太阳能光伏发电技术在建筑工程中的应用.doc

太阳能光伏发电技术在建筑工程中的应用摘 要 随着世界能源危机的日益显现，节能建筑是世界建筑发展的趋向，洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用是未来建筑设计的重要内容。本文论述光伏发电系统的原理、分类、运行方式等关键技术，阐述了太阳能光伏发电系统在建筑工程中的应用形式、光伏建筑一体化概念及设计要点，以国家节能减排的政策方针为基准，旨在以此技术基础与工程设计问题的研究来引导设计人员在建筑工程中合理高效利用光伏发电技术的应用。关键词 光伏发电 光伏电池 光伏建筑一体化 节能减排1、 引言 随着人民生活水平的不断提高，生活、生产对电力的需求量也与日剧增增加。有关资料表明，目前在我国发电量的80左右是由火力发电提供的，消耗大量的化石燃料煤，导致产生环境污染和资源浪费。建筑能耗大约占社会总能耗的50左右，光伏发电与建筑一体化技术（BIPVT）可有效减少建筑物对常规能源特别是化石燃料煤的消耗。伴随着太阳能光伏发电产业规模的扩大，太阳能光伏发电成本也逐渐降低，特别是“建筑物产能”理念的提出，加速了BIPVT发展，应用BIPVT的条件日趋成熟，大力推广这一技术，可提高新能源在建筑物能源消费结构中的比例，在一定程度上缓解日趋严峻的环境和能源压力。2、光伏发电的原理和光伏电池的分类2.1光伏发电系统原理 光伏电池发电的原理是光生伏打效应（Photovoltaic effect），即光子能量转换成电能的过程。当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光电子一空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。2.2光伏电池及其常见种类 光伏电池（solar cell）是一种对光有响应并能将光能转化成电力的器件，又称光伏电池。能产生光伏效应的材料有多种，如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同。1) 硅太阳电池（1） 晶体硅电池A. .单晶硅太阳能电池（single crystalline silicon solar cell），是以单晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为24.7，商业化后转换效率为17。B. 多晶硅太阳能电池（polycrystalline silicon solar cell）是以多晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换率实验室测得数据最高为20.3，商业化后转换效率为16。（2） 非晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池（a-si太阳电池）（amorphous silicon solar cell）：是薄膜光伏电池的一种，一般采用高频辉光放电技术使分解硅烷气体，沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成，亦称无定型硅太阳电池，简称a-si非晶硅薄膜太阳能电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为12，商业化后转换效率为68。2） 化合物电池 多元化合物薄膜太阳能电池（thin film solar cell）：系指用辉光放电法、化学气相淀积法、溅射法、真空蒸镀法等制的较大面积的薄膜（硅、硫化镉、砷化镓等）为基体材料的太阳电池称为薄膜太阳电池。（1）CdTe（碲化镉）太阳电池：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为12，商业化后转换效率为68。（2） CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为19.9，商业化后转换效率为17。3光伏发电系统3.1光伏发电系统构成 太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。1）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程：后一个过程与普通的火力发电一样，是热电转换过程。太阳能热发电主要有三种形式：槽式、塔式及碟式。目前可商业化的主要是槽式。太阳能热发电系统的这三种形式都不适合在建筑上做，故不做讨论。2） 光电直接转换方式。该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转化为电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。它是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来时，就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。4太阳能光伏建筑一体化（BIPV）4.1太阳能光伏建筑一体化的定义与原则 阳能光伏建筑一体化(BmV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术。