本文討論了十億美元規(guī)模的研發(fā)計(jì)劃如何潛在地開發(fā)出制造、安裝和維護(hù)定制光伏太陽能材料的機(jī)器，這些光伏太陽能材料以低于傳統(tǒng)覆蓋物的成本包裹建筑屋頂和墻壁表面。降低成本可能是可行的，因?yàn)閭?cè)隔板和屋頂瓦片是手工安裝的，而且太陽能蒙皮可以自動(dòng)化。如果太陽能成本低于傳統(tǒng)覆蓋物，它將很受歡迎，這將減少 CO 2排放。

太陽能像拼圖一樣組合在一起

典型的房屋在內(nèi)墻表面放置干墻，在外墻表面放置膠合板。工人們從 4 x 8 英尺的實(shí)心面板開始，并將它們切割成定制的形狀來包裹門窗。為了使這更容易，建筑軟件會(huì)生成每件作品的圖紙。

理論上，人們可以對(duì)直接附著在外部膠合板上的太陽能材料做類似的事情。例如，可以用 12 個(gè)定制件包裹一座建筑。在這個(gè)概念中，件用綠色勾勒并編號(hào)；將材料固定到外部膠合板上的水平導(dǎo)軌以藍(lán)色顯示；在窗戶/門垂直邊緣處提供防水密封的支架以紫色顯示。

由于內(nèi)部電線，無法在現(xiàn)場(chǎng)切割太陽能；因此，需要機(jī)器在工廠中制造定制形狀。門窗相對(duì)于圖紙的位置通常只能精確到±1cm。因此，需要攝影、視頻和/或激光掃描來提高準(zhǔn)確性。

新建的建筑物可能包含包含與太陽能材料機(jī)械接口的標(biāo)準(zhǔn)化特征的門窗?；蛘?，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可能使用定制的工廠制造的支架。

建筑物的壽命比光伏太陽能長(zhǎng)得多；因此，太陽能皮膚需要通過螺栓和螺釘來支持拆卸和更換。

水平導(dǎo)軌將太陽能皮膚固定到表面

下面的圖 3顯示了兩片太陽能蒙皮之間的水平接縫示例。該接縫在上圖中以藍(lán)色顯示。下軌（紫色）通過螺釘連接到膠合板上，上軌（淺綠色）通過螺栓連接到下軌。約 2 毫米厚的柔性光伏太陽能材料（深藍(lán)色）通過粘合劑（黃色）附著在軌道上。可選的嵌入式印刷電路板 （PCB）（深綠色）支持約 1 厘米高（深紅色）的電子元件。下層薄金屬（灰色）壓在膠合板（棕色）上。這提供了強(qiáng)度和防火屏障。未顯示的是下金屬層和上太陽能層之間的蜂窩塑料，它填充了 PCB 周圍的空白空間。雨水（鮮紅色）流過重疊的接縫，避開膠合板。

圖 3：水平導(dǎo)軌將太陽能材料固定到膠合板上，并通過重疊提供防水密封。

為什么沒有這樣做？

好消息是光伏硅和薄膜材料的成本相對(duì)較低。開發(fā)一個(gè)包裹建筑物的機(jī)械系統(tǒng)成本很低。壞消息是開發(fā)制造和安裝定制件的商業(yè)級(jí)機(jī)器成本高昂。多臺(tái)復(fù)雜的機(jī)器也使投資者認(rèn)為這是“太大”或“太多活動(dòng)部件”。隨后，需要政府或基金會(huì)的資金來推動(dòng)這一進(jìn)程。

理論上，人們可以花費(fèi) 1 到 1000 萬美元來開發(fā)包裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并探索制造和安裝的機(jī)器。如果最初的研究表明這是合理的，那么就花更多的錢。換句話說，一個(gè)人可以先花小錢再花大錢。

