光伏建筑一体化在城市应用中光反射问题的探讨

1 前言面对化石燃料的逐渐枯竭和人类生态环境的日益恶化，大力发展以太阳能为代表的可再生能源已经成为人们的共识 。 在城市中， 受到空闲土地面 积 少 的 限 制 ， 太 阳 能 光 伏 发 电 建 筑 一 体 化(Building Integrated Photo-Voltaic ， BIPV) 得到更广泛的应用 。 太阳能电池板的表面采用钢化玻璃作为盖板， 是保护电池的主要部分 。 本文从太阳能电池板的结构入手，介绍太阳能光伏建筑一体化应用形式和太阳能电池板的减反射特性，并将其与不同性质地面和常见建筑材质的反射率进行比较，结合京沪高铁虹桥枢纽站太阳能发电项目的应用情况，分析太阳能光伏发电建筑一体化对城市光污染的影响 。2 太阳能电池板结构和 BIPV 形式太阳电池是将太阳辐射能直接转换为电能的一种器件， 按照基本材料划分， 可分为硅太阳电池和化合物太阳电池两种， 其中硅太阳电池又可分为单晶硅 、 多晶硅 、 非晶硅 、 微晶硅太阳电池和 HIT电池等几种 。 由于目前市场上应用的太阳电池以晶体硅太阳电池占主要份额， 本文主要介绍晶体硅太阳电池的应用 。一般晶体硅太阳能电池板由晶体硅片 、 减反射膜 、 盖板 、 填充材料 、 背板 、 密封条及框架组成， 除此之外还包括电极接线盒 、 接线电缆 、 电池互连条和焊锡等等 。 其结构形式示意图如图 1。摘 要 ： 文章介绍了太阳能光伏发电技术的城市建筑一体化应用形式和目前市场上晶体硅太阳能电池板的减反射特性 ， 比较了不同物质和材质的反射率 ， 分析太阳能光伏建筑一体化应用对城市的光污染影响 。关键词 ： 光伏发电 光伏建筑一体化 减反射 光污染Discussion of the Light Reflection by BIPV in Urban ApplicationPeng zhi gangAbstract: The article introduced the application of Building Integrated Photo-Voltaic (BIPV)in urban and the anti-reflection of crystal silicon solar cell, compared the reflection rate of thedifferent materials, analysis and got the conclusion about the light pollution by BIPV.Keywords: Photovoltaic, BIPV, Anti-reflection, Light Pollution光伏建筑一体化在城市应用中光反射问题的探讨上海玄思新能源科技有限公司 彭志刚【 作者简介 】 彭志刚 ， 男 ， 1975 年 11 月生 ， 哈尔滨工业大学热能工程专业毕业 ， 现在上海玄思新能源科技有限公司任总工程师 。22上海 节 能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2010 年第 2 期ShanghaiEnergyConservation上 海 节 能 节 能 论 坛3 晶体硅太阳能电池板的减反射特性太阳能电池板的发展目标之一就是要逐步提高光能的转换效率， 而提高光能转换效率的主要措施之一就是减少组件的光反射率， 最大程度地吸收太阳光的能量 。 在京沪高铁虹桥站太阳能发电项目中所采用的组件采用了一些先进的技术和工艺来降低反射率 。 由晶体硅太阳能电池板的结构形式可以看出， 太阳辐射能 (太阳光 )照射在电池板上， 反射部分分别产生于表面的玻璃板 、 减反射膜和晶体硅片 。3.1 晶体硅片的减反射特性为了提高太阳电池性能， 常常在硅片表面制作绒面， 有效的绒面结构使得入射光在表面进行多次反射和折射， 可以增加光的吸收率 。 绒面电池比光面电池的反射损失小， 制绒前 、 后的反射率对比如图 2[1] ：单晶硅片的绒面通常利用化学腐蚀剂对硅片表面进行腐蚀， 形成微小的四面方锥体结构， 也成金字塔结构 。 一般多晶硅晶向是任意分布的， 经过腐蚀后， 在表面会出现不规则的凹坑形状 。 