如何用太阳能皮肤覆盖建筑物

本文讨论了十亿美元规模的研发计划如何潜在地开发出制造、安装和维护定制光伏太阳能材料的机器，这些光伏太阳能材料以低于传统覆盖物的成本包裹建筑屋顶和墙壁表面。降低成本可能是可行的，因为侧隔板和屋顶瓦片是手工安装的，而且太阳能蒙皮可以自动化。如果太阳能成本低于传统覆盖物，它将很受欢迎，这将减少 CO 2排放。

太阳能像拼图一样组合在一起

典型的房屋在内墙表面放置干墙，在外墙表面放置胶合板。工人们从 4 x 8 英尺的实心面板开始，并将它们切割成定制的形状来包裹门窗。为了使这更容易，建筑软件会生成每件作品的图纸。

理论上，人们可以对直接附着在外部胶合板上的太阳能材料做类似的事情。例如，可以用 12 个定制件包裹一座建筑。在这个概念中，件用绿色勾勒并编号；将材料固定到外部胶合板上的水平导轨以蓝色显示；在窗户/门垂直边缘处提供防水密封的支架以紫色显示。

由于内部电线，无法在现场切割太阳能；因此，需要机器在工厂中制造定制形状。门窗相对于图纸的位置通常只能精确到±1cm。因此，需要摄影、视频和/或激光扫描来提高准确性。

新建的建筑物可能包含包含与太阳能材料机械接口的标准化特征的门窗。或者，现有结构可能使用定制的工厂制造的支架。

建筑物的寿命比光伏太阳能长得多；因此，太阳能皮肤需要通过螺栓和螺钉来支持拆卸和更换。

水平导轨将太阳能皮肤固定到表面

下面的图 3显示了两片太阳能蒙皮之间的水平接缝示例。该接缝在上图中以蓝色显示。下轨（紫色）通过螺钉连接到胶合板上，上轨（浅绿色）通过螺栓连接到下轨。约 2 毫米厚的柔性光伏太阳能材料（深蓝色）通过粘合剂（黄色）附着在轨道上。可选的嵌入式印刷电路板 （PCB）（深绿色）支持约 1 厘米高（深红色）的电子元件。下层薄金属（灰色）压在胶合板（棕色）上。这提供了强度和防火屏障。未显示的是下金属层和上太阳能层之间的蜂窝塑料，它填充了 PCB 周围的空白空间。雨水（鲜红色）流过重叠的接缝，避开胶合板。

图 3：水平导轨将太阳能材料固定到胶合板上，并通过重叠提供防水密封。

为什么没有这样做？

好消息是光伏硅和薄膜材料的成本相对较低。开发一个包裹建筑物的机械系统成本很低。坏消息是开发制造和安装定制件的商业级机器成本高昂。多台复杂的机器也使投资者认为这是“太大”或“太多活动部件”。随后，需要政府或基金会的资金来推动这一进程。

理论上，人们可以花费 1 到 1000 万美元来开发包装的机械结构，并探索制造和安装的机器。如果最初的研究表明这是合理的，那么就花更多的钱。换句话说，一个人可以先花小钱再花大钱。

大太阳能屋顶

房屋需要大量的光伏太阳能才能成为电力的净生产者，尤其是在寒冷气候下用电供暖时。出于这个原因，人们可能会从边到边完全覆盖超大屋顶。建筑师John Meyer提出的这个概念说明了 1:1 的地板与太阳能的比率（即两者都是 185m 2）。如果仔细检查，他们可能会注意到一半屋顶不在结构上方。

使超大屋顶在经济上可行是一项挑战，因为类似于上面所示的大型结构往往成本高昂。但是，工程师可以通过使用工厂制造的轻型框架扩展传统屋顶来在经济上完成这项工作。

为了降低成本，可以通过自动化安装大量太阳能。在这个概念中，15m 宽 x 10m 高的胶合板屋顶覆盖有五个重叠的条带，每个条带为 15 x 2.1m。

内部电子和电源电缆

电力转换电子设备和电缆既可以放置在建筑物内（例如屋顶下的阁楼），也可以嵌入太阳能材料本身。如果 PCB 是嵌入的，则需要额外 1 到 2 厘米的空间，如图 7 所示。可以将它们放置在导轨附近以支持 PCB 更换，如图所示。

