產(chǎn)品描述
簡要概念說明
將光伏技術(shù)集成到建筑物外墻中的可能性越來越大，這使我們社會中的結(jié)構(gòu)在我們向可持續(xù)經(jīng)濟(jì)過渡的過程中發(fā)揮了更加積極的作用。發(fā)光建筑集成光伏窗戶（L-BIPV）是基于發(fā)光下移物質(zhì)（LDS）的半透明系統(tǒng)，該物質(zhì)與光伏太陽能電池結(jié)合在一起。LDS材料吸收紫外區(qū)域（200nm-400nm）內(nèi)的散射光和直接光，然后將其重新輻射到500nm-700nm范圍內(nèi)的調(diào)諧波長帶。調(diào)整發(fā)光物質(zhì)的光學(xué)特性到光譜特定區(qū)域（650nm -700nm）的能力，在該特定區(qū)域中PV電池的響應(yīng)度較高而人眼的響應(yīng)度較低，
開發(fā)了兩種不同的L-BIPV設(shè)計（圖70）：在LDS-PV系統(tǒng)中，半透明PV電池直接組合在LDS層下面。相反，在發(fā)光太陽能集中器（LSC）系統(tǒng)中，LDS物種捕獲并重新發(fā)射光，并通過全內(nèi)反射將光聚集到位于窗口邊緣電池內(nèi)的小型高效PV電池。與玻璃中集成的大型半透明光伏電池的使用相比，在窗邊緣內(nèi)使用薄帶狀硅在成本，玻璃透射率以及系統(tǒng)的整體光功率轉(zhuǎn)換效率方面具有優(yōu)勢。
L-BIPV系統(tǒng)可以替換或添加到常規(guī)窗戶中以產(chǎn)生電能，從而減少建筑能耗和碳排放，改善室內(nèi)光線和熱舒適性，并提供豐富多彩的建筑設(shè)計。
圖70.兩種不同的集成發(fā)光建筑物的光伏窗戶設(shè)計選項（A）建筑物集成的LSC窗戶和（B）建筑物集成的LDS-PV窗戶。
在過去的20年中，由于半透明光伏設(shè)備能夠完全集成到天窗，立面，窗戶甚至墻壁等建筑元素中，因此人們對半透明光伏設(shè)備的興趣得到了極大的復(fù)興（Saifullah，Gwak和Yun 2016） 。基于鈣鈦礦，薄膜和有機(jī)技術(shù)的半透明光伏電池裝置正處于商業(yè)化的邊緣（Heim，Knera和Machniewicz，2015；RomeroGómez等，2015）。當(dāng)前的方法由于每種技術(shù)固有的問題而受到限制，就其在現(xiàn)場環(huán)境條件下的可擴(kuò)展性和長期穩(wěn)定性而言（Bouvard，Vanzo和Schüler，2015； Klampaftis等，2009）。當(dāng)前，沒有商業(yè)上可買到的具有LDS特征的窗戶設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)目前僅限于研究和開發(fā)狀態(tài)。
建筑和技術(shù)融入信封
將建筑和技術(shù)集成到信封中L-BIPV窗口可以與傳統(tǒng)BIPV系統(tǒng)類似地集成到建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。在過去的十年中，隨著新設(shè)計策略的發(fā)展，LDS和類似的光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)（包括LSC）經(jīng)歷了復(fù)興。利用納米結(jié)構(gòu)和發(fā)光物質(zhì)之間的能量轉(zhuǎn)移，對器件周圍的分子進(jìn)行工程設(shè)計以及結(jié)合多種化學(xué)物質(zhì)，只是為解決PV技術(shù)面臨的有限光譜帶寬問題提供商業(yè)上可行的解決方案的幾條途徑。
與更易于合并的LDS-PV同類產(chǎn)品相比，LSC系統(tǒng)在BIPV的性能方面提供了更大的增強(qiáng)。目前缺乏可擴(kuò)展性和差的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性限制了這種設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用。但是，飛利浦（Philips）等行業(yè)正在通過資助旨在開拓該地區(qū)研究人員的資金計劃，致力于將該技術(shù)的建筑物集成版本商業(yè)化。
LDS-PV設(shè)計提供了較低的增強(qiáng)級別，但它們更易于擴(kuò)展，并且尚未遇到迄今為止探索的集中設(shè)計所帶來的尺寸限制。將LDS層直接添加到電池上會產(chǎn)生一系列額外的損耗機(jī)制，這些損耗機(jī)制需要克服，以使結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)基礎(chǔ)PV電池的性能。較差的光學(xué)性能和可用的非理想光致發(fā)光材料代表了引入的主要附加損耗。
在架構(gòu)方面，L-BIPV設(shè)備很容易被現(xiàn)有的建筑計劃采用。類似的透明設(shè)備已經(jīng)在香港引人注目的天際線中運行。為了最大程度地發(fā)揮設(shè)備產(chǎn)生的電能和提供的內(nèi)部照明之間的協(xié)同作用，必須權(quán)衡最優(yōu)化兩個因素。需要考慮的參數(shù)包括：i）室外環(huán)境條件； ii）建筑方向； iii）窗戶尺寸； iv）太陽能電池選擇的窗戶透明度；以及v）美觀和室內(nèi)照明要求。
