность света, она позволяет еще больше снизить энергопотребление здания.

3.2 Фотоэлектрические световые люки и мансардные окна

Фотоэлектрические световые люки и световые рамы имеют широкие перспективы применения в крупных общественных зданиях, таких как торговые центры, вокзалы и аэропорты. Это фотоэлектрическое стекло не только удовлетворяет потребности здания в освещении, но и позволяет использовать солнечную энергию для сочетания естественного освещения с энергосбережением. В недавно построенном музее в Мюнхене, Германия, система фотоэлектрических световых люков и световых рам была успешно применена в центральном зале здания, площадь светового люка составляет 600 м². Мощность каждого квадратного метра фотоэлектрического стекла составляет 120 Вт, а общая мощность — 72 кВт. Это фотоэлектрическое световое окно не только эффективно обеспечивает естественное освещение музея, снижая потребность во внутреннем освещении, но и обеспечивает экологически чистую энергию для систем кондиционирования и освещения здания за счет выработки электроэнергии. Использование специального полупрозрачного фотоэлектрического стекла позволяет мягко пропускать свет в помещение, не вызывая чрезмерного прямого солнечного света и повышения температуры, что повышает комфорт посетителей. Практическое применение этой системы не только обеспечивает значительную экономию энергии, но и становится успешным примером сочетания фотоэлектрических технологий и архитектурной эстетики.

3.3 Фотоэлектрические солнцезащитные шторы и жалюзи Фотоэлектрическое стекло будет широко использоваться в качестве солнцезащитных штор и жалюзи в зданиях будущего, особенно в жилых и офисных зданиях. Они не только обладают функциями традиционных солнцезащитных устройств, эффективно регулируя освещение в помещении и блокируя избыточный солнечный свет, но и используют фотоэлектрическое стекло для преобразования световой энергии в электрическую, обеспечивая двойную функцию: выработку электроэнергии и защиту от солнца. В одном из «умных домов» в Калифорнии дизайнер применил инновационное решение в виде фотоэлектрических солнцезащитных штор и жалюзи. На внешней стороне окон, выходящих на юг, была установлена ​​регулируемая система фотоэлектрических жалюзи площадью 200 м². Эти жалюзи не только выполняют функцию защиты от солнца, но и могут вырабатывать электроэнергию при достаточном солнечном свете. Мощность выработки электроэнергии на каждый квадратный метр жалюзи составляет 100 Вт, а общая мощность — 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 для максимального использования солнечной энергии для выработки электроэнергии, одновременно позволяя естественному свету проникать в комнату для улучшения освещения. Эта двухфункциональная фотоэлектрическая система самоскладывающихся окон значительно повышает энергоэффективность дома и становится примером экологически чистого жилья будущего.

3.4 Фотоэлектрическая крыша

В будущем в экологически чистых зданиях фотоэлектрическое стекло будет широко использоваться в проектировании крыш. По сравнению с традиционными фотоэлектрическими панелями, фотоэлектрическое стекло более прозрачно и эстетично, и подходит для реконструкции крыш жилых, школьных, стадионных и других зданий. Таким образом, здание может не только достичь собственной энергетической самодостаточности, но и передавать излишки электроэнергии в сеть, что способствует дальнейшему использованию возобновляемой энергии. В одной из экологических школ на юге Франции фотоэлектрическая система на крыше широко используется в архитектурном проектировании всего школьного здания. Общая площадь крыши составляет 2000 м². Используются высокоэффективные фотоэлектрические стеклянные панели. Мощность, вырабатываемая каждым квадратным метром фотоэлектрических стеклянных панелей, составляет 180 Вт, а общая мощность всей системы — 360 кВт. Эта фотоэлектрическая крыша не только обеспечивает школу достаточным количеством энергии для ежедневного потребления электроэнергии, но и передает излишки электроэнергии в сеть, принося экономическую выгоду. Конструкция фотоэлектрической крыши учитывает как эстетику, так и функциональность здания. Благодаря точному расчету угла наклона, крыша может максимально получать солнечное излучение в любое время года. Установка фотоэлектрической крыши позволяет школе значительно сэкономить на энергозатратах и ​​способствует достижению целей энергосбережения и устойчивого развития.

4. Заключение

В будущем ключевым фактором повышения эффективности фотоэлектрического стекла станет внедрение инновационных материалов. Новые фотоэлектрические материалы, такие как квантовые точки и перовскиты, обладают более высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования и лучшими оптическими свойствами, что, как ожидается, значительно повысит мощность фотоэлектрического стекла. Применение прозрачных проводящих пленок и нанотехнологий также позволит фотоэлектрическому стеклу достичь лучшего баланса между светопропусканием, мощностью и эстетикой, что еще больше расширит его применение в энергосбережении зданий. С распространением Интернета вещей и технологий «умных зданий» фотоэлектрическое стекло в будущем будет не только устройством для выработки электроэнергии, но и интегрирует интеллектуальную систему регулирования для обеспечения связи с системой управления энергопотреблением здания. «Умное» фотоэлектрическое стекло сможет автоматически регулировать свои характеристики фотоэлектрического преобразования и светопропускания в зависимости от внешнего освещения, температуры и других факторов окружающей среды, обеспечивая более эффективное управление энергопотреблением и комфортную внутреннюю среду.