大太陽能屋頂

房屋需要大量的光伏太陽能才能成為電力的凈生產(chǎn)者，尤其是在寒冷氣候下用電供暖時(shí)。出于這個(gè)原因，人們可能會(huì)從邊到邊完全覆蓋超大屋頂。建筑師John Meyer提出的這個(gè)概念說明了 1:1 的地板與太陽能的比率（即兩者都是 185m 2）。如果仔細(xì)檢查，他們可能會(huì)注意到一半屋頂不在結(jié)構(gòu)上方。

使超大屋頂在經(jīng)濟(jì)上可行是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)轭愃朴谏厦嫠镜拇笮徒Y(jié)構(gòu)往往成本高昂。但是，工程師可以通過使用工廠制造的輕型框架擴(kuò)展傳統(tǒng)屋頂來在經(jīng)濟(jì)上完成這項(xiàng)工作。

為了降低成本，可以通過自動(dòng)化安裝大量太陽能。在這個(gè)概念中，15m 寬 x 10m 高的膠合板屋頂覆蓋有五個(gè)重疊的條帶，每個(gè)條帶為 15 x 2.1m。

內(nèi)部電子和電源電纜

電力轉(zhuǎn)換電子設(shè)備和電纜既可以放置在建筑物內(nèi)（例如屋頂下的閣樓），也可以嵌入太陽能材料本身。如果 PCB 是嵌入的，則需要額外 1 到 2 厘米的空間，如圖 7 所示?？梢詫⑺鼈兎胖迷趯?dǎo)軌附近以支持 PCB 更換，如圖所示。

圖 7：嵌入太陽能材料中的印刷電路板 （PCB）。

較大的太陽能塊（例如 15 x 2.1m）可能包括內(nèi)部電纜和電子設(shè)備，因?yàn)樵谡麄€(gè)建筑物中分布大型可維修電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通常并不方便。

最大化功率

尺寸為 13 x 13 厘米（5 x 5 英寸）的硅太陽能電池通常串聯(lián)在一起。隨后，電流受到產(chǎn)生最少功率的電池的限制（基爾霍夫定律）。例如，如果一根電線將 100 個(gè)電池連接在一起，而一片樹葉或樹蔭覆蓋了一個(gè)電池的一半，那么整個(gè)電池串的總功率就會(huì)減少一半。一種補(bǔ)救措施是添加電子設(shè)備，以最大限度地提高較短電池串的功率。然而，更多的電子產(chǎn)品會(huì)花費(fèi)更多的錢。

大塊太陽能提供了傳統(tǒng) 1 x 1.5m 面板及其兩條電源線所不具備的電氣和接線機(jī)會(huì)。例如，如圖 8 所示，兩個(gè)內(nèi)部 PCB（深綠色）可以最大化 15 x 2.1m 材料條內(nèi) 16 個(gè)不同的 300W 太陽能區(qū)域（紫色）的功率，如圖 8 所示。每個(gè) PCB 最大化并結(jié)合來自 8 個(gè)區(qū)域和內(nèi)部的功率多線電纜將它們連接在一起。在這個(gè)概念中，左上角描繪了一個(gè) 300W 的電池串（藍(lán)色）。行人看不到區(qū)域和 PCB，因?yàn)樗鼈兪莾?nèi)部的。

圖 8：15 x 2.1m 太陽能材料中的功率轉(zhuǎn)換電子器件可最大限度地提高來自 16 個(gè)不同 300W 區(qū)域的功率。

圖 9 顯示了如何使用 8 個(gè) PCB 組合來自 64 個(gè)區(qū)域的功率，每個(gè)區(qū)域的大小為 300W。這個(gè)概念使用八個(gè)串聯(lián)的 50V PCB （50V x 8） 產(chǎn)生 400VDC，其中每個(gè) PCB 都使用低電壓、低高度和低成本的組件。

