浅谈光伏建筑一体化在采光顶上及应用.doc

浅谈光伏建筑一体化在采光顶上的应用广东世纪达装饰工程有限公司 沈顺东【摘要】光伏建筑一体化是光电技术和建筑工程的有机结合，如何能因地制宜和有效的利用新材料，取得合理的经济效益和社会效益，是我们不断研究的课题。【关键词】光伏建筑一体化 采光顶 应用前言光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术, 即Building Integrated PV，PV即Photovoltaic。光伏建筑一体化不同于光伏系统附着在建筑上（BAPV：Building Attached PV）的形式。光伏建筑一体化（BIPV）主要的安装形式有以下几种：立面 平屋顶 坡屋顶 遮阳为了最高效的利用太阳能，本文的讨论重点是以单晶硅太阳能组件为主的建筑采光顶一体化应用（如图1）。图1一、 单晶硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。地壳中元素的质量Clarke值排名前三位是：氧（O）：48.6%；硅（Si）：26.3%；铝（Al）：7.73%。高纯的二氧化硅（SiO2）是硅材料的原料。我国高氧化含量的石英和硅石藏量丰富，分布很广，全国各地几乎都发现有高品位的含氧化硅矿，SiO2的含量大都在99%以上。所以，硅太阳能电池在将来广泛的应用有着丰富的物质基础。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，硅纯度要求99.9999%。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。 将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成P-N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件，用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列（如图2）。图2二、 建筑采光顶的朝向和倾斜角度在设计太阳电池应用系统时，不可避免地都会涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等计算问题，因而必须对地球绕太阳运行的基本规律及其相关的天文背景有一定了解。我国位于北半球，建筑各个面吸收太阳辐射的效率是不一样的（如图3）。图3从图形可以看到，位于各立面的墙面，吸收太阳辐射的效率并不高，效果最好的是屋面和南向的斜屋面，如果采光顶位于这两个部位，不但可以达到很好的建筑效果，同时又有最好吸收太阳辐射的效率。下面以广州地区为例，收集各月份的气候数据（如表1），计算10、20、30、40四种方位角时的太阳辐射量（如表2），同时为了满足建筑美学的要求，采光顶的角度不易做得太夸张。因此结论如下：10角度太平缓，太阳辐射量比较低；2030角度比较适合，太阳辐射量比较高；40时的太阳辐射量最高，但是满足建筑物要求的情况并不多。表1：广州地区的气候数据单位气候数据地点项目位置纬度北23.123.1经度东113.3113.3海拔米88供热设计温度摄氏度6.9供冷设计温度摄氏度34.0土地温度振幅摄氏度13.1月空气温度相对湿度每日的太阳辐射 - 水平线大气压力 风速土地温度每月的采暖度日数供冷度日数摄氏度%度/平方米/日千帕米/秒摄氏度摄氏度日数摄氏度日数一月14.169.7%2.1599.92.212.6121127二月14.676.1%1.7499.72.214.495129三月17.880.4%1.8799.42.217.86242四月22.282.5%2.3699.02.121.70366五月25.881.3%2.8898.72.124.70490六月27.982.0%3.2298.42.326.70537七月28.979.6%3.7098.32.327.30586八月28.878.8%4.1398.31.927.10583九月27.574.8%4.0998.72.025.10525十月24.768.3%3.8499.32.322.80456十一月20.264.1%3.1599.72.318.90306十二月15.663.5%2.7999.92.214.274174年平均数22.475.1%3.0099.12.221.12974,520测量于米10.00.0表2：采光顶不同方位角时的太阳辐射量资源评估太阳追踪方式方位角方位角方位角方位角斜度 10.020.030.040.0月每日的太阳辐射 - 倾斜的度/平方米/日度/平方米/日度/平方米/日度/平方米/日一月2.332.472.552.59二月1.912.042.132.18三月2.032.142.212.23四月2.492.572.592.57五月2.993.053.053.00六月3.323.373.353.28七月3.843.923.923.84八月4.344.464.504.45九月4.384.584.694.69十月4.244.554.754.86十一月3.513.804.014.13十二月3.173.483.723.87年平均数3.223.383.473.48每年的太阳辐射 - 倾斜的兆瓦时/平方米1.181.231.261.27三、 双向电网配置（如图4）图4光伏发电是“黄金电力”1. 配电侧并网的光伏发电处在负荷中心，可以起到消峰（Peak Shaving）的作用，是“黄金电力”；2. 在配电网接入不超过15-20%的光伏发电系统，不需要对电网进行任何改造，也不存在电力送出（逆流）和电网能力的问题，对于电网公司仅仅是负荷管理；3. 配电侧并网的光伏发电的经济效益明显，“自发自用”（Net Metering）运行方式相当于电力公司以销售电价购买光伏电量，其价值0.5-1.2元/kWh；4. 应当优先发展配电侧并网的或与建筑结合的，处于负荷中心的分布式光伏发电系统。四、 BIPV建筑设计中需注意的几个问题1. 光伏组件的力学性能作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h（2400Pa）风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的四性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。2. 建筑的美学要求BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中（如图5）。图53. 建筑结构与光伏组件电学性能的配合在设计BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。4. 巧妙利用太阳能的建筑太阳能为保护环境创造了有利条件，于是许多建筑学家巧妙利用太阳能建造太阳能建筑。 太阳能房屋：德国建筑师塞多特霍尔斯建造了一座能在基座上转动跟踪阳光的太阳能房屋。该房屋安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮，使房屋底座在环形轨道上以每分钟转动3厘米的速度随太阳旋转。这个跟踪太阳的系统所消耗的电力仅为该房太阳能发电功率的1，而该房太阳能发电量相当于一般不能转动的太阳能房屋的两倍。五、 光伏建筑一体化（BIPV）的最新政策1、太阳能光电建筑（BIPV）应用财政补助资金管理暂行办法（财政部、住房城乡建设部2009年3月26日颁布）2、关于支持加快太阳能光电建筑（BIPV）应用的政策