BIPV即BuildingPhotovoltaic，其不但具有外围护结Integrated构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。太阳能光伏与建筑一体化(简称BIPV)是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可冉生能源的建筑，太阳能光伏建筑一体化太阳能光伏+建筑。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的“相加”，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程摹本建设程序，同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用。同步后期管理，使其成为建筑有机组成部分的一种理念、一种设计、一种工程的总称。4.2太阳能光伏建筑一体化原则（1） 生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透 建筑本身应该具有美学形式，而PV系统与建筑的整合使建筑外观更加具有魅力。建筑中的PV板使用不仪很好地利用了太阳能，极大地节省了建筑对能源的使用，而且还丰富了建筑立面设计和立面荚学。BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。（2）传统建筑构造与现代光伏工程技术和理念的融合 引入建筑整合设计方法，发展太阳能与建筑集成技术。建筑整合设计是指将太阳能应用技术纳入建筑设计全过程，以达到建筑设计美观、实用、经济的要求。BIPV首先是一个建筑，他足建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。建筑应该从设计一开始，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中的一体化设计，使太阳能系统成为建筑整体不可分割的一部分，从而达到与建筑物的完美结合。（3）关注不同的建筑特征和人们的生活习惯合适的比例和尺度：PV板的比例和尺度必须与建筑整体的比例和尺度相吻合，与建筑的功能相吻合，这将决定PV板的分格尺寸和形式。PV板的颜色和肌理必须与建筑的其他部分相和谐，与建筑的整体风格相统一，例如，在一个历史建筑上，PV板集成瓦可能比大尺度的PV板更适合，在一个高技术的建筑中，工业化的PV板更能体现建筑的性格。保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合：精美的细部设计：不只是指PV屋顶的防水构造，而要更多关注的是具体的细部设计，PV板要从一个单纯的建筑技术产品很好的融合到建筑设计和建筑艺术之中；（4） 建筑的初始投资与生命周期内光伏工程投资的平衡综合考虑建筑运营成本及其外部成本。建筑运营体现在建筑物的策划、建设、使用及其改造、拆除等全寿命周期的各种活动中，建筑节能技术、太阳能技术以及生态建筑技术对与建筑运营具有重要影响。不仅要关注建筑初期的一次投资，更应关注建筑的后期运营和费用支出，不但要满足民众的居住需求，也要关注住房使用的耗能支出。另外，还应考虑二氧化碳排放等外部环境成本的增加等。光伏系统和建筑是2个独立的系统，将这2个系统相结合，所涉及的方面很多，要发展光伏与建筑集成化系统，并不是光伏制作者能独立胜任的，必须与建筑材料、建筑设计、建筑施工等相关方面紧密配合，共同努力，才能成功。为了适应BIPV产业飞速发展的形势，保证中国BIPV光伏产业的健康发展，满足国家建设和终端消费的需要，建议由国家发改委、国家认证中心建立中国太阳能光伏建筑一体化认证体系和认证制度。4.2光伏建筑一体化的类型 光伏建筑一体化一般分为独立安装型和建材安装型两种类型。（1） 独立安装型 是指普通太阳电池板施工时通过特殊的装配件把太阳电池板同周围建筑结构体相连。其优点是普通太阳电池板可以在普通流水线上大批量生产，成本低，价格便宜，既能安装在建筑结构体上，又能单独安装，其缺点是无法直接代替建筑材料使用，PV板与建材重叠使用造成浪费，施工成本高。这种独立安装型一体化方式在设计时也并非是与建筑的简单叠加”，而是将其作为建筑的一种独立的设计元素加以整合，创造出独特的建筑造型效果。（2）建材安装型 则是在生产时把太阳电池芯片直接封装在特殊建材内，或做成独立建材的形式，如屋面瓦单元、幕墙单元、外墙单元等，外表面设计有防雨结构，施工时按模块方式拼装，集发电功能与建材功能于一体，施工成本低。相比较而言，建材安装型的技术要求相对更高，因为他不仅只用来发电，而且承担建材所需要的防水、保温及强度等要求。但是由于必须要适应不同的建筑尺寸，很难在同一条流水线上大规模生产，有时甚至需要投入大量的人力进行手工操作生产，对于劳动力价格较低的我国而言，这种太阳电池组件更有利于国际竞争。4.3光伏建筑一体化的十种形式 目前光伏建筑一体化主要有：光伏组件与屋顶的结合或集成、光伏组件与幕墙、光伏组件与玻璃窗、光伏组件与遮阳板的集成。光伏组件与LED组合或集成的幕墙、天幕等10种形式。5太阳能光伏发电与建筑一体化的发展任重道远 太阳能光伏建筑一体化技术和成本将取得突破性的进展，彻底消除使用障碍，太阳能光伏建筑一体化绿色电能源将替代传统火力电能，引领新一轮能源革命。所以我们既要把发展太阳能光伏建筑一体化新能源作为应对危机的重要举措，又要把太阳能光伏建筑一体化新能源提高到国际竞争的战略制高点的位置。这不仅是人类解