形式与功能的完美统一 - Wacker Chemie AG


形式与功能的完美统一

不莱梅的威泽(Weser)体育场正在被改造成为一座配备最新高科技太阳能光伏系统的现代化足球场。在设计穹顶的半透明内环时,场馆运营方勇敢地采用了前所未有的建筑形式,同时清晰地传递出运营方对可再生能源的高度重视。瓦克的有机硅凝胶是新穹顶引人注目的太阳能电池板所不可或缺的材料。

建筑设计新元素:穹顶内圈的半透明光伏电池板(蓝色)。

体育馆特有的气氛

对于真正的球迷而言,没有什么能 够比置身于场馆中观看比赛更令 人激动的了,因为无论电视转播 如何精彩,也无法捕捉到现场的沸腾场面和悬 疑气氛,同样也无法带来如痴如狂的兴奋感。 在体育场里,球迷不仅仅是被动的观众——他 们甚至可以说是自己所支持球队的第12名球员。 不过,球迷们已不再满足于类似于古代竞技场的 传统多功能体育场,即中央区域为赛场,周围是环 形跑道,外围是朴实无华的椭圆形露天看台。建 造单一功能的专业足球场已成大势所趋。专业足 球场能够尽可能拉近球迷和足球运动之间的距离, 营造出球迷所期望的运动氛围。

不过,球迷们已不再满足于类似于古代竞技场的传统多功能体育场,即中央区域为赛场,周围是环形跑道,外围是朴实无华的椭圆形露天看台。建造单一功能的专业足球场已成大势所趋。专业足球场能够尽可能拉近球迷和足球运动之间的距离,营造出球迷所期望的运动氛围。

面向未来的改建工程

这也正就是古老的威泽(Weser)体育场——德 甲劲旅云达不莱梅的主场——进行改造的目的 所在。管理层实施该项目不仅仅是为了满足球迷 的期望,同时还传递出对未来能源供给的高度关 注。不莱梅球场将在场馆结构中完美地融入巨大 的光伏(PV)系统。

有机硅

有机硅(准确地说是硫化有机硅)独特而有趣的 性能使其成为诸多应用的理想选择。交联密度较 低的有机硅弹性体和有机硅凝胶能在最高180 °C下保持永久稳定。它们不吸水,不导电,能减缓机 械振动,其表面具有强憎水性。很多应用都已经证 明:对有机硅弹性体和凝胶的物理和技术特性而 言,在较广的温度范围内(-45到+180 °C)保持稳 定是非常有用的。即使在持续的热和机械负载影 响下(甚至暴露在氧气和臭氧中),它们也不会老 化。在这方面,它们不同于所有的有机弹性体。此 外,有机硅还不与其它任何物质发生反应。在光伏 电池板的生产中可以利用以上性能,特别是其卓 越的耐久特性。

新穹顶的内环是该系统的特色之一。其设计包 含了轻质、半透明的太阳能电池板(也称为光伏组 件)。它们使穹顶造型优雅,其半透明色调在穹顶 看台区和露天运动场之间形成视觉过渡。瓦克的 有机硅凝胶是这些令人惊叹的太阳能电池板所不 可或缺的材料之一,它们可以为内部易碎的太阳 能电池提供持久保护,从而确保其能够源源不断地为体育馆供电。

威悉体育馆:太阳能利用的表率

从空中俯瞰,重建的体育场依旧保持其椭圆形外观。得以保留 的还有照明灯柱——两根细长的混凝土柱与众不 同,从很远的地方就可看见,因而成为体育馆的 标志性特征。新立面将包围北区已有的现代化办 公大楼、正面看台以及穹顶,从而使场馆建筑具 有风格统一的外观。