入射光在绒面表面发生多次折射， 改变了入射光在硅片中的前进方向， 能延长光程， 增加对红外光子的吸收率 。3.2 减反射膜光照射到平面的硅片上， 其中一部分被反射，即使对绒面的硅表面， 由于入射光产生多次反射而增加了吸收， 但也有约 11% 的反射损失 。 在其上覆盖一层减反射膜层， 可大大降低光的反射 。 据光的干涉原理， 减反射膜的厚度是入射光在膜中波长的1/4时， 在膜的两个面上反射的光， 其光程差恰好等于半波长， 在外表面区域相互抵消， 达到减少光的反射损失， 增强透射光的强度的作用 。 常用的减反射膜材料有 SiO 2、 TiO 2、 Si3N4等几种 。 由于减反射膜具有良好的光学特性， 其折射率约为 1.3~2.4 ， 可以降低太阳光的反射， 提高光吸收率 。3.3 玻璃板的减反射特性晶体硅太阳电池封装盖板玻璃， 是太阳能电池制造过程中的一种重要原材料 。 它能够充分透过太阳光以利于硅晶板吸收， 并以自身的强度保护下面的硅晶板不受外界环境和天气的损坏 。 太阳能电池用的封装玻璃主流产品为低铁钢化绒面玻璃， 在太阳能电池光谱响应的波长范围内 (320~1l00nm) 透光率达 91％ 以上，对于大于 1200nm 的红外光有较高的反射率 。 为了提高光电转换效率， 采用表面设有金字塔状凹凸设计的玻璃盖板， 这种凹凸花纹可以抑制玻璃表面太阳光的反射， 使更多的阳光射入太阳能电池 [2] 。4 BIPV 对城市光污染的影响目前人们把那些对视觉 、 对人体和对环境有害的光称为 “ 光污染 ” 。“ 光污染 ” 主要来自两个方面：一是指城市建筑物采用大面积镜面式外墙 、 玻璃幕墙所形成的 “ 光污染 ” ； 二是指城市夜景照明所形成的 “ 光污染 ” 。 玻璃幕墙光污染是在以下特定条图 2 晶体硅片表面制绒前 、 后的反射率对比图23上海 节 能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2010 年第 2 期ShanghaiEnergyConservation上 海 节 能节 能 论 坛件下产生的： 1) 使用了大面积高反射率镀膜玻璃； 2) 在特定方向和特定时间下产生 。 如玻璃幕墙不朝向太阳照射的方向，或与人不成特定的角度， 光污染不会发生 。 由于太阳对地球的相对位置总是在不断变化， 因此， 产生特定角度也是有特定时限的 [3] 。太阳电池组件本身不发光， 但是在太阳光照射下会产生反射， 因此， 太阳电池不会产生前述的第二种光污染 。 太阳电池使用低铁钢化玻璃作为盖板， 这一点上讲， 太阳电池与玻璃幕墙类似， 会产生一定程度的阳光反射 。 在城市中， 光伏建筑一体化的太阳电池板为了提高光电转换效率， 并且依附于建筑结构， 其表面都是朝向太阳且其上表面的法线接近于阳光照射方向 。 因此， 太阳电池表面的反射光很少会照射到地面上或者低层建筑中的居民， 但可能会对高层建筑中的人们或者航空器飞行员造成一定的影响 。结合前面所述晶体硅太阳能电池板的减反射特性， 可以看出， 太阳电池板虽然采用了玻璃作为盖板，但是应用了多项技术减低组件的反射率 。 为了验证晶体硅太阳能电池板的减反射特性， 在京沪高铁虹桥站太阳能发电项目中， 我们委托上海空间电源研究所对多晶硅太阳能电池板 、 蓝色彩钢板 、 蓝色幕墙玻璃这三种样品进行了镜面反射和漫反射的检测 。 检测依据为 GJB1431-92和 GJB2502-95 ，检测设备为分光光度计， 检测方法为积分球测试 (漫反射 )、镜面反射测试 。 测试结果如图 3和图 4[4]：由图 3积分球测试结果可以看出，在 人 眼 可 见 光 312nm ~1050nm 范 围内， 太阳能电池板的反射率约为 6% ， 低于幕墙玻璃和彩钢板 。 由图 4镜面反射测试结果可以看出，在人眼可见光312nm~1050nm 范围内，太阳能电池板的反射率小于 5% ，大大低于幕墙玻璃的反射率值 。表 1中列出了常见的陆地表面物质的反射率 [5]。 通过这个表格可以看出， 太阳电池板的反射率与自然界的常见物质表面反射率相比较， 太阳电池板的反射率也是较低的， 其对高层建筑中的人们或者航空器飞行员造成的影响弱于自然界常见地面形式 。