![]()
![]()
近年来，无论是新型BIPV产品、材料，还是光伏窗一体化（WIPV）太阳能窗系统的研发和产业化，都取得了重大进展。
![]()
抽象的
最近开发了多种基于新颖玻璃设计、金属电介质涂层和专有夹层类型的现代玻璃和窗户产品。今天的高级窗户可以控制热发射率、热增益、颜色和透明度等特性。在最近和更新颖的玻璃产品中，还具有通过光伏集成收集太阳能的特点。通常，半透明和高透明 PV 窗口是专门设计的，包括发光材料、特殊微结构和定制电路。
最近，在构建集成的高透明太阳能窗方面取得了重大进展（VLT 高达 70%，Pmax ~ 30-33 Wp/m2，例如 Clearvue PV 太阳能窗）；这些有望为智慧城市的发展增添动力。这些 Clearvue 窗户系统目前是 2021 年唯一一种能够在建筑物中显着节约能源并同时产生可再生能源的高透明度和透明建筑材料。
该技术已经在商业地产应用和研发温室中进行了部署和测试。特别令人感兴趣的是 Clearvue 太阳能窗产品提供的特性组合，其中包括显着的功率转换效率 (~3.3%)，这是在显色指数为 99% 的窗户中实现的，同时在多向建筑中具有高光伏产量- 集成光伏 (BIPV) 安装。
一、介绍与背景
近年来，无论是新型BIPV产品、材料，还是光伏窗一体化（WIPV）太阳能窗系统的研发和产业化，都取得了重大进展。特别是，在过去十年中，在开发大面积半透明发光太阳能聚光器 (LSC) 和用于太阳能窗的功能材料等领域取得了研究进展 (Li et al. 2016; Vasiliev et al. 2016 年；Alghamedi 等人 2014 年；Reinders 等人 2018 年；以及其他）。由于全球公认需要有效地使建筑环境脱碳，因此新型 BIPV 和高透明度太阳能窗目前受到越来越多的关注。
尽管大宗商品价格飙升增加了太阳能光伏的制造成本，但预计 2021 年其新增产能将增长 17%。这将创下近 160 吉瓦新增发电容量的年度新纪录。仅太阳能光伏就占所有新增可再生能源容量的 60%（IEA Renewables-2021 (2021)）。在建筑环境中增加太阳能发电能力受到可用的未遮蔽屋顶和墙壁区域的限制，因此使窗户能够在提供 HVAC 和照明节能的同时发电是实现实质性和长期脱碳的有吸引力的方式。在窗墙比高的建筑物中，安装可发电的玻璃系统可能是唯一可行的脱碳方法。
2. BIPV和透明窗一体化光伏的最新发展
现代 BIPV 模块供应商继续提供越来越多的产品，趋向于不断提高功率转换效率 (PCE) 的系统、反射颜色的选择以及范围更广的半透明选项。近年来，市场上出现了多种新技术，利用了新的功能材料和系统设计类型。
2.1. 传统 BIPV 的当前趋势和技术
最近开发的 BIPV 技术及其性能特征的多项综合评论是可用的，例如 Biyik 等人。(2017) 和 Vasiliev 等人。（2019 年），更新的来源也继续出现在文献中。图 1 概述了目前已广泛商业化的 BIPV 技术类型，包括最常见的半透明图案化半导体玻璃系统。在使用不同能量转换材料的系统中，玻璃透明度和每单位面积发电量之间自然发生的（和基本的）权衡取舍不同，从而产生一系列功率与透明度选项，其中大多数不会导致无色视觉清晰的外观。
此外，到目前为止，与传统 BIPV 中的屋顶或壁挂式单晶硅光伏系统相比，没有任何途径可以提高光伏产量（以 kWh/kWp/年为单位），因为这些系统本质上依赖于单平面-定向图案化活性材料，通常部署时没有太阳跟踪或聚光选项。在模块层面，大面积（> 约 2 平方米）BIPV 面板的制造可扩展性只有在平铺单晶硅晶片层压在玻璃板之间时才有可能实现，覆盖了很大一部分可视孔径（例如图 1（ C））。
