中國金屬結構協會光電建筑應用委員會專家
龍 文 志
世博會對推動建筑技術的創新可謂功不可沒。歷屆世博會都力求展示當下世界科技領域最前沿的研究成果，就像一個最新科技的斗秀場。世博會上出現的新興技術為我們展示了未來建筑技術發展的新趨勢。
中國的城鎮化正處在一個關鍵時刻。改革開放之初，中國城鎮化率只有17%，現在已近47%。今后25年到30年，是中國城鎮化一個飛速發展的時期，城鎮化不僅是中國面臨的大問題，也是世界面臨的大問題。因為發展中國家在崛起的過程當中，工業化和城鎮化是齊頭并進的，城鎮化的目的就是使人的生活更美好，這跟世博會的主題“城市讓生活更美好”不謀而合。如何讓生活更美好？世博會給我們提供了一個前所未有的機會，150多個國家，50多個國際組織到這兒來展現他們的理念。
上海世博會開幕之際，正逢一場新能源革命席卷全球之時。最能代表未來城市發展的低耗能建筑---太陽能建筑在上海世博會上大放異彩，昭示著光電建筑在未來城市的發展中將異軍突起。
由“世博科技行動計劃”設立專項研究的世博會太陽能應用科技創新涉及世博園區中國館、主題館光伏建筑一體化關鍵應用技術。它包括中國館、主題館太陽能與建筑結合技術和光伏建筑一體化組件技術。世博會永久場館中國館、主題館光伏建筑一體化并網電站建成后，將成為目前亞洲和中國總容量位居前列的光伏建筑一體化并網電站。主題館光伏建筑一體化并網系統規模可達2.5 兆瓦，將是國內單體建筑上最大容量的光伏建筑一體化并網系統；中國館光電建筑則是結合具有傳統中國特色建筑建造的BIPV 并網電站。這不僅是世博會一個嶄新的科技亮點，還必將成為我國BIPV 并網光伏發電領域的成功典范。
此外，世博中心、南市電廠和滬上生態家等場館都將建立光伏建筑一體化并網發電系統。整座世博園的太陽能光伏發電總裝機容量將達4.5 兆瓦，預計每年可節電約420 萬千瓦時，減排二氧化碳約4100t。集中使用，是上海世博會太陽能技術的一大特點。
世博園區太陽能發電項目實現智能化，基本上不需要人工操作，太陽升起時即開機發電，太陽落山后則自動關機，陰雨天氣時發電效率雖受一定影響，但也能照常開機發電。
上海世博園區太陽能發電項目在設計和施工過程中，充分考慮到太陽能光伏電站發電效率的優化與世博建筑美學的統一，屋頂平面采用單晶硅光伏組件與綠化間隔鋪設的布置，屋頂設備間南墻立面采用光伏遮陽組件，達到了既美觀又節能的效果。
世博會上太陽能技術的應用和太陽能科技成果的展示使人們能夠看到并體驗到太陽能技術給人類生活帶來的變化。在此前的兩屆世博會上，均對太陽能的應用作了初步展示，而上海世博會的光伏應用，則將人們對這一技術的研究探索和應用推向高潮。
主題館光電屋頂
上海世博會永久性建筑之一的主題館屋頂面積為6萬m²，其中鋪設太陽能板面積達3 萬m²，建成后總發電量達2.5 兆瓦，使主題館成為一座兆瓦級的太陽能“綠色工廠”。主題館選用晶體硅太陽電池組件，太陽板間距僅2 mm。由于太陽能材料的特殊性，工程安裝過程中不能采用焊接方式，只能用螺絲釘扣緊。
主題館菱形鋪設的深藍色多晶光伏組件與建筑的肌理和顏色協調統一。在屋頂下方的中廳，設計者特別采用了透光的雙層玻璃組件，讓光線傾瀉而下，日照充分時，無需打開館內的照明設施，而游客也看不到屋頂太陽能板的痕跡。。