图 7：嵌入太阳能材料中的印刷电路板 （PCB）。

较大的太阳能块（例如 15 x 2.1m）可能包括内部电缆和电子设备，因为在整个建筑物中分布大型可维修电子设备网络通常并不方便。

最大化功率

尺寸为 13 x 13 厘米（5 x 5 英寸）的硅太阳能电池通常串联在一起。随后，电流受到产生最少功率的电池的限制（基尔霍夫定律）。例如，如果一根电线将 100 个电池连接在一起，而一片树叶或树荫覆盖了一个电池的一半，那么整个电池串的总功率就会减少一半。一种补救措施是添加电子设备，以最大限度地提高较短电池串的功率。然而，更多的电子产品会花费更多的钱。

大块太阳能提供了传统 1 x 1.5m 面板及其两条电源线所不具备的电气和接线机会。例如，如图 8 所示，两个内部 PCB（深绿色）可以最大化 15 x 2.1m 材料条内 16 个不同的 300W 太阳能区域（紫色）的功率，如图 8 所示。每个 PCB 最大化并结合来自 8 个区域和内部的功率多线电缆将它们连接在一起。在这个概念中，左上角描绘了一个 300W 的电池串（蓝色）。行人看不到区域和 PCB，因为它们是内部的。

图 8：15 x 2.1m 太阳能材料中的功率转换电子器件可最大限度地提高来自 16 个不同 300W 区域的功率。

图 9 显示了如何使用 8 个 PCB 组合来自 64 个区域的功率，每个区域的大小为 300W。这个概念使用八个串联的 50V PCB （50V x 8） 产生 400VDC，其中每个 PCB 都使用低电压、低高度和低成本的组件。

图 9：功率转换电子器件使用 8 个 PCB 将来自 64 个不同 300W 区域的功率最大化。

有几种方法可以在大型太阳能电池阵列中组合和最大化功率，所有这些都值得探索。

消防与安全

工程师必须确保他们不会烧毁房屋、不会在开着的窗户伤害 10 岁儿童或触电邻居的狗。靠近地面或靠近打开的窗户的太阳能可能会造成电击危险。作为一种补救措施，可以在这些位置放置较低的电压，和/或在电流断路时关闭电源。为了降低火灾风险，电子设备可以设计为在组件故障时限制热量，和/或可以在组件和胶合板之间放置一个热障。

硅与薄膜

光伏太阳能材料有硅和薄膜两大类。在许多应用中，硅由于具有更高的转换效率和更少的效率随时间退化而受到青睐。然而，薄膜（例如CIGS）有时更受青睐，因为它更灵活，更能抵抗冰雹。

硅可以非常轻微地弯曲。另一方面，薄膜可以弯曲得更多。例如，可以将2m宽、几十米长的薄膜片卷起来放入直径1.5m、圆柱体长2m的筒中。

一个直径为 2 厘米的冰雹以 100 公里/小时的速度行进可能会损坏硅，除非用 3.2 毫米厚的钢化玻璃进行保护。另一方面，薄膜更有弹性，可以在没有这种玻璃的情况下部署。钢化玻璃不能滚动或弯曲；因此，在直径≤1.5m 的罐中运输可卷曲的抗冰雹材料时，薄膜将受到青睐。

墙上的光伏硅可能会在没有明显保护的情况下经受住冰雹的考验，因为大致垂直行进的射弹会逐渐撞击垂直表面。在这种情况下，可以将 PV 硅嵌入薄的柔性塑料（例如ETFE）中，将其滚动并在直径为 2.5m 的大罐中运输长件。

总之，可以使用硅或带有太阳能皮肤的薄膜。

扁平刚性与可滚动

工程师可能会考虑小平面不可卷曲，而不是大型可卷曲。理论上，工厂可以堆叠约 1 x 1.5m 大小的部件，放入容器中，运输，并通过专用机器安装。或者，由于尺寸和重量可控，工人可以手动安装。平面不可卷曲的一个优点是它可以包括 3.2 毫米厚的钢化玻璃，可以保护光伏硅免受冰雹的影响。

