淺談智慧建築-靠太陽能發電的玻璃

Posted on 2015/09/26 in 反思, 環境能源, 環境能源管理 with 尚無留言 4,988 views

淺談智慧建築-靠太陽能發電的玻璃 (Introduction of Solar Glass and its application of Intelligent Building)
國立臺灣大學土木工程學系宋爾軒

太陽能發電已儼然成為再生能源的一大趨勢，隨著科技的發展，越來越多產業都發展出太陽能的相關產品，建築產業自十多年前開始推廣使用綠色環保建材，以達成節能減碳，減緩地球暖化的目的，目前已成功發展出太陽能光電玻璃以及太陽能發電窗等產品，使建築智慧化，逐步實現城市永續發展的目標。

一、太陽能光電玻璃

全名「隔熱發電自潔三機一體光電玻璃」，由國立臺灣科技大學營建工程系楊錦懷教授團隊開發，具有三大功能，分別是自潔、發電以及隔熱。

自潔：
如圖一所示，最外側具有兩層玻璃，在第一層玻璃的外表面塗上一層奈米光觸媒以達到自我潔淨的效果，因為光觸媒吸收紫外光後，可將水分子游離的氫氧離子氧化成氫氧自由基，氫氧自由基可以將污染物分解為水與二氧化碳，最後回歸到大自然中。

圖一太陽光電玻璃作用原理。（本文作者宋爾軒繪製）
發電：
在兩層玻璃之間則鍍上具有透光性的非晶矽半導體，形成一層可發電的矽薄膜，藉由陽光照射激發其表面的電子產生電能，雖然非晶矽半導體的發電效率較單晶矽半導體低，但優點是它比較透光、不需要鍍太厚即可發電且成本相對較低。在外側的兩層玻璃與內側的強化玻璃之間則置入一層高反射隔熱膜，除了增加熱的阻隔，還可將陽光反射回可發電矽薄膜層進行第二次的發電，藉此增加發電產能。
目前此光電玻璃的發電功率可達 88瓦／平方公尺，已逐漸接近傳統太陽能板的 120~150 瓦／平方公尺，而就實際需求而言，僅需二十平方公尺的光電玻璃就可產生足夠一家四口使用的電力，只不過要達到此發電功率，必須犧牲玻璃的透光度，目前光電玻璃的透光度約 30%，離傳統玻璃的 60~80% 仍有一段差距。
隔熱：
除了高反射隔熱膜的設計，在內外兩層玻璃與隔熱膜之間分別增加空氣層以有效隔絕輻射熱與傳導熱，其最主要的隔熱原理為先透過半導體將部分輻射能轉為電能，再透過高反射隔熱膜反射大部分的紅外線，因此整體的熱穿透率只有 1.3%，夏天時能降低室內溫度以減少冷氣的能耗，而在冬天時可以減少室內暖氣的流失，達到節能的效果。
在實務應用上，目前國內外已經有許多建築規劃已經採用這樣技術，例如台中鹿港的玻璃天后宮（圖二），而楊教授也將此技術運用於位在台科大校園的內的「臺灣建築科技中心」（圖三），其外牆帆面即採此種三機一體光電玻璃，除了實踐綠色建材的使用，也是國內智慧建築的最佳體現。

圖二鹿港玻璃天后宮。（http://famumu.pixnet.net/blog/post/166204206-【鹿港-2】玻璃廟、台灣玻璃館、天后宮）

圖三臺灣建築科技中心外觀。（本文作者宋爾軒攝）

二、太陽能發電窗

太陽能發電窗的構想已經存在多時，惟早期產品存在光能轉換效率不佳、透光率不足以及成本過高等問題。近幾年工研院奈米粉體與薄膜科技中心的研究團隊發展了一種「微結構側向式太陽能集光器技術」，其結構為兩片低鐵玻璃之間插入一層聚碳酸酯 (polycarbonate, PC) 擴散板（如圖四所示），藉由特殊的樹脂以及膠合技術將玻璃與 PC 擴散板黏起來，此 PC 擴散版內添加有粒徑為奈米大小的光散射粒子二氧化鈦 (TiO2)，藉由二氧化鈦將太陽光會導向兩側的太陽能電池進行發電與蓄電（如圖五所示）。

圖四太陽能發電窗結構示意圖。(http://cets.ncku.edu.tw/files/14-1273-69850,r710-1.php)

圖五太陽能發電窗作用原理。（本文作者宋爾軒繪製）

以上兩種技術各有優缺點，光電玻璃的發電效率取決於矽薄膜層的厚度，為使能源轉換率符合成本而增加矽薄膜層的厚度便會犧牲玻璃的透光率，就達到相同的發電效率而言，太陽能發電窗利用奈米級粒子將光線向兩側散射至發電裝置，反而能維持透光率在一定的水準（圖六）。然而三機一體光電玻璃擁有較突出的節能效率以及自潔功能，且有些建築不見得需要採用高透光率的玻璃，因此使用者可因自身需求選用適合的產品。

圖六此為太陽能發電窗，最右側的窗戶發電量最高，但透光度也最低。(http://cets.ncku.edu.tw/files/14-1273-69850,r710-1.php)

在應用方面，兩種產品雖然生產成本較一般玻璃高出許多，但因為能節能省電，大約十年之內半可回收成本，且現代建築通常壽命大於 50 年，因此這類可發電玻璃以及窗戶在經濟效益與環保效益方面仍具有相當的潛力。除了建築之外，光電玻璃以及太陽能窗戶的技術也可以應用在汽車產業，隨著電動車的風潮興起，相信未來的電動車不需要裝上太陽能板，採用可發電的玻璃窗便能達到電力自給自足。

參考文獻