世博主題館太陽能屋頂設計的創意取自上海弄堂屋頂的肌理，整體猶如碧波粼粼的海面。標準的電池板都是長方形的，為了鋪出 “碧海微波”的效果，主題館屋頂用了大量形狀不規則的電池組件，它們產生的電壓、電量不同于常規，所以在電池的并聯串聯方式上換了新思路。而且，主題館內部是大跨度空間設計，屋頂承重有限，因此常規的安裝配件被“瘦身”，施工工藝也被革新。
圖1主題館光電屋頂
圖2 世博主題館頂部太陽能板
世博會中國館彩色光電屋頂
上海世博會中國館250千瓦高效彩色太陽能發電并網系統安裝在中國館地區屋面“新九州清宴”園林四周，由2736塊高效彩色（紅色、綠色、藍色）太陽能電池組件組成，這是高效彩色太陽能發電系統在建筑上的首次應用。彩色太陽能發電系統既能夠將陽光轉換成清潔電力，又能根據建筑需要拼裝出彩色圖案起到美化裝飾效果，這不僅是光伏建筑一體化（BIPV)應用的一個經典案例，更是光伏環境一體化（EIPV)的一次精彩亮相，是對本屆世博會主題“城市 讓生活更美好”的具體演繹。
由于常規太陽能電池只有做成黑色才能保證較高的轉換效率，因此，在常規太陽能電池應用于建筑物的過程中常會面臨要么犧牲建筑物的美觀，要么犧牲光伏系統發電效率的兩難困境。光伏建筑一體化的概念需要新的內涵，它必須考慮光伏組件與環境和建筑的協調性。
中國館的地區館屋面，是景色宜人的“新九州清宴”園林景觀。如果采用傳統太陽能光伏板呈現藍色或黑色將會大煞風景，破壞景觀效果。而采用彩色太陽能光伏板組成的迷彩“高效彩色雙玻組件”建成光伏建筑一體化的太陽能發電系統，紅、綠、藍三色電池板圍繞園林四周，與景觀的色彩和諧統一，這條足有一公里長的太陽能發電系統不僅為中國館提供２５０千瓦的清潔電力，更與周圍“新九州清宴”的園林相映成趣，成為世博園中的一大景觀，也是高效率彩色太陽能發電系統在建筑物上的首次應用。
圖3上海世博會中國館彩色光電屋頂
圖4上海世博會中國館彩色光電屋頂與“新九州清宴”園林相映
圖5上海世博會中國館彩色光電屋頂安裝
圖6上海世博會中國館彩色光電屋頂安裝
臺灣館的神奇——調光薄膜
上海世博會臺灣館外墻玻璃貼有電子調光薄膜，調光薄膜是一種智能薄膜，直接將薄膜貼合在玻璃上，再經過電壓使得調光薄膜呈現穿透及霧狀，可使玻璃在透明與不透明之間轉換，即使不透明時，采光效果也很好，對光的熱能具有絕緣反射作用，使得室內冬暖夏涼，環保節能。調光薄膜利用液晶的光學特性，實現了薄膜的光電功能。
圖7上海世博會臺灣館調光薄膜不透光遮蔽內景
圖8上海世博會臺灣館調光薄膜透光顯示內景
圖9上海世博會臺灣館調光薄膜不透光外景
日本館柔性光電外墻
上海世博會日本館高約24m，占地面積約6000m²，呈半圓型的大穹頂，外層是帶有太陽能發電裝置的超輕 “膜結構”，一種建筑用的柔性光電薄膜。這層膜，白天能透過陽光，利用太陽能發電，夜晚讓建筑物閃閃發光。
圖10上海世博會日本館柔性光電外墻俯瞰
圖11上海世博會日本館柔性光電外墻側視
瑞士館智能光電幕墻
瑞士館互動型智能光電幕墻是展館的亮點之一，由半透明的鋁網結構帷幕覆蓋，安裝11000塊包含敏化太陽電池的生物樹脂智能光電幕墻建筑。光電外墻的紅色圓盤是太陽能光電板，可以利用展館周圍的能量光伏發電，比如對太陽能或者照相機閃光燈產生的光能發生閃光的反應。同時，這些太陽電池可以儲存能量，并互為光源，使得帷幕在夜間也能閃光。這種獨特新穎的構思意在提醒：我們身邊有許多未被利用的能量。
