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太阳能光电工程学院光伏系统概论课程设计报告书题 目：太阳能利用与建筑一体化设计姓 名：常建国专 业： 太阳能光伏材料加工与应用技术 班 级：级光伏材料加工与应用技术助考班准考证号：设计成绩： 指导教师： 题目：太阳能利用与建筑一体化设计摘要本设计主要阐述了随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生清洁能源，并可持续利用，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注。为了能使光伏产品得到普及，进一步提高效率、降低成本是光电池的发展趋势。提高太阳能电池转换效率，降低成本，关键是提高太阳能的利用率及与建筑结合。本文在详细介绍太阳能电池工作原理、光伏建筑基本结构及主要特性的基础上，研究了太阳能光伏利用与建筑一体化。具体内容如下:分析了太阳能电池的转换效率及太阳能建筑一体化相结合影响因素，并研究了提高太阳能电池在建筑物上得转换效率的主要技术，如建筑一体化减少反射损失技术、减少载流子损失技术和减少光透射损失技术等。关键词：太阳能；太阳能电池；转换效率题目：太阳能利用与建筑一体化设计 绪言5第一章太阳能和光电转换7太阳能的利用：7太阳能光电的研究：8光伏建筑一体化：9第二章光伏建筑系统的设计、施工、及维护10光伏建筑系统的设计计算：10当地气象参数和负载情况的分析：10第三章太阳能光电材料及物理基础11半导体材料：11太阳能光电材料：12PN结12第四章太阳能热系统与建筑的结合12太阳房的设计要求12太阳能热储存和集热方式13影响太阳能电池转换效率的因素14太阳能建筑热水一体化15第五章光伏建筑一体化类型和方式15参考文献：17题目：太阳能利用与建筑一体化的设计绪言太阳能利用与建筑相结合的技术，并把环境保护和经济性性结合起来，系统的介绍了这项快速发展的新能源技术。首先讲述太阳能和光伏技术的基本知识，然后根据光伏建筑的相关法令和应用实例着重介绍了太阳能光伏发电和建筑物相结合的设计以及性能评价技术，介绍了太阳能建筑光伏系统设备工程的安装.随着经济生活的发展，世纪人类的文明正面临环境污染和能源短缺的问题。近年来，由于每天石油等化石能源的石油产生了大量的二氧化碳、二氧化硫，出现温室效应、酸雨等问题，而且随着经济的发展人口的增加，对能源的需求不断增加，导致化石能源的短缺，环境污染的和破坏。因此利用新的、可再生能源可以解决这些问题，太阳能正是能量巨大、持久、广惠而对环境友好的一种可再生能源。 自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP世界能源统计2005的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占 1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%，而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。我国的太阳能光伏发电在民用工业以及产业上得应用处于起步阶段，我们将太阳能发电运用于建筑物上，太阳能光伏建筑发电是新世纪的一种最重要的可再生能源，同时又是高科技在建筑物中得创新引用，我们研究光伏太阳能因为太阳能是地球上对环境起保护作用的最重要的能源，同时根据它的“取之不尽用之不竭”的可再生能源这一特点，我们将原有的传统能源取而代之。题目：太阳能利用与建筑一体化的设计第一章太阳能和光电转换太阳能的利用：太阳能是由太原的氢经过核聚变而产生的一种能源。由于能源需求、人口的增加、环境污染以及可供开采的能源资源的减少等问题，人们不得不不寻求解决这些问题的办法，而利用清洁、可再能源可以解决这些问题，太阳能利用就是其中之一。太阳能利用的形式多种多样，如热利用、照明、电力等。利用太阳能给室内照明，或通过光导纤维将太阳能引入地下室等进行照明。在电力方面的应用主要是利用聚光得到高温热能，将其转换成电能的发电方式。另外一种是利用太阳能光能进行发电，即利用太阳能电池将太阳能光能转换成电能的发电方式。从建筑学方面可以有效的利用建筑屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，并将建筑屋顶作为光伏整列的安装位置有其特有的优势，日子条件好，不易受到遮挡，可以充分接受太阳辐射。