在布加勒斯特的一套公寓中，光伏窗户已为热水供应服务两年。
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布加勒斯特正在进行的一项为期两年的公寓试点项目，采用半透明光伏窗户在直流电环境下直接加热水，从而无需太阳能逆变器或电池即可将普通水箱转化为热能储存装置。
作者：Adrian Băisan，PhotoVoltaic Windows SRL
对于居住在公寓楼中的人来说，利用太阳能并不像那些拥有自家屋顶的房主那样简单。
数以百万计的公寓居民没有可使用的屋顶空间。在很多情况下，他们唯一能直接利用的表面就是阳台、栏杆和窗户。
阳台式光伏系统已成为解决这一问题的重要手段。但它们也引发了另一个问题：当公寓不需要电力时，所产生的太阳能电该如何处理？
两年来，我们一直在罗马尼亚布加勒斯特的一处真实公寓中测试一种不同的方法。
这些半透明光伏窗户并非将光伏电接入公寓的电气系统，而是直接以直流电为普通电热水器供电。
其原理很简单：利用热水器本身作为能量储存装置。
白天数小时产生的太阳能电会被直接转化为热能，并以热水的形式储存起来以供日后使用。
在光伏玻璃与加热元件之间没有光伏电池，也没有太阳能逆变器。该光伏系统为离网运行，不会向公共电网输送电力。
当太阳能不足时，控制器会在日落后将同一台热水器切换到常规交流电网供电，以便其达到恒温器的设定温度。
两年实际家庭使用情况
该系统安装在布加勒斯特一个朝南的带玻璃阳台上。
该光伏玻璃的额定安装功率约为845瓦特，可为四口之家提供生活热水，且每天都会使用热水，包括每人每天一次淋浴。
早期的项目文件中采用的额定功率为683瓦特，这一数值源自2022年订购玻璃时所获得的2021年制造商数据表。后来制造商确认，实际交付的玻璃属于功率更高的新型号。根据当前的数据表重新计算同一套11扇窗的配置后，其额定功率约为845瓦特。这一修正虽然改变了标准测试条件下的额定值，但并不会改变输送给热水器的实际能量数值，也不会影响下文所述的热水供应范围。
我们在两个连续的10月至9月周期内对该系统进行了监测。
在2023–2024年度，这些光伏窗为热水器提供了446千瓦时的电能，满足了家庭46.7%的热水能源需求。
在2024–2025年度，它们提供了462千瓦时的电能，满足了家庭43.7%的热水能源需求。
在两个时期中，这户家庭都有大约一个月的时间不在家，因此每个10月至次年9月的测量周期实际上对应约11个月的实际家庭使用情况。
这些结果非常重要，因为该系统的目标并非实现最大的瞬时光伏发电量，而是尽可能多地将可用的太阳能用于公寓内。
修正后的光伏组件铭牌功率参数也不会影响本文后文中的独立节水与降温分析：水资源计算是基于实测流量和等待时间，而降温模型则是依据玻璃面积及太阳热吸收特性，而非光伏组件的电气铭牌功率。
阳台太阳能自发用电问题
德国联邦环境局——即UBA，作为德国的联邦环境监管机构，提供了一个有趣的参考案例。
对于一套朝南、垂直安装的800瓦插电式阳台光伏系统，UBA估计其年发电量约为532千瓦时。该机构还指出，如果没有蓄电池的话，每年约有240千瓦时的电量——约占45%——可直接在公寓内使用。
原因其实很容易理解。
传统的插件式光伏系统只能为在太阳发电时刻正在运行的电气负载供电。
如果光伏系统产生的电力为500瓦，而公寓仅消耗150瓦，那么除非有其他负载启动、能量被储存起来或多余的电能被输出，否则家庭无法同时消耗这500瓦的电力。
我们的方法改变了这种关系。
我们没有试图让太阳能发电量跟随公寓的即时用电需求，而是将其连接到能够逐步吸收能量的负载上。
热水器实际上就相当于一种热能电池。
它可以在数小时内接收100瓦、300瓦或500瓦的电能，将这些能量以热能的形式储存起来，然后在一天中的晚些时候提供热水。
这样即便没有电化学电池，太阳能的生成与实际使用也能在不同时间进行。
为何光伏窗在电气特性上不同于传统的两块阳台太阳能板
这个概念中还有另一个容易被忽视的重要方面。
该系统之所以能表现出色，并非仅仅因为光伏组件与热水器相连，而是因为光伏玻璃在直流电加热方面比典型的单块或双块阳台太阳能板系统具有更佳的电气匹配性。
电热水器配有固定的电阻式加热元件。
以一台标准的3千瓦、230伏的热水器为例。其他功率规格的热水器也遵循相同的电气原理；此处使用3千瓦这一数值只是为了便于对比。