圖12上海世博會瑞士館互動智能光電幕墻
圖13上海世博會瑞士館互動智能光電幕墻
法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻
上海世博會運用太陽能光伏技術的展館很多，但在太陽能板下還有潺潺流水的，恐怕只有法國阿爾薩斯案例館了。通過巧妙運用太陽能發電、水源降溫等技術，這幢金屬鋼架結構的建筑有效實現了冬暖夏涼。其主要看點集中于南立面，傾斜的墻面分為兩部分，一部分是被青枝綠葉覆蓋的“綠墻”，另一部分是玻璃幕墻。
水幕館”的原型，來自阿爾薩一所普通高中的太陽能發電墻。在這屆世博會上，科學家進行了豪華升級：傳統概念中，玻璃幕墻是造成現代建筑夏天“溫室效應”的罪魁禍首，但在這里，它卻是整幢建筑實現冬暖夏涼的關鍵所在。玻璃幕墻從外到內包括三個層面，外層為夾層玻璃光伏組件，中間層是可開可閉的空氣層，最后一層是玻璃，上面有水流過，構成水幕玻璃。玻璃幕墻上的太陽能光伏發電板面積約為72.2m²，發電量6600瓦，雖然無法完全滿足這幢3層高建筑的所有能量需求，但運行情況表明，在與水幕的聯合作用下，室內的空調能耗已經比常規同類建筑少很多。
“冬天模式”： 太陽能電池依舊運作，供給空調用電，水幕停止流動，所有的玻璃窗全部關閉，中間層成為一個密閉空氣艙。經過陽光照射以及太陽光在光電板上轉換成電并發熱，密閉艙里的空氣被迅速加熱，并源源不斷送往風機，就能持續地給室內各個樓面供暖。
夏天模式”： 太陽能電池板產生的電能運行水泵，讓從上而下流動的水幕為房子帶走熱量；空氣層玻璃向室外打開通風。
光電建筑在實際運行中,光伏電池的光電轉換效率隨著工作溫度的上升而下降。理論研究表明:標準條件下,單晶硅太陽電池在0度時的最大理論轉換效率可到30％。在光強一定的條件下，硅電池自身溫度升高時，硅電池轉換效率約為12％一17％。照射到電池表面上的太陽能83％以上未能轉換為有用能量，相當一部分能量轉化為熱能，使太陽能電池溫度升高。 若能將使電池溫度升高的熱量加以回收利用，使光電電池的溫度維持在一個較低的水平，既不降低光電電池轉換效率,又能得到額外的熱收益，于是太陽能光伏光熱一體化系統(PVT系統)應運而生。在建筑的外維護結構外表面設置光伏光熱PVT組件或以光伏光熱PVT構件在提供電力的同時又能提供熱水或實現室內采暖等功能，解決了光伏模塊的冷卻問題,改善了建筑外維護結構得熱,甚至可以使建筑物的室內空調負荷的大量減少，增加了BIPV的多功能性， 為建筑節能和推廣BIPV系統提供了一種新的思路。法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻是一個較好的案例。
圖14上海世博會法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻
圖15上海世博會法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻
圖16上海世博會法國阿爾薩斯案例館水幕光電幕墻
結 束 語
太陽能建筑是本次上海世博會的最大亮點，而太陽能發電項目規模之大、運用的新技術之多，在世博歷史上也是空前的。上海世博會對低碳與環保的實踐，不僅令中國受惠，還將為全球帶來新的啟迪，其中光電建筑帶來了新的嘗試、新的看點。