这是由于当前用于从部分基板区域去除半导体材料层的工业激光图案机的范围与分辨率比的限制；用于沉积精细导体网格的光刻工艺也有类似的局限性（例如图 1（d、e、f））。随着用于层压传统单晶硅的前盖玻璃厚度的增加，这可能出于环境安全原因（例如抗风荷载，或者如果需要可行走的屋顶安全保证），模块 PCE 迅速下降超过前部约 3mm玻璃厚度，由于几何阴影、玻璃的光散射和吸收、折射和反射等原因。
![]()
图 1：传统 BIPV（或建筑应用光伏 (BAPV)）、颜色优化和半透明商用技术概览。(a) Avancis PowerMax Skala CuInSe2 面板；(b) EPFL（瑞士洛桑联邦理工学院）和 Emirates Insolaire 的多层涂层、颜色优化的 BIPV 立面；(c) AGC (Asahi Glass Corporation, Japan) Sunjoule 产品；(d) Onyx Solar a-Si 高透明度 BIPV 面板；(e) 使用非晶硅的汉能 BIPV 面板；(f) 高透明度 CdTe BIPV 面板；(g) 基于半透明染料敏化太阳能电池的 Solaronix BIPV 立面。Vasiliev 等人描述了相关行业参考资料和用于估算未以其他方式发布的电力输出的方法。(2018) 和 Vasiliev 等人。（2019）。该图转载自 Vasiliev 等人。(2019), 根据适用的知识共享署名 4.0 国际 (CC BY 4.0) 许可。其中一些 BIPV 产品（例如 Sunjoule）不再可用；其他产品最近提高了它们的功率转换效率（例如 Avancis PowerMax Skala CuInSe2 面板目前具有约 133 Wp/m2（Avancis PowerMax Skala 数据表 (2022)））。
虽然在增加 PCE 和新型光伏材料（例如钙钛矿、锌黄锡矿等）方面不断取得与材料相关的进展，但正在为窗户集成光伏系统提出新的方法，以扩大可用光伏玻璃的范围产品。对于旨在开发高透明度、区域可扩展和高效透明太阳能窗户的制造商来说尤其如此，这些窗户甚至可以类似于普通窗户类型，同时提供节能和发电。
2.2. 半透窗集成光伏的趋势与挑战
为了找到创新的方法来设计具有更高 PCE 和改进的 PV 产率特性的半透明太阳能窗（尽管只有 PV 产率可以与标准 PV 模块进行有意义的比较），不仅需要新颖的功能材料，还需要改进 PV 的结构-需要集成玻璃系统。驯鹿等。(2018)，瓦西里耶夫 (Vasiliev) 等人。(2016), Alghamedi 等人。(2014)，和其他人描述了几种新颖的和最近开发的 WIPV 玻璃设计方法，利用成熟的发光太阳能聚光器 (LSC) 领域的一些结果，结合薄膜材料科学的最新发展，发光材料和光子学。设计具有相对高 PCE 的高度透明 LSC 型设备的任务涉及考虑 Yang 等人描述的基本权衡和理论限制。(2017)。
重要的是要注意，任何 LSC 型设备的主要性能特征都由方程式控制。(1) 其中G为几何增益，P为光子收集概率（通常也称为“光效率”），C opt为光功率集中因子；Desmet 等人提供了这些参数的详细定义。(2012)。
在等式 (1) 中，几何增益可由窗户系统设计人员调节，并且主要受窗户尺寸和放置在窗户周边/边缘区域附近以收集光的 PV 模块的设计控制。~1m2 窗户的典型 G 值在~5-10 之间，具体取决于太阳能 PV 条带是否也放置在靠近玻璃边缘的背面周边。另一方面，光子收集概率是 LSC 型玻璃系统中使用的核心技术的函数，尤其是使用的发光和/或散射材料和组件，例如玻璃板化学、热镜型光学涂层（ s)，任何衍射元件，以及这些组件的整体光学布置。
在迄今为止报道的大多数（或几乎所有）高透明度大面积太阳能窗户和不同设计类型的 LSC 设备中，量化到达近边缘太阳能电池的辐射通量密度的光学集中因子 C opt小于单位（包含相关文献报告的 LSC 性能参数数据的数据表已在例如 Vasiliev 等人（2019 年）和 Reinders 等人（2018 年）中进行了报道。这是因为允许总传入可见范围的很大一部分透过窗户的阳光能量大大减少了可用于波长转换和内部重定向的能量。