重建之后,看台将呈矩形环绕在“神圣的草皮”四 周,球门后方东、西区域的座位将成直线排列,所 有看台都一直延伸至球场。穹顶比改造前略高,几 乎悬浮在碗状体育场的上方。此外,场馆还配备了 最高标准的基础设施以及具有创新性的能源系统。 东段和南段外立面以及改造后的整个穹顶都能 进行太阳能发电,总面积接近于足球场的两倍。 该发电系统大约由200,000块太阳能电池组成, 总发电量超过1兆瓦,并且每年能够向电网输送约 750,000千瓦时的电量。如此一来,每年可以减少 400多吨二氧化碳排放。该光伏阵列创下了在运 动领域的应用纪录:在德国,其它任何运动场馆 都无法可与之比肩——威泽体育场是名副其实的 光伏冠军。

塑料组件:重量轻,设计灵活度高

按照规划,三个 阶段的施工完成之后,穹顶内圈的额定功率会达 到约250至300千瓦,相当于总体发电能力的四分 之一。内圈中安装的太阳能电池板不仅可以发电, 还可以起到传统天窗的作用。负责本次改造项目 的建筑师们希望这些电池板能够成为一种创新 设计元素。“该项目清晰地展现了云达不莱梅对 使用太阳能的承诺,”SUNOVATION有限公司总 经理Andreas Wöll教授说,该公司位于巴伐利亚 州的西北角的Elsenfeld(靠近法兰克福)。他的 公司专门生产设计精美的电池板,用来组装穹顶内圈

Andreas Wöll教授手握一块用于体育场穹顶内圈的电池板。

规划人员和建筑师们很快发现传统的玻璃/玻 璃电池板——即将太阳能电池板夹在两块玻璃 板中间— —由于自重原因而无法使用。新穹顶 固定在现有的混凝土基础结构上,其承载能力 非常有限。而且,与老设计相比,新穹顶向碗状 场馆内部伸出的幅度要大得多,从而施加了巨大 的静载荷。因此,穹顶内圈的电池板重量必须尽 可能轻。 “负责场馆改造的代理公司最终选择了我们的 SUNOVATION®电池板,太阳能电池永久性地嵌 入在两片具有持久柔性的高等级透明塑料板之 间,”Wöll教授说。“利用这些定制的电池板,我 们不仅能够满足静态载荷要求,还能获得怡人的 美感。”制造商根据电池板的应用条件来选择 生产所用的塑料,比如Makrolon®(聚碳酸酯) 或Plexiglas®(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)。 最近,德国塑料半成品和成品工业协会授予 SUNOVATION®太阳能电池板为“2009年度最佳 产品”称号。

屋顶内檐用Makrolon®产品

Makrolon®最终被选为体育场穹顶内圈材料。这种水晶般透明、刚度极佳的塑料具有良好的 形状保持能力和抗冲击性。该材料可用于制作 CD、DVD和飞机舷窗,也是科隆主火车站穹顶天 窗的原材料。采用这种高质量材料制成的轻质而 坚硬的双层板材(twin-wall sheeting)可用作穹 顶电池板的载板,而坚实的Makrolon®板还形成了 一道覆层,从而将电池板与自然环境隔离开来。与传统的玻璃/玻璃电池板相比,这样的太阳能电池板重量轻一半以上。

有机硅凝胶

在有机硅凝胶中,每个聚合物分子相互连接,形成一个宽松的交联网状结构。每两个交联节点之间的有机硅链保持其活动性,并且当遇到硬表面时能够变形屈服。该特性使有机硅具有非同寻常的回弹性和柔韧性。从技术参数角度看,有机硅 的杨氏模量(一种衡量弹性材料回弹性的弹性模量)大约为0.005兆帕;相反,普通有机硅弹性体的杨氏模量则在1至10 兆帕之间。该数值越小,材料的回弹性越好,承受机械应力的效果越好。

有机硅凝胶因为具有弹性和回弹性,能够形成湿气阻挡层,不与半导体材料发生反应,以及呈现出有机硅典型的化学稳定性(参见第11页文本框——有机硅),所以常常被用于封装电子芯片和太阳能电池。有机硅凝胶可持久保护敏感元件不受机械损坏,防止漏电和短路,以及提供无腐蚀的应用环境。