通过以上的技术分析和实际检测数据比较， 我们可以得出结论： 太阳能光伏建筑一体化应用对城市产生的光污染微乎其微， 这方面甚至优于自然界常见物质的特性 。图 4 镜面反射测试反射率曲线图 3 积分球测试反射率曲线24上海 节 能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2010 年第 2 期ShanghaiEnergyConservation上 海 节 能 节 能 论 坛2009年奉贤区节能降耗重点抓六个方面2009 年奉贤区全面完成区人代会确定的节能目标，万元生产总值综合能耗比上年下降 5%以上， 规模以上工业企业万元产值能耗为 0.107 吨标准煤， 下降 6.6% ， 全区从六个方面推进节能降耗工作： 一是明确目标强化责任体系 。 下达节能降耗年度指标， 将目标列入对各镇 、 开发区党政领导班子年度考核和区政府重点工作； 制定 《 各镇 、 开发区节能目标责任评价考核实施方案 》 ； 区政府与各镇 、 开发区签订节能目标责任书， 节能工作任务分解到各相关部门 。 二是突出重点调整结构 。 制定 《 奉贤区塘外化工区产业结构调整方案 》 ， 落实市 、 区两级政府6000 多万元专项资金， 基本完成 22 家企业整体搬迁 。 年内共淘汰劣势企业 74 家，完成年计划164% ， 节约标煤 16 万吨， 盘活土地 1959 亩 。 三是政策扶持措施扎实 。 上海桦厦实业有限公司等 11家企业获得 2009 年度市级节能技术改造项目专项资金 288 万元， 节约标煤 9609 吨 。 完成 90 台 4吨以上燃煤工业锅炉节能改造，节约标煤 3 万吨，锅炉整体热效率提高 10% 。 四是部门协同加强监管 。 确定 85 家 1000 吨标煤以上企业为重点用能企业，着力抓好 33 家年耗能 5000 吨标煤以上企业的用能监控， 督促严格执行能源利用状况报告制度和节能月报制度 。 五是拓展领域开发新品 。 按照市政府的要求， 组织实施和完成财政补贴 32 万只节能高效照明产品的推广任务 。 加快新能源和可再生能源开发利用， 1.5 万千瓦海湾风电场扩容项目开工建设 。 六是营造氛围普及全民节能意识 。 向机关各单位发放节能宣传画， 开展社会节能知识竞赛以及向全区征集社会节能金点子等活动， 激发市民参与节能的积极性 。 （ 袁新良 ）序号 地表面形式 平均反射率1 砂土地面 29~35%2 新雪面 84~95%3 波浪水面 ~10%4平静水面阳光入射角 60° ~2%5 阳光入射角 30° ~6%6 阳光入射角 10° ~35%7 阳光入射角 5° ~58%表 1 不同地面形式的平均反射率在美国弗雷斯诺约塞米蒂国际机场 、 丹佛国际机场 、 旧金山国际机场 、 瑞士的 Geneva 机场 、 英格兰 Marchwood 和尼斯机场 、 德国慕尼黑机场等多家国际大型机场都已成功应用太阳能光伏建筑一体化项目， 从侧面验证了， 太阳能光伏建筑一体化项目产生的光反射问题是在安全范围之内 。5 结语太阳能光伏发电是绿色的新能源， 能够为城市提供碳零排放的清洁动力， 太阳能建筑一体化又不占用宝贵的土地资源， 必将得到更广泛的应用 。 太阳能建筑一体化应用的光反射不会对城市产生大的影响， 但是在太阳电池组件进一步降低太阳光反射率 、 提高光能转换效率方面， 在优化光伏系统设计 、 布置以提高整体系统效率方面， 仍然有待提高 。参考资料[1] 杨金焕 ， 于化丛 ， 葛亮 ， 太阳能光伏发电应用技术 ， 北京 ： 电子工业出版社 ， 2009[2] 姜宏 ， 太阳光伏玻璃在建筑上的应用 ， 中国硅酸盐学会 2008年电子玻璃技术研讨会 ， 2008[3] 刘琦 ， 城市的 “ 光污染 “ 问题及对策 ， 山东建筑工程学院学报 ， 2003.09， 第 18卷第 3期[4] 检 测 报 告 ， 上 海 空 间 电 源 研 究 所 ， No.2009020[5] 周淑贞 ， 气象学与气候学 ， 北京 ： 高的教育出版社 ， 1997.7第三版25上海 节 能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2010 年第 2 期ShanghaiEnergyConservation上 海 节 能节 能 论 坛