圖71.（A）使用使用不同染料顏料提供顏色的染料合成太陽能電池設(shè)計的光伏彩色玻璃窗。（B）在加利福尼亞州的索拉利亞集成發(fā)光層的半透明有機(jī)PV窗。（C）洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（CH）的Grätzel's Cell彩色玻璃。
融入建筑物：系統(tǒng)與舒適度
與BIPV系統(tǒng)類似，電池會產(chǎn)生連續(xù)且低電壓。為避免逆變器產(chǎn)生的DC-AC能量轉(zhuǎn)換損失，最好直接在本地低功率配電網(wǎng)絡(luò)中直接使用所產(chǎn)生的功率。為了管理操作和能源分配，該系統(tǒng)必須與建筑物管理系統(tǒng)集成在一起。可以提供各種各樣的彩色設(shè)備，從而在保持基本概念的功能的同時提供設(shè)計美學(xué)要求。發(fā)光層和半透明光伏電池對光的吸收和排斥限制了太陽光的透射。可以通過發(fā)光物質(zhì)的濃度和電池透明度來調(diào)節(jié)光吸收的程度。可見光（400nm – 800nm）的透射率通常約為10％至5??0％，且透射光譜可通過材料的電光特性來控制（Ablayev等人，2014；Romero-Gómez等人，2015）。在單元效率和窗戶的透明度之間需要權(quán)衡，結(jié)合特定位置的照明條件，習(xí)慣于使用數(shù)值模擬和評估方法來評估每個設(shè)計選擇的影響（Saifullah，Gwak和Yun 2016）。如圖71所示，該系統(tǒng)是一個遮光設(shè)備，它可以同時選擇眩光并通過選擇窗戶呈現(xiàn)的顏色來影響乘員的舒適度和心理反應(yīng)。在單元效率和窗戶的透明度之間需要權(quán)衡，結(jié)合特定位置的照明條件，習(xí)慣于使用數(shù)值模擬和評估方法來評估每個設(shè)計選擇的影響（Saifullah，Gwak和Yun 2016）。如圖71所示，該系統(tǒng)是一個遮光設(shè)備，它可以同時選擇眩光并通過選擇窗戶呈現(xiàn)的顏色來影響乘員的舒適度和心理反應(yīng)。在單元效率和窗戶的透明度之間需要權(quán)衡，結(jié)合特定位置的照明條件，習(xí)慣于使用數(shù)值模擬和評估方法來評估每個設(shè)計選擇的影響（Saifullah，Gwak和Yun 2016）。如圖71所示，該系統(tǒng)是一個遮光設(shè)備，它可以同時選擇眩光并通過選擇窗戶呈現(xiàn)的顏色來影響乘員的舒適度和心理反應(yīng)。
SWOT分析
長處
弱點
- 要使太陽能電池的最高太陽能到電能轉(zhuǎn)換效率匹配，就需要有色的發(fā)光層。可能的無色層將產(chǎn)生較低的功率轉(zhuǎn)換效率。
- 功率轉(zhuǎn)換效率和光學(xué)透明度之間需要權(quán)衡
- 市場上缺少高效發(fā)光物質(zhì)，因為高性能材料主要限于研究環(huán)境
- 沒有明確的領(lǐng)先半透明PV候選材料（有機(jī)，鈣鈦礦，a-Si）
- 缺少有關(guān)應(yīng)用的發(fā)光候選物的光穩(wěn)定性的信息，尤其是一旦嵌入主體材料（聚合物，玻璃等）中后
- 設(shè)備設(shè)計可能需要針對給定的建筑物位置調(diào)整其光學(xué)特性（例如，氣候，周圍結(jié)構(gòu)的分布）
機(jī)會
威脅
- 同時提供功率的新興的電可調(diào)節(jié)可開關(guān)窗口的發(fā)展可能會克服系統(tǒng)的性能。
- 電力成本的波動導(dǎo)致不確定的投資回收期，從而限制了技術(shù)集成的動力
- 需要更大規(guī)模的產(chǎn)品和更多的業(yè)務(wù)案例來進(jìn)行市場說服和整合
得到教訓(xùn)
- 缺乏一種算法/軟件可以評估每種設(shè)計考慮因素（建筑物的建筑和美學(xué)，位置，氣候，PV技術(shù)，主體材料，發(fā)光物質(zhì)，所需的光學(xué)透明性等）對建筑物總體能耗的影響。
- 對于可見光區(qū)域（400nm – 700nm）的最佳透明性，尚沒有明確的定義，它無法彌合L-BIPV器件所基于的PV技術(shù)的半透明性和功率轉(zhuǎn)換效率之間的差距。
- 在原位環(huán)境條件（溫度，光譜輻照度和相對濕度）下，需要對候選發(fā)光材料進(jìn)行嚴(yán)格評估。
- 等待設(shè)計和發(fā)現(xiàn)能夠在UV區(qū)域吸收的發(fā)光結(jié)構(gòu)，并重新輻射接近于近紅外的能量，而目前大多數(shù)PV技術(shù)都具有峰值響應(yīng)能力。
- 窗戶的設(shè)計必須靈活，允許根據(jù)特定的氣候條件進(jìn)行更改，即在溫暖的氣候下可能需要更多的陰影。
- 缺乏將最佳性能的材料（PV，主體和發(fā)光物質(zhì)）整合在一起的案例研究，從其對建筑物電源管理的影響方面概述了此類結(jié)構(gòu)的成本效益。
- 由各個設(shè)計元素的光學(xué)特性所施加的尺寸限制尚待定義，以允許在不同類型的建筑結(jié)構(gòu)中制造和測試全尺寸結(jié)構(gòu)。