发光材料只能转换可用入射光谱的一小部分，量子产率 (QY) 有限；目前只有量子点材料可以与达到 QY > (~80%) 的有机染料颜料竞争；实际上，所有无机磷光体材料的 QY 都限制在最大值。~30-40%，其中很少有能够进行近红外激发和发射的。全球多个研究小组正在进行使用巨型斯托克斯位移无机荧光粉设计 LSC 的工作，该荧光粉能够避免众所周知的重吸收问题，这是大面积 LSC 设计的另一个限制因素。
与太阳能窗工业生产特别相关的另一个因素是必须开发合适且可靠的技术，以便将无机磷光体（或半导体纳米晶体）结合到基于玻璃的工业标准窗设计中，而不会引起强烈的雾度，并且最好避免使用聚合物板和任何未经证实可提供长达数十年的日光照射寿命的有机介质。
据我们所知，迄今为止，全球还没有其他研究小组展示了高功率（几十瓦/平方米）、透明和尺寸可扩展的太阳能窗户的工业化发展，并发表了（Clearvue 网站 2021）闪光灯光伏大面积（> 1m2）高透明透明玻璃和符合建筑标准的太阳能窗户（例如通过 IEC、UL、CE 等认证）的 IV 曲线测试结果，尤其是窗户的性能数据展示了安培级最大功率点的电流，相应的大系统电压（VMPP 接近 ~50 V）和超过 50% 的透明度水平迄今为止尚未被任何竞争对手发布。
我们最近在大面积 (1.91mx 0.95m) 太阳能窗（现在计划出口到日本）的开发结果表明，电力输出（在 STC 下测量）高达 50.5 Wp (27.83 Wp/m2)，证明了技术的可扩展性和产品开发的进步。与 1-2 年前生产的尺寸为 1.2mx 1.2m 的商用 Clearvue 太阳能窗相比，当前 (2021-2022) 相同尺寸的窗型显示 Isc 改进高达 16.7%（~980 mA vs ~ 840 mA，在相同的 Voc 和 FF 下），正如最近在优化（自然阳光）入射角条件下在现场测试实验中测量的那样，最佳入射几何形状不同于垂直入射。
3. 例子与讨论
3.1. 高透窗一体光伏：安装实例
2019 年初，第一个基于商业物业的 Clearvue 太阳能窗安装（图 2）已在珀斯的 Warwick Grove 购物中心完成。Vasiliev 等人对其观察到的能量收集性能进行了全面分析。（2019）。
![]()
图 2：使用 Clearvue 太阳能窗建造的 Warwick Grove 购物中心中庭（澳大利亚珀斯）和测得的太阳能安装性能总结（总共 18 个多向太阳能窗）。
尺寸为 1.2mx 1.2m 的太阳能窗安装在 NE 屋顶区域（4 个窗户）、NW 屋顶区域（4 个窗户）、第 N 面墙（入口标志正下方的 8 个窗户）和强遮阳东墙（2 个窗户）。迄今为止观察到的最大瞬时电功率输出，由 Enphase Envoy 数据记录接口在交流电池上测得，略低于 300 W；年发电量约为 0.5 MWh，与考虑相关捕获损失和系统损失因素的预测性能一致。
Clearvue 太阳能窗的最近（2021 年）安装示例是默多克大学太阳能温室（图 3），其中 4 个种植室中有 3 个（每个约 50 平方米的建筑面积）是在北墙上使用太阳能窗建造的，在20度倾斜的朝北屋顶，以及朝西的墙壁。总共 153 个太阳能窗代表装机容量接近 6.2 kWp，这导致在 HVAC 系统运行方面强烈抵消了 2021 年温室的运行成本。总而言之，Clearvue 种植室冬季的每日电能消耗大约是用传统玻璃上釉的参考种植室维持微气候所需电量的三分之一。光伏装置包含 13 个 Enphase 7+ 微型逆变器，每个微型逆变器连接到约 12 个窗户的并联束；该系统还向电网输出能量。
![]()