而且将太阳能光伏组件与玻璃幕墙相结合，对于多、高层建筑物来说，建筑物外墙是与太阳光接触面积最大的外表面，把以前被当作有害因素而屏蔽在建筑物表面的太阳光，转换为能被人们利用的电能，同时这种复合材料不多占用建筑面积，而且优美的外观具有特殊的装饰效果，更赋予鲜明的现代科技和时代特色。太阳能利用于交通信号灯。太阳能在交通信号灯领域的应用也是非常普遍的，如他一天能航标灯，十字路口的交通警示灯，太阳能路障，护栏警示灯等。他们都是太阳能供电无人值守，它能给蓄电池自动充电。太阳能利用于交通工具。比如：太阳能车就是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，并利用该电能作为驱动能源行驶的汽车，基本的工作原理就是：在车身的电池板在阳光的照射下产生电流，通过大的功率点跟踪装置以及蓄电池的控制器输送至蓄电池储存以备用或者直接输入到电机。太阳能利用于太阳灶。太阳灶是利用太阳辐射能烹饪食物的一种器具。他对于广大的农村，特别是那些缺乏燃料，而且较好的地区有着重要的现实意义。太阳灶分为两种：一种是平板集热器型的太阳灶，即箱式太阳能灶；另一种是聚光型的太阳灶。箱式太阳灶是根据黑色物体吸收太阳辐射较好的原理设计。聚光太阳灶是采用反射镜或透镜吧入射太原辐射聚集在烹饪用具所在的一个小区域，并提高温度的太阳灶。太阳能热水器大家应该都知道，它是利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置。所谓的温室效应是指由于对流反射损失减少使能量聚集温度逐渐升高的一种自然现象。太阳能光电的研究：太阳能是极具潜力的洁净新能源，与煤、石油及核能相比，它具有独特的优点：一是没有使用矿物燃料或核燃料时产生的有害废渣和气体，不污染环境；二是没有地域和资源的限制，有阳光的地方到处都可以使用，使用方便且安全；三是能源没有限制，属于可再生能源。因此，太阳能的研究和应用是今后人类能源发展的主要方面之一。太阳能量的转换方式分为光化学转化、太阳能光热转化和太阳能发电转化三种方式。从广义上讲，风能、水能和矿物质燃料等也都来源于太阳能。光学转换是指在太阳光的照射下，物质发生化学、生物反应，从而将太阳能转化成电能等形式的能量。自世纪年代发明硅太阳电池以来，人们为太阳能电池的研究、开发与产业做出了很大的努力。太阳能光电技术中新工艺、新材料和新结构层出不穷，研制成功的太阳能电池已达多种。从电池的结构上看，pn同质结、pn异质结、金属半导体的肖特基结构和金属绝缘体半导体结构等，这些结构在微电子工业中已经得到了广乏的应用，因此，太阳能电池结构的发展明显得益于微电子工业的技术进步；从材料方面来看，涉及几乎所有的半导体材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅、化合物半导体和有机半导体等。到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料的基础之上，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用晶体硅制造的，其中单晶硅太阳电池是最早被研究和应用的，至今他仍是太阳能电池的主要材料之一，主要制备pn同质结太原电池。太阳电池可以利用太阳的光能，将光能直接转换成电能，以分散电源系统的形式向负载提供电能。其特点如下：在利用太阳能方面）能量巨大、非枯竭、清洁；）到处存在、取之不尽、用之不竭；）能量密度低、出力随气象条件而变；）直流电能、无蓄电功能。将光能直接转换成电能方面阴天雨天可利用散乱光发电；结构简单、无可动部分、无噪音、无机械磨损、管理和维护简便、可实现系统自动化、无人化；可以阵列为单位选择容量；重量轻、可作为屋顶使用；制造所需能源少、建设周期短。构成分散型电源系统适应发电场所的负载需要、不需要电线路等设备；适应昼间的电力的需要、减轻峰电；电源多样化、提供稳定电源。光伏建筑一体化：太阳能光伏建筑一体化系统，是应用太阳能发电的一种概念，简单的讲就是将太阳能光伏发电阵列安装在建筑的维护结构外表面来提供电力。这种系统有诸多优点如有效利用建筑表面、无需额外的或者加建其他设施、节约外饰材料、外观更有魅力需求、降低夏季空调负荷、改善室内热环境等。近年来，国外推行在用电密集的城镇建筑物上安装光伏系统，并采用与公共电网并网的形式，极大地推动了光伏发电系统的发展。光伏与建筑的结合有两种方式。一类是建筑与光伏系统相结合。另一类是建筑与光伏组件相结合。但是太阳能与建筑结合目前仍有许多问题需要解决：应以法律法规的形式将太阳能热水器纳入建筑设计规划，加大太阳能热水器结构形式与建筑物适应性的研究力度；制定完善规范的太阳能热水器产品统一标准，提高产品技术水平；国家制定在建筑物上安装太阳能热水器的优惠政策，鼓励安装太阳能；要求太阳能热水器与建筑结合的相关技术标准规范。