有机硅凝胶是通过有机硅配方的固化而获得。与传统硅橡胶不同的是,它不含任何填料。这种可使用的但未经固化的凝胶也可以称为有机硅凝胶。

成功的秘密:有机硅凝胶

体育场穹顶中的单晶硅 太阳能电池将太阳光转化成电能。这些电池被夹 在塑料板中可以得到有效的保护。不透明太阳能 电池之间的透光间隔可根据用户和建筑设计师的具体需要进行定制。这样就可以调整塑料电池板的透明度。

生产这些电池板要求极高精度与专业技术。

其制造工艺包含若干步骤。首先,将每一个太阳能电池固定在塑料载板上,并用电池接触薄片将它们串联起来。然后盖上盖板,并用一种具有永久弹性的特制胶带沿载板和覆盖板边缘将它们密封在一起。最后将该叠合组件浸渍在液体有机硅凝胶中——该工艺非常复杂,要求精湛的专业技术。SUNOVATION的员工们总是倍加小心,以确 保封装材料中绝对没有气泡。待有机硅层固化后, 再对电池板进行测试并包装。

由于太阳能电池脆性极高,所以将其封装起来是绝对必要的。封装材料可以保护它们免受机械和化学损坏,并确保其电绝缘性。有机硅所具备的化学、物理和技术性能使其成为最理想的封装材料,它对于提升太阳能电池板的质量和耐久性功不可没。

保障高度抗耐性的有机硅凝胶

“ 有机硅凝胶能够为太阳能电池提供最佳保护,”DRAWIN销售经理Hermann Maier说,多年来他一直负责为大客户SUNOVATION提供技术建议。DRAWIN贸易有限公司是瓦克的全资子公司,也是瓦克有机硅业务部门的经销商。“有机硅凝胶固化后变成一种富有弹性、高柔韧性和高回弹性的材料。正因如此,有机硅凝胶是减少复合材料内部机械应力的理想材料。”

作为一种封装材料,有机硅凝胶可以在温度发生剧烈波动的过程中保护电池板免遭由于复合材料的各组分发生非均匀热膨胀而导致的损坏。封装在硫化后的透明凝胶中,脆性极高的太阳能电池也可以承受电池板翘曲。因此,甚至可以生产具有弧度的电池板,这正是公共汽车站和太阳能船只的拱形穹顶所需要的。

„我们测试了许多封装材料。瓦克的有机硅凝胶的测试效果最佳。“

Andreas Wöll 教授
生产这些电池板要求极高精度与专业技术。

SUNOVATION使用WACKER SilGel®系列中一种双组分、加成固化有机硅凝胶。该凝胶易于浇注。在众多可固化有机硅产品中,该产品的粘度非常低——在刚刚混合还没有交联的时候,其流动性介于橄榄油和稀蜂蜜之间。在室温下,该凝胶会逐渐固化,完全固化需要8小时。

穹顶内圈的初期建设阶段的穹顶内圈 已经完工并供应太阳能。在图片背景中可以看见威泽体育场著名的泛光灯柱。

人们不光需要高质量的产品

作为电池板制商, SUNOVATION选用瓦克产品可谓慎之又慎。“十多年前,我们就将可行性研究作为研发工作的一部分,其中也包括对各种封装材料进行测试。瓦克的有机硅凝胶的测试效果最佳,一直以来我们都用它来生产电 池板,”Wöll教授解释说,他还对与DRAWIN以及瓦克有机硅行业解决方案业务团队的Christian Ochs博士之间的合作大加赞扬:“我们对于有机 硅产品的所有问题总能得到迅速回复,没有丝毫 官僚主义作风。对我们尤其有帮助的是瓦克有机 硅客户服务团队所提供的技术支持。”随着新威泽体育场穹顶内圈半透明太阳能电池板 的启用,SUNOVATION为其它体育场馆的建设或改建打造了一个示范性太阳能项目。至少在不莱 梅已经取得了双赢的局面——一方面是环境(先期完工的体育场穹顶部分已经为电网输送电力), 另一方面是云达不莱梅队的球迷,他们可以尽情享受那梦寐以求、活力四射的比赛氛围。