本文討論了十億美元規(guī)模的研發(fā)計劃如何潛在地開發(fā)出制造、安裝和維護定制光伏太陽能材料的機器，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，因為側(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，建筑軟件會生成每件作品的圖紙。

理論上，人們可以對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 個定制件包裹一座建筑。在這個概念中，件用綠色勾勒并編號；將材料固定到外部膠合板上的水平導(dǎo)軌以藍色顯示；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)場切割太陽能；因此，需要機器在工廠中制造定制形狀。門窗相對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械接口的標(biāo)準(zhǔn)化特征的門窗。或者，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較低。開發(fā)一個包裹建筑物的機械系統(tǒng)成本很低。壞消息是開發(fā)制造和安裝定制件的商業(yè)級機器成本高昂。多臺復(fù)雜的機器也使投資者認(rèn)為這是“太大”或“太多活動部件”。隨后，需要政府或基金會的資金來推動這一進程。

理論上，人們可以花費 1 到 1000 萬美元來開發(fā)包裝的機械結(jié)構(gòu)，并探索制造和安裝的機器。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。出于這個原因，人們可能會從邊到邊完全覆蓋超大屋頂。建筑師John Meyer提出的這個概念說明了 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，他們可能會注意到一半屋頂不在結(jié)構(gòu)上方。

使超大屋頂在經(jīng)濟上可行是一項挑戰(zhàn)，因為類似于上面所示的大型結(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展傳統(tǒng)屋頂來在經(jīng)濟上完成這項工作。

為了降低成本，可以通過自動化安裝大量太陽能。在這個概念中，15m 寬 x 10m 高的膠合板屋頂覆蓋有五個重疊的條帶，每個條帶為 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。可以將它們放置在導(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，因為在整個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 個電池連接在一起，而一片樹葉或樹蔭覆蓋了一個電池的一半，那么整個電池串的總功率就會減少一半。一種補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)品會花費更多的錢。

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會。例如，如圖 8 所示，兩個內(nèi)部 PCB（深綠色）可以最大化 15 x 2.1m 材料條內(nèi) 16 個不同的 300W 太陽能區(qū)域（紫色）的功率，如圖 8 所示。每個 PCB 最大化并結(jié)合來自 8 個區(qū)域和內(nèi)部的功率多線電纜將它們連接在一起。在這個概念中，左上角描繪了一個 300W 的電池串（藍色）。行人看不到區(qū)域和 PCB，因為它們是內(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 個不同 300W 區(qū)域的功率。

圖 9 顯示了如何使用 8 個 PCB 組合來自 64 個區(qū)域的功率，每個區(qū)域的大小為 300W。這個概念使用八個串聯(lián)的 50V PCB （50V x 8） 產(chǎn)生 400VDC，其中每個 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 PCB 將來自 64 個不同 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燒毀房屋、不會在開著的窗戶傷害 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造成電擊危險。作為一種補救措施，可以在這些位置放置較低的電壓，和/或在電流斷路時關(guān)閉電源。為了降低火災(zāi)風(fēng)險，電子設(shè)備可以設(shè)計為在組件故障時限制熱量，和/或可以在組件和膠合板之間放置一個熱障。

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間退化而受到青睞。然而，薄膜（例如CIGS）有時更受青睞，因為它更靈活，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、幾十米長的薄膜片卷起來放入直徑1.5m、圓柱體長2m的筒中。

一個直徑為 2 厘米的冰雹以 100 公里/小時的速度行進可能會損壞硅，除非用 3.2 毫米厚的鋼化玻璃進行保護。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。鋼化玻璃不能滾動或彎曲；因此，在直徑≤1.5m 的罐中運輸可卷曲的抗冰雹材料時，薄膜將受到青睞。

墻上的光伏硅可能會在沒有明顯保護的情況下經(jīng)受住冰雹的考驗，因為大致垂直行進的射彈會逐漸撞擊垂直表面。在這種情況下，可以將 PV 硅嵌入薄的柔性塑料（例如ETFE）中，將其滾動并在直徑為 2.5m 的大罐中運輸長件。

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

工程師可能會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，運輸，并通過專用機器安裝。或者，由于尺寸和重量可控，工人可以手動安裝。平面不可卷曲的一個優(yōu)點是它可以包括 3.2 毫米厚的鋼化玻璃，可以保護光伏硅免受冰雹的影響。

小平板的一個缺點是許多垂直接縫可能會泄漏雨水。一種可能的補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，金屬肋骨有時會隨著時間的推移而變形。小平板的另一個缺點是每個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。

工程師也可能會考慮通過起重機進入的大型公寓。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 硅上時會轉(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)相機制造商和膠片處理機制造商而制定的。人們可以將相同的原理應(yīng)用于太陽皮膚。太陽能皮膚加工機器和兼容門窗的制造商可以與商定的機械師進行協(xié)調(diào)。

要創(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”達成一致，該文件描述了系統(tǒng)中的組件如何以機械、電氣和/或計算機網(wǎng)絡(luò)的方式組合在一起。標(biāo)準(zhǔn)組由“標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)”組織（例如IEEE）管理。

在提出標(biāo)準(zhǔn)之前，必須通過設(shè)計、原型設(shè)計和測試系統(tǒng)來確保可行性。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)是免費和開放的，因為他們不想被別人控制。

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

從小預(yù)算開始

無需花費大量資金即可開發(fā)太陽能皮膚。更具體地說，可以：

在計算機上設(shè)計和模擬太陽皮膚，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)建簡單的原型，并通過風(fēng)和水進行測試。

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)和水進行測試。最初可以使用塑料片（不是 PV 材料），并專注于創(chuàng)建一個防水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以附著在膠合板上、包裹門窗并支持拆卸。一個一立方米的一窗一門的盒子足以測試支持更大結(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、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