如果光伏组件直接连接到该加热电阻上，且没有逆变器或主动式直流/直流最大功率点跟踪转换器，其工作点将取决于光伏阵列电压与加热元件电阻之间的关系。
这意味着标注在光伏组件上的功率并不等同于实际到达加热器的功率。
假设有两块常规的现代光伏组件，其总标称容量约为800瓦特峰值。
根据我们比较所使用的组件特性，将这两块组件直接连接到3千瓦、230伏特的热水器加热元件上时，尽管它们的标称容量约为800瓦特峰值，但实际传输的最大功率仅约为300瓦特。
具体数值取决于模块的电流-电压特性，但根本问题依然存在：两种常规模块工作的直流电压相对较低，无法与230伏常规热水器的电阻实现良好匹配。
因此，即便将它们直接连接到加热元件上，也无法高效利用其800瓦的额定功率。
我们的光伏窗系统表现则有所不同。
虽然经过修正后的额定安装功率约为845瓦，但我们测量到直接供给热水器的功率峰值可达499瓦。
这并不意味着光伏玻璃本身就比传统的晶体硅组件更高效。而是说其电气结构更适配负载需求。
与使用一两个高功率组件在低电压高电流下工作不同，光伏玻璃能提供更多低功率的发电单元。
这些单元可以通过电气连接，使阵列达到更实用的直流电压，同时保持整体安装功率处于适中水平。
适中的功率 + 合适的直流电压 + 电阻式加热 + 热储存。
这种组合特别适合用于电阻式水加热元件。
为何此处无需主动式最大功率点跟踪
在某些光照条件下，高效的MPPT转换器能够通过将光伏阵列始终维持在其精确的最大功率点附近，提高输送给加热器的瞬时功率。
然而，这种瞬时功率的提升并不会直接转化为等量的额外年可用能量。水箱的热容量是有限的，一旦达到温控器的设定温度，加热器就会停止吸热。因此，正午时段的额外功率只会让水箱更快达到截止温度，而不会按比例增加年度自耗能量。
在我们的设计中，光伏阵列与加热电阻的匹配度已经足够好，因此无需额外的主动式最大功率点跟踪环节即可实现设计目标。任何额外的收益都需权衡转换器自身的能耗、转换损耗、额外成本以及增加的复杂性。
一个功率约为845 Wp的光伏系统所测得的峰值功率为499 W，这表明采用非常简单的结构即可将有用电能直接传输给加热器。
这与使用两个常规光伏板的情形不同。当两个常规模块的总功率约为800 Wp时，由于3 kW/230 V的加热元件与光伏板的电压匹配度较差，若要获取接近模块实际光伏发电功率的输出，主动式电能转换就显得更为重要。
或者，也可以将多个常规模块串联起来以提高阵列电压。
但一旦安装了多个常规的高功率光伏模块，可用的总功率就会大幅增加。在这种情况下，使用逆变器为多个家庭用电设备供电通常比将整个阵列专门用于一个热水器更合理。
正因如此，我们认为光伏玻璃与直流直热式热水器是一种非常自然的组合。
光伏窗户 → 直流电 → 加热元件 → 储存的热水。
这并非反对传统阳台光伏系统
传统阳台光伏系统是一种出色的解决方案，它让那些没有屋顶的人也能使用太阳能发电。
我们也不是说常规模块不能用于直流直热式热水器，其实它们完全可以。
只要将足够多的模块串联起来，再选择合适的加热电阻或采用主动式DC/DC电源电子设备，传统模块同样能够高效加热水。
不同之处在于，由一两个传统高功率模块构成的典型阳台系统，并不适合直接与标准的230伏热水器元件搭配使用。
光伏玻璃则属于另一类电气应用产品。
建筑立面或阳台上可以安装多个光伏玻璃元件，从而提供直接加热所需的电压，而无需搭建数千瓦级的光伏阵列。
这一特点使得该方案对公寓建筑尤为适用。
将能量储存在水中而非电池中
水箱也改变了我们对光伏系统容量设计的思考方式。
在传统的电气系统中，用户往往致力于获得尽可能高的瞬时功率。
但对于直接太阳能热水系统而言，这未必是理想的目标。
如果大型光伏阵列在中午前就将水箱完全加热，那么当天晚些时候产生的电能就无法再被该专用负载使用。
相比之下，功率较为适中的光伏系统能够持续供应数小时电能，热水器可以慢慢积累这些能量。
因此，重要的指标不仅是峰值瓦特数，还有白天储存的有效千瓦时数。
布加勒斯特的实验结果便体现了这一点。该系统采用约845瓦特的光伏窗组件，加热器的峰值功率为499瓦，在第一个监测周期内提供了446千瓦时的电能，第二个周期则提供了462千瓦时。
这一数值分别能满足四口之家的46.7%和43.7%的生活热水需求。
还有节水优势
