基于太阳能玻璃的插座2016年2月8日摘要：自玻璃诞生以来，其在建筑中的作用就仅限于采光；而太阳能的采集由于效率原因常占用较多空间。
材料科学如今突飞猛进，玻璃的种类和功能也日益繁多；而能源问题永远都是人类重视之至的，太阳能作为源源不断的清洁能源，大有发展前途。
本项目欲将两者合二为一，使玻璃发挥更大的作用，同时减少太阳能的空间占用。
项目将从改变玻璃材质以吸收太阳能和增强现有太阳能吸收材料通透能力的正反两个方向进行研究。
而插座作为人类用电的基本平台，可以被置于可吸收太阳能的玻璃上，以供较低要求的用电，将太阳能的应用直接化。
除此之外，将会在采集端和使用端间加入储存设备，以求太阳能的充足利用以及稳定输出。
本项目就现阶段相关技术存在的问题进行分析，并在探究中对一些问题的解决方式进行合理化的构想，希望能为相关技术下一步的发展方向提供新的思路。
关键词：太阳能，玻璃，插座，储能，输出Key Words:solar energy, glass, socket, energy storage, output目录引言 (1)一、简述 (2)二、设计理念 (2)（一）简化工序，提供便捷 (2)（二）供给能耗设备，保证实用性能 (3)（三）改进储能输出，实现安全供电 (3)三、整体设计 (3)（一）太阳能玻璃 (3)1、太阳能利用现状 (4)2、多功能玻璃 (5)3、太阳能玻璃现状 (5)4、光伏建筑一体化——Building Integrated Photovataic （BIPV） (6)（二）插座 (10)（三）电路 (11)四、应用前景及市场展望 (12)参考文献 (12)图目录图 1 概念图 (3)图 2 世界太阳能逐年专利申请情况 (4)图3 部分发达国家BIPV发展计划和政府资助情况 (7)图4典型BIPV玻璃组件结构示意图 (8)图5USB插座 (10)图6可派送光伏发电系统原理框图 (11)图7光伏发电配电系统方案 (12)引言能源问题一直困扰着人类，但量大清洁的太阳能却难为所用；材料科学持续发展，但日常生活中的玻璃却功能单一；看似无关的两者，可以尝试互补以求互补。
一、简述基于太阳能玻璃的插座是一个综合性较强的项目，涉及能源、材料和电学等方面。
该项目起源于日常生活中的偶然想法：在都市，有许多高楼大厦采用玻璃外墙，美观之外，也造成了光污染，缺乏实际价值，可以考虑将其合理利用；随着人类生产力水平的快速发展，能源问题亟待解决，太阳能由于其量大清洁的特点一直饱受青睐，却在实际应用中频频遇阻，可以尝试与其他科技结合的模式；插座作为人类用电的用户端第一端口，具有方便安全等特点，可以作为许多能源传导的终端。
从这些想法出发，即有了“基于太阳能玻璃的插座”这一创意。
在日常生活中，玻璃无处不在，作为日常透光、封闭空间和装饰美观的必需品，具有广阔的应用土壤。
而太阳能的接收板和玻璃在外形上极为类似，区别在于对光通透性和对太阳能吸收性之上。
本项目尝试从太阳能玻璃这一材料的相关技术入手，在改变太阳能接收板的通透性或玻璃的吸收性两方面进行探究，结合太阳能接受技术，辅以电学知识用插座作为终端的形式将电能输出。
由于太阳能受昼夜影响较大，可在现有太阳能设备储能技术的基础上进行探究改进，提高储能效率，提高供能稳定性。
项目会先在论文中对相关问题进行分析探究，在论文成功完成并通过之后，或尝试构建模型与试用评估，关注其发电与应用效率与成本，以得出关于其大规模使用后的可行性的讨论。
在项目过程中，也将探寻更多具有潜力的材料或者拓展现有太阳能技术的发展方向。