圖 9：功率轉(zhuǎn)換電子器件使用 8 個(gè) PCB 將來自 64 個(gè)不同 300W 區(qū)域的功率最大化。

有幾種方法可以在大型太陽能電池陣列中組合和最大化功率，所有這些都值得探索。

消防與安全

工程師必須確保他們不會(huì)燒毀房屋、不會(huì)在開著的窗戶傷害 10 歲兒童或觸電鄰居的狗。靠近地面或靠近打開的窗戶的太陽能可能會(huì)造成電擊危險(xiǎn)。作為一種補(bǔ)救措施，可以在這些位置放置較低的電壓，和/或在電流斷路時(shí)關(guān)閉電源。為了降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，電子設(shè)備可以設(shè)計(jì)為在組件故障時(shí)限制熱量，和/或可以在組件和膠合板之間放置一個(gè)熱障。

硅與薄膜

光伏太陽能材料有硅和薄膜兩大類。在許多應(yīng)用中，硅由于具有更高的轉(zhuǎn)換效率和更少的效率隨時(shí)間退化而受到青睞。然而，薄膜（例如CIGS）有時(shí)更受青睞，因?yàn)樗`活，更能抵抗冰雹。

硅可以非常輕微地彎曲。另一方面，薄膜可以彎曲得更多。例如，可以將2m寬、幾十米長(zhǎng)的薄膜片卷起來放入直徑1.5m、圓柱體長(zhǎng)2m的筒中。

一個(gè)直徑為 2 厘米的冰雹以 100 公里/小時(shí)的速度行進(jìn)可能會(huì)損壞硅，除非用 3.2 毫米厚的鋼化玻璃進(jìn)行保護(hù)。另一方面，薄膜更有彈性，可以在沒有這種玻璃的情況下部署。鋼化玻璃不能滾動(dòng)或彎曲；因此，在直徑≤1.5m 的罐中運(yùn)輸可卷曲的抗冰雹材料時(shí)，薄膜將受到青睞。

墻上的光伏硅可能會(huì)在沒有明顯保護(hù)的情況下經(jīng)受住冰雹的考驗(yàn)，因?yàn)榇笾麓怪毙羞M(jìn)的射彈會(huì)逐漸撞擊垂直表面。在這種情況下，可以將 PV 硅嵌入薄的柔性塑料（例如ETFE）中，將其滾動(dòng)并在直徑為 2.5m 的大罐中運(yùn)輸長(zhǎng)件。

總之，可以使用硅或帶有太陽能皮膚的薄膜。

扁平剛性與可滾動(dòng)

工程師可能會(huì)考慮小平面不可卷曲，而不是大型可卷曲。理論上，工廠可以堆疊約 1 x 1.5m 大小的部件，放入容器中，運(yùn)輸，并通過專用機(jī)器安裝?；蛘?，由于尺寸和重量可控，工人可以手動(dòng)安裝。平面不可卷曲的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以包括 3.2 毫米厚的鋼化玻璃，可以保護(hù)光伏硅免受冰雹的影響。

小平板的一個(gè)缺點(diǎn)是許多垂直接縫可能會(huì)泄漏雨水。一種可能的補(bǔ)救措施是重疊垂直肋，這在金屬肋屋頂上很常見。但是，許多垂直接縫可能容易出現(xiàn)故障，尤其是在拐角處。由于樹枝和冰雹，金屬肋骨有時(shí)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變形。小平板的另一個(gè)缺點(diǎn)是每個(gè)部件都有自己的電氣連接器，并且許多連接器不如焊接到大型內(nèi)部線束上可靠。