实验还揭示了另一个与光伏效率关系不大的好处。
在使用本地热水器之前，该公寓依赖集中供应的生活热水。
如同许多公寓楼一样，居民们不得不让水持续流动，等待淋浴用水达到适宜温度。
在布加勒斯特的案例研究中，测量显示9月下旬时淋浴水的流速为每分钟6.7升，且需要大约五时间才能达到43°C左右。
根据这一测量结果以及按季节推算出的大约5到8分钟的等待时间，该案例研究模型估计，对于一个每天每人洗一次澡、共四口人的家庭而言，每年在等待用水期间的用水量约为62.1立方米。
这并非一个普遍适用的数值。等待时间会因建筑结构、管道长度、循环系统以及运行条件等因素而有很大差异。
但其原理是通用的。
如果热水是在附近产生的，并且储存在距离淋浴处很近的地方，那么等待时间几乎可以忽略不计。
在我们的案例中，这种本地安装的80升热水器所带来的好处不仅在于利用太阳能，还在于它大大减少了因等待中央热水供应而造成的水资源浪费。
光伏玻璃还具有防晒功能
光伏窗户还有一个传统不透明光伏组件简单安装在阳台上时所不具备的特性。
它们会成为建筑围护结构的一部分。
用于发电的同一块玻璃还能减少进入公寓的太阳辐射。
我们为布加勒斯特的这套公寓单独对这一效应进行了建模。
朝南的玻璃立面约有12.9平方米的玻璃面积，其中包括7.92平方米的半透明光伏玻璃。
根据研究中的假设，用光伏玻璃替代传统的透明玻璃后，可通过整个玻璃立面进入的太阳热量可减少约40%。
根据模型中采用的特定公寓及空调运行假设，预计每个夏季的制冷用电量可减少约433–481千瓦时，中间值约为457千瓦时。
这些数字是计算得出的估算值，并非实际测量的空调节能量。两者之间存在重要区别。
尽管如此，这一计算仍体现了建筑一体化光伏系统的一个主要特点。
玻璃幕墙既能发电，又能同时减轻制冷负荷。
对于那些南向、东向或西向的玻璃面积较大且夏季容易过热的公寓来说，这一附加优势可能尤为重要。
窗户和栏杆是公寓居民可以实际使用的表面
建筑接收太阳辐射的地方并非只有屋顶，公寓的立面也会接收到阳光。
光伏玻璃可以集成在固定窗扇、阳台围栏或带玻璃的栏杆中。
因此，它能够利用那些本身就具有建筑功能的表面。
但这并不意味着所有立面都适合使用光伏玻璃，还需要考虑朝向、遮荫、透明度、建筑外观以及经济性等因素。
不过，对于那些拥有大量暴露在阳光下的玻璃窗的公寓来说，无需登上屋顶，其立面就能成为产生能源的表面。
当这些电能被用于家庭热水供应时，系统无需依赖家庭同时进行的电力消耗。
保持架构简洁
我们进行试点测试的目标之一就是避免使用不必要的组件。
在光伏部分，没有电池也没有太阳能逆变器。光伏产生的电能会以直流电形式直接被电阻式加热元件使用。
当太阳能不足时，控制器会在日落后自动将加热器切换到交流电网供电，从而使其达到锅炉恒温器设定的温度。
罗马尼亚国家发明与商标局公布的专利申请中，也包含了在光伏直流供电与交流电网供电之间自动切换的方案。
但这一方案中最关键的部分其实比切换系统本身更为简单。
它指的是将具有合适直流电特性的光伏发电机集成在建筑立面中，再搭配简单的电阻负载以及家庭日常已有的廉价热储存装置。
公寓也应参与太阳能转型
关于住宅光伏系统的大多数讨论仍从屋顶开始。
这种方式对独栋房屋很有效，但对于数百万居住在公寓楼中的人而言，并无法解决实际问题。
阳台太阳能系统已经证明，公寓居民希望拥有自己的可再生能源发电方式。
接下来的问题是，如何最有效地利用他们有限的太阳能接收面积。
我们在布加勒斯特进行的试点项目提供了一种可能的解决方案。
在两个连续的测量周期中，光伏窗户分别为家庭热水系统提供了446千瓦时和462千瓦时的电能，分别满足了该家庭46.7%和43.7%的热水能源需求。
这个家庭有四口人，每天都会使用热水。
同样的装置还能起到遮阳作用，同时本地热水生产可以减少因等待集中式供热水而造成的水资源损失。
最重要的是，该系统表明光伏电力并不一定非得先转换为交流电、储存在电池中或并入电网才能发挥作用。
有时最有效的储能系统其实就在公寓内部。
那就是一个水箱。
对于光伏玻璃而言，较高的可用直流电压、适中的功率以及热储存功能相结合，或许能让直接使用直流电成为利用其发电量的最自然方式之一。
最有价值的太阳能千瓦时未必来自规模最大的系统，它可能就是从阳台上产生的、被储存为热水、几小时后由同一户人家使用的那部分电量。
如需，作者可提供每月的测量数据及详细的计算依据。