若模型构建与评估成功将会以该项目的实际模型形式参加下一届冯如杯科技竞赛。
二、设计理念（一）简化工序，提供便捷在牺牲部分太阳能转换效率的基础上，简化太阳能采集和用户端使用之间的工序，为人类使用太阳能提供便捷。
（二）供给低耗设备，保证实用性能以插座为代表，其可对现代种类繁而数量多的移动设备等进行供电；除此之外，可从插座线路分流，对现代建筑中的火灾报警器、广播设备和LED显示屏等低耗能长续航设备进行供电。
这些设备都普遍常见，可以保证实用性能。
（三）改进储能输出，实现安全供电太阳能受昼夜因素影响较大，同时日光强度变化也将在白昼大范围变化，这就需要在储能输出方式上进行优化，保证电流稳定，电量充足，实现安全供电。
图 1 概念图三、整体设计（一）太阳能玻璃1、 太阳能利用现状目前太阳能主要在以下两个方面被加以利用：1) 利用光热效应，即把太阳光的辐射能转化为热能。
在日常生活中可以看到 的太阳能热水器和太阳灶就是这一类利用方式。
我国在太阳能的热能利用方面处于世界领先地位，自主知识产权率达到了95%以上，已成为世界上太阳能集热器最大的生产和使用国。
2) 利用光伏效应，将太阳光的辐射能直接转变为电能。
在国际大环境影响、 政府大力支持和市场有效拉动下，我国的太阳能光伏产业发展迅速。
尽管如此，由于发展时间较短，经验不足的各种原因，我国光伏产业的发展还落后于国际水平。
太阳能研究正处于一个黄金时期，由图2可见，太阳能专利经历了数十年的蛰伏之后在1974年开始增长，并且在2006年达到一个较高的水平。
这其中主要原因是人类对于能源问题的理解不断加深。
2007年的数据由于专利统计时间差导致较低，不具有参考价值。
总之，经过全人类的不懈努力，太阳能技术已经达到了一个较高的水平，而中国在讲求数量的光热产业很强势，却在讲求质量的光伏产业稍显落后。
伴随着“高科技”、“新能源”等光鲜词语的光伏产业与光热产业相比出现了明显的不平衡，它们大多沦为光伏全球产业链中的“加工厂”罢了。
在保证光热效应稳定的情况下，确实应该尽快加大研究开发力度，积极发展我国光伏产业。
图 2 世界太阳能逐年专利申请情况2、多功能玻璃随着现代科技水平的迅速提高和应用技术的日新月异，各种功能独特的玻璃纷纷问世，使玻璃拥有了更多现实角色。
强度方面，出现了不碎玻璃和防弹玻璃等，研究人员在玻璃本身的材料上加以改进，达到了不会打碎和可长时间防御子弹的功能。
应用方面，出现了可钉钉玻璃和隔音玻璃等，研究人员从材料和结构出发，解决了很多实际应用的问题，使玻璃的“软肋”更少。
其他方面，还出现了诸如不反光玻璃、真空玻璃等特殊用途玻璃，将玻璃的缺点去除，并且拓展了应用范围。
3、太阳能玻璃现状在2008年的北京奥运会中，“鸟巢”不仅仅是赛事主场馆，它其实还是一个环保的光伏发电系统。
“鸟巢”安装了100KW的太阳能光伏发电系统，日均发电量超过200kW·h，可为1.5万m2的地下车库提供充足的照明电力。
“鸟巢”所倚仗的，就是太阳能玻璃——太阳能开发与利用中最具有竞争力的新兴一族。
[2]据有关资料显示，相关技术发展到今天，太阳能玻璃应用主力为厚度类、镀膜类和低铁类三类。
这也符合了一般材料研究的思路，从结构、镀层和成分入手研究。
在之前的思考中，考虑过提高太阳能吸收板的透光性或提高玻璃的太阳能受能能力的两角度，现在看来，后者较为合理，若要完成前者，几乎就要整体更改，而后者在生产中即可做到。
查阅资料后也可以看到，太阳能玻璃研究已经经历了拓荒阶段，正处于技术的成熟期，可以尝试在其已有的类型中寻找适合直接安装插座和外接电路的一二类型。