工程師也可能會(huì)考慮通過起重機(jī)進(jìn)入的大型公寓。這是大型波紋鋼建筑常用的技術(shù)。

綜上所述，建筑的包裹方式有很多種，都值得探索。

管理熱量

太陽向每平方米輻射約 900 瓦 （W） 的能量，典型的硅光伏效率為約 20%。因此，約 80% 的陽光照射到 PV 硅上時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。這相當(dāng)于每平方厘米 0.070W （900W x 80% / （100cm x 100cm））。建筑物的墻壁和屋頂通常有隔熱材料；因此，這些熱量必須通過面向太陽的外表面轉(zhuǎn)移到大氣中。與表面摩擦的空氣通過對(duì)流將約277°C/W/cm 2的熱量從該表面帶走。因此，來自太陽的熱量會(huì)使太陽皮膚溫度升高 ~20°C（例如 40°C 室外溫度，60°C PV 太陽溫度，~20°C = 60 – 40 = 0.070 x 277）。

內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換 PCB產(chǎn)生的熱量大約是太陽熱量的 25%（例如，效率為 98% 的 300W DC-DC 轉(zhuǎn)換器的損耗為 6W，PCB 尺寸約為 15x23cm，0.017W/cm 2 = 6W/345cm 2 PCB，25% = 0.070 / 0.017）。因此，直接位于 PCB 上方的光伏太陽能材料將額外加熱 5°C （25% x 20°C）。PV 硅在溫度升高時(shí)降解更快并且效率更低。因此，為了避免額外的 5°C 加熱，可以將非 PV 材料直接放置在 PCB 上方。

用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)多家公司

標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了來自不同公司的產(chǎn)品的互操作性。例如，35mm 模擬膠卷及其膠卷的尺寸是為了協(xié)調(diào)相機(jī)制造商和膠片處理機(jī)制造商而制定的。人們可以將相同的原理應(yīng)用于太陽皮膚。太陽能皮膚加工機(jī)器和兼容門窗的制造商可以與商定的機(jī)械師進(jìn)行協(xié)調(diào)。

要?jiǎng)?chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)，需要“標(biāo)準(zhǔn)組”中的多家公司就“標(biāo)準(zhǔn)文件”達(dá)成一致，該文件描述了系統(tǒng)中的組件如何以機(jī)械、電氣和/或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的方式組合在一起。標(biāo)準(zhǔn)組由“標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)”組織（例如IEEE）管理。

在提出標(biāo)準(zhǔn)之前，必須通過設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)來確?？尚行?。大多數(shù)公司只能負(fù)擔(dān)得起開發(fā)自己的產(chǎn)品，而不是其他所有人的產(chǎn)品。而且他們很少加入標(biāo)準(zhǔn)組，除非正在開發(fā)的系統(tǒng)是免費(fèi)和開放的，因?yàn)樗麄儾幌氡粍e人控制。

總之，在許多情況下，標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)需要免費(fèi)和開放的政府或基金會(huì)支持，以達(dá)到生產(chǎn)工作原型所需的程度。

從小預(yù)算開始

無需花費(fèi)大量資金即可開發(fā)太陽能皮膚。更具體地說，可以：

在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)和模擬太陽皮膚，無需構(gòu)建物理原型。

使用在水平軌道上重疊的兩塊太陽能材料構(gòu)建簡(jiǎn)單的原型，并通過風(fēng)和水進(jìn)行測(cè)試。

同上，但門窗垂直邊緣。

用膠合板建造一立方米大小的“房子”，用手工制作的太陽能表皮包裹起來，并通過風(fēng)和水進(jìn)行測(cè)試。最初可以使用塑料片（不是 PV 材料），并專注于創(chuàng)建一個(gè)防水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以附著在膠合板上、包裹門窗并支持拆卸。一個(gè)一立方米的一窗一門的盒子足以測(cè)試支持更大結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

結(jié)論

包裹建筑物的方式有很多種，每一種都可以通過幾個(gè)參數(shù)來表征：建筑物的類型、新建筑或現(xiàn)有建筑、屋頂或墻壁、物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如大型可滾動(dòng)、大型扁平、小型扁平）、是否嵌入電子設(shè)備， 3mm 平板玻璃或柔性塑料蓋，以及硅或薄膜 PV。

審核編輯：郭婷