图 3：安装在默多克大学太阳能温室（澳大利亚珀斯）的 Clearvue 太阳能窗。还显示了 2021 年 6 月中旬记录的平均（体积平均）室温数据日志。
每个种植室的微气候都使用定制设计的 HVAC 系统进行精细控制，将温度设定点保持在 +/-2 °C 以内以优化植物生长。即使持续应用这种对微气候的精细控制，光伏装置仍会偏移最小值。约占 Clearvue 种植室总能源成本的 40%。
图 5 显示了与安装在珀斯朝北的垂直墙上的相同装机容量的传统光伏或 BIPV 系统安装进行的夏季光伏产量比较的结果。来自 Enphase Envoy 界面的 2021 年 12 月能源生产数据显示，与相同容量的传统光伏装置的预期相比，能源生产增加了 53.4%。
![]()
图 5：安装在 Murdoch 温室朝北的垂直墙上的 12 窗束（阵列 F，35.3 kWh）测量的月度能源生产与相同的传统 PV 或 BIPV 安装的预测月度能源输出（23 kWh）安装容量 (0.4752Wp) 也安装在相同的几何方向，在珀斯气候。
在其他月份（例如 2021 年 11 月和 2022 年 1 月，珀斯的天气最稳定）也观察到了类似的基于墙壁的窗户的光伏产量比较结果。由于 Clearvue 窗户的设计具有降低电力输出的入射角敏感性，预计 PV 产量将超过传统 BIPV 系统。这使得这些太阳能窗户对（本质上多向的）BIPV 安装具有吸引力。
3.2. 高透明度 WIPV：未来方向
随着 BIPV 现场安装在全球范围内持续增长，使用越来越多的产品和不同的功能，越来越多的研究关注这些系统将在脱碳和可持续性方面做出的贡献。
2021 年下半年，ClearVue 委托能源效率和可持续发展专家 Footprint（加拿大）开发名为“ClearZero”的节能原型模型办公楼，以展示 ClearVue 世界领先的窗户集成光伏技术如何用于协助高能效、能源中性建筑的设计。我们完成了 15,000 m2 内部面积的 Archetype 模型建筑设计（基于建筑设计软件的艺术家渲染如图 6（Peacock，2022）），以展示 ClearVue 窗口如何实现零能耗或近零能耗- 使用建筑操作。
模型是在加拿大多伦多的一项设计中完成的，从 2030 年开始以多伦多绿色标准 (TGS) 为基准——世界上最高的建筑性能标准之一。从 2030 年起，Archetype 实现了 TGS 的最高性能水平（V6 Tier 1），并在能源性能方面在加拿大办公楼中排名前 1% 的能源之星得分。
该原型展示了低碳节能建筑设计的能源性能，以及现场光伏阵列的可再生能源发电，其形式为 ClearVue 的 PV 玻璃，覆盖所有玻璃表面 - 以及 50% 的屋顶面积建筑物覆盖着典型的屋顶安装光伏阵列——在其使用阶段共同提供建筑物大约 40% 的能源需求。净零能源使用也很容易实现，只需覆盖 Archetype 规模和规模建筑的 37% 的强制停车位，并增加屋顶光伏。
ClearVue 已经实现了 2030 TGS 基准，同时保持建筑物立面的窗墙比为南部 90%、东部 70%、西部 70% 和北部 40%。这些高开窗率意味着建筑的最终用户可以获得更多的自然光——这是“建筑健康”设计运动的一个关键因素——所有这些都不会影响建筑的碳足迹。
![]()
艺术家对“ClearZero Archetype”前视图的印象和来自Footprint报告的技术数据摘要。
4.结论
综上所述，我们从工业角度对半透明BIPV领域的近期趋势进行了最新展望，重点关注高透明太阳能窗系统的发展。描述了最近的太阳能窗户安装实例以及相关的技术性能特征，强调了这种新型能量生成透明建筑材料的广泛应用潜力。这些高透明度太阳能窗在不久的将来将在帮助建筑环境脱碳方面发挥的重要作用也得到了说明，使用来自第三方案例研究的数据和结果，该原型建筑在高开窗处使用 Clearvue 太阳能窗率，表明碳足迹大幅减少。