1)厚度类：从厚度范围看，其又可以分为以下三种：2~6mm的普通薄板玻璃、0.1~1.5mm的超薄平板玻璃和≤0.1mm的无碱极超薄玻璃。
其中以最后者最为走俏，最前者最为普遍。
这些玻璃多用于特定装置或者电子工业的精密设备乃至宇宙开发领域中的设备。
理论上这些玻璃难以完成之前提到的作为建筑常规外墙的能力。
2)镀膜类：这类工艺已有成熟的技术：英国皮尔金顿公司就拥有一种浮法玻璃[3]在线镀膜工艺，并将这一工艺的使用权转让给了日本板硝子。
[4]该镀膜技术运用了化学气相沉积法，不仅能生产浮法玻璃，还能在它的表层形成超薄的半导体膜层。
这一种方法的可行性较高。
浮法玻璃本身拥有较好的性能，稍加调整即可作为玻璃外墙等建筑用玻璃。
3)低铁类：专家曾指出，要提高太阳能玻璃的透光质量，就必须减少其含铁量，在这一个工艺上，美国的福特公司走在了前列。
他们在配合料的选取中忽略了煤粉，同时加大了芒硝的用量，并且做到低碱。
产品在Psato（巴斯脱）的10兆瓦太阳能电站得到了应用，并以极佳的表现博得了关注。
并且在实际应用方面，美国PPG公司已经拥有了大量生产透过率高达92%以上的低铁太阳能用浮法玻璃的能力。
低铁浮法玻璃Fe2O3含量低至0.0063%，这种玻璃不仅可作太阳能玻璃用，还能担任汽车玻璃、导电膜玻璃、制镜玻璃以及高档建筑玻璃等多种角色。
在应用方面，这种玻璃要稍强于镀膜类玻璃。
4、光伏建筑一体化——Building Integrated Photovataic（BIPV）光伏建筑一体化——Building Integrated Photovataic（BIPV）是将太阳能光伏发电模组集成到建筑上的技术，它不是简单地将光伏系统附着在建筑上。
[5]集成的光伏产品是作为建筑的维护组组件甚至结构组件，参与到建筑结构中来。
在实现常规的采光、建筑美学等性能的同时，又能提供清洁环保的电能。
联合国能源机构的一份调查报告指出，在将来的很长一段时间，太阳能光伏节能建筑将成为二十一世纪初市场的一个重要的新兴产业。
同时，它也将推动传统建筑业和建材业的革新。
[6]在发达国家，由于经济的高水平，他们已经很早就开始了BIPV的研究。
图3即是20世纪九十年代以来，在美、德、日等发达国家BIPV 受政府资助的情况。
图 3 部分发达国家BIPV发展计划和政府资助情况在我国，2009年3月23日，国家财政部颁布《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，办法重点针对BIPV项目，每Wp[7]的补贴标准为20元（2009年）。
BIPV系统，主要有以下的两种结构：光伏屋顶结构（PV-ROOF）和光伏幕墙结构（PV——WALL）[8-9].除蓄电池、逆变器及电控等外围部件外，主体的光伏电池部分主要是以与建筑（安全）玻璃的组合形式出现。
在本项目中，屋顶安装插座不符合实际，仅讨论光伏幕墙结构。
目前常用的BIPV光伏玻璃组件结构有（钢化）夹层结构、中空结构及其组合形式，如图4。
我们可以看到其中：（a ）：晶体硅电池片夹在两层胶片之间，与两片玻璃层合。
（b ）：层合的晶体硅光伏玻璃组件和另一片玻璃组成中结构。
（c ）：传统的玻璃、TPT 背板晶体硅光伏电池组件与另一片玻璃形成中空结构。
[10]（d ）：晶体硅电池片通过汇流条焊接在玻璃表面的金属膜上，与另一片玻璃合成中空，不使用胶片。
[11]（e ）：薄膜光伏电池片通过胶片与另一片玻璃形成夹层结构。
（f ）：层合的薄膜光伏玻璃组件和另一片玻璃组成中结构。