小平板的一个缺点是许多垂直接缝可能会泄漏雨水。一种可能的补救措施是重叠垂直肋，这在金属肋屋顶上很常见。但是，许多垂直接缝可能容易出现故障，尤其是在拐角处。由于树枝和冰雹，金属肋骨有时会随着时间的推移而变形。小平板的另一个缺点是每个部件都有自己的电气连接器，并且许多连接器不如焊接到大型内部线束上可靠。

工程师也可能会考虑通过起重机进入的大型公寓。这是大型波纹钢建筑常用的技术。

综上所述，建筑的包裹方式有很多种，都值得探索。

管理热量

太阳向每平方米辐射约 900 瓦 （W） 的能量，典型的硅光伏效率为约 20%。因此，约 80% 的阳光照射到 PV 硅上时会转化为热量。这相当于每平方厘米 0.070W （900W x 80% / （100cm x 100cm））。建筑物的墙壁和屋顶通常有隔热材料；因此，这些热量必须通过面向太阳的外表面转移到大气中。与表面摩擦的空气通过对流将约277°C/W/cm 2的热量从该表面带走。因此，来自太阳的热量会使太阳皮肤温度升高 ~20°C（例如 40°C 室外温度，60°C PV 太阳温度，~20°C = 60 – 40 = 0.070 x 277）。

内部电源转换 PCB产生的热量大约是太阳热量的 25%（例如，效率为 98% 的 300W DC-DC 转换器的损耗为 6W，PCB 尺寸约为 15x23cm，0.017W/cm 2 = 6W/345cm 2 PCB，25% = 0.070 / 0.017）。因此，直接位于 PCB 上方的光伏太阳能材料将额外加热 5°C （25% x 20°C）。PV 硅在温度升高时降解更快并且效率更低。因此，为了避免额外的 5°C 加热，可以将非 PV 材料直接放置在 PCB 上方。

用标准协调多家公司

标准促进了来自不同公司的产品的互操作性。例如，35mm 模拟胶卷及其胶卷的尺寸是为了协调相机制造商和胶片处理机制造商而制定的。人们可以将相同的原理应用于太阳皮肤。太阳能皮肤加工机器和兼容门窗的制造商可以与商定的机械师进行协调。

要创建标准，需要“标准组”中的多家公司就“标准文件”达成一致，该文件描述了系统中的组件如何以机械、电气和/或计算机网络的方式组合在一起。标准组由“标准机构”组织（例如IEEE）管理。

在提出标准之前，必须通过设计、原型设计和测试系统来确保可行性。大多数公司只能负担得起开发自己的产品，而不是其他所有人的产品。而且他们很少加入标准组，除非正在开发的系统是免费和开放的，因为他们不想被别人控制。

总之，在许多情况下，标准化系统需要免费和开放的政府或基金会支持，以达到生产工作原型所需的程度。

从小预算开始

无需花费大量资金即可开发太阳能皮肤。更具体地说，可以：

在计算机上设计和模拟太阳皮肤，无需构建物理原型。

使用在水平轨道上重叠的两块太阳能材料构建简单的原型，并通过风和水进行测试。

同上，但门窗垂直边缘。

用胶合板建造一立方米大小的“房子”，用手工制作的太阳能表皮包裹起来，并通过风和水进行测试。最初可以使用塑料片（不是 PV 材料），并专注于创建一个防水系统，该系统可以附着在胶合板上、包裹门窗并支持拆卸。一个一立方米的一窗一门的盒子足以测试支持更大结构的系统。

结论

包裹建筑物的方式有很多种，每一种都可以通过几个参数来表征：建筑物的类型、新建筑或现有建筑、屋顶或墙壁、物理拓扑结构（例如大型可滚动、大型扁平、小型扁平）、是否嵌入电子设备， 3mm 平板玻璃或柔性塑料盖，以及硅或薄膜 PV。

审核编辑：郭婷