绿色生态住宅寻求自然、建筑与人三者之间的和谐统一。在“以人为本”的基础上，利用自然条件和人工手段创造一个有利于人们舒适、健康的生活环境。在住宅健康化发展态势下，太阳能与建筑一体化也日益成为房地产业关注的焦点。中国建筑科学研究院的郑瑞澄教授指出，目前太阳能热水器系统的建筑一体化在各地的发展还不平衡，存在着一些认识上的误区，有相当多的技术问题亟待解决。第二章光伏建筑系统的设计、施工、及维护光伏建筑系统的设计计算：太阳能光伏发电系统的设计一般可以分为以下几个步骤：收集当地气象参数、计算负载分布情况、根据光伏板表面的太阳辐射量确定光伏板的总功率、根据系统稳定性等因素确定蓄电池容量、选择控制器和逆变器、考虑混合发电问题。当地气象参数和负载情况的分析：当地气象参数的收集：在设计计算前，需要收集当地的气象数据资料，包括当地的太阳能辐射量以及温度变化等。一般来说，气象资料无法做出长期为观测，只能根据以往年的平均值作为设计依据。负载情况分析：负载的计算是独立太阳能光伏设计的重要内容之一。通常的办法是列出负载的名称、功率要求、额定工作电压和每天的用电小时数，交流负载和直流负载均应分别列出，功率因数在交流功率的计算中不予考虑。光伏板最佳倾斜角的确定：在光伏系统的设计中，光伏板的安装形式和安装角度对于光伏板所能接收到的太阳能辐射量以及光伏供电系统的发电能力具有很大的影响。光伏板的方位角是指光伏板所在方阵的垂直面与正南方的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设为正角度）。在北半球，光伏板朝向正南方（即光伏板所在方阵的垂直面与正南的夹角为）时，光伏板的发电量最大。倾斜角是指光伏板平面与水平地面的夹角。对于不同的倾斜角，光伏板每月接受的太阳能辐射量相差很大。关于最佳倾斜角的研究和不足之处：光伏建筑一体化系统的效率在很大程度上取决于光伏板的方位角和倾斜角。光伏板只有具备最佳的方位角和倾斜角，才能最大程度上的降低遮挡物对气的影响并获得最大的太阳能辐射量。不足之处：）未能考虑到逐时清空指数的影响：）缺少全面具体的气象数据；）在计算中使用简化的天空模型。第三章太阳能光电材料及物理基础半导体材料：固体材料按照导电性能，分为绝缘体、导体和半导体。半导体材料的电阻率对温度、光照、磁场、压力、湿度、杂质浓度等因素非常敏感，能够制成发光、光电、压敏、热点转换的器件，有广发的用途。尽管半导体材料的种类有好多，但是具有相同的基本特征：） 电阻率特性：即电阻率在杂质、光、电、磁等因素的作用下，可以产生大范围的波动，从而使电学性能可以被调控。） 导电特性：有两种导电的载流子，一种是电子，为带负电荷的载流子；另一种是空穴，带正电荷的载流子。） 负的电阻率温度系数：随温度的升高，其电阻率下降；而金属恰恰相反，温度升高，电阻率也增大。） 整流特性：即可以有电子导电的n型半导体和空穴导电的p型半导体组成pn结，实现单向导电。） 光电特性：即能在太阳能照射下产生光生电荷载流子效应。太阳能光电材料：重点是所有的半导体材料都有光伏效应，都可以用在太阳能电池的基础材料。虽然半导体的种类有好多，但是都具有相同的基本特征。但是，由于三方面的原因，并不是所有的半导体材料都能用于实际太阳能光电材料。一方面是材料物理性质的限制，如禁带宽度、载流子迁移率和光吸收系数等使得一些材料制备的太阳能电池理论转换效率很低，没有开发和应用价值。另一方面是材料提纯、制备困难，在目前的技术条件下，并不是所有的半导体材料都能够制备成太阳能电池所需的高纯度；因此，虽然半导体材料的种类很多，真正实际应用于太阳能光电材料并不多。PN结pn结是大多数半导体器件的核心，是集成电路的主要组成部分，也是太阳能电池的主要结构单元。它是由p型半导体材料和n型半导体材料连接而成。第四章太阳能热系统与建筑的结合太阳房的设计要求根据是否利用机械的方式获取太阳能，太阳房分为被动式太阳房和主动式太阳房。还有一种是主动、被动相结合的太阳能技术设计以成为当前建筑设计不可缺少得一部分。通过建筑朝向的合理布置，以及对建筑保温等细节问题，诸如热桥的充分考虑，太阳房的设计就是要最大限度地降低建筑物对外部能源的依赖。一座太阳房的设计应该始终贯彻这一原则，但是必须留意以下设计要点：） 将要修建的太阳房的区域气候有足够的了解和认识，清楚制约和影响太阳房设计的自然条件。） 对维护结构等各个建筑单元良好保温，以此降低建筑对能耗的需求） 屋顶和墙体的热传系数不要超过规定值W/(.K)） 在建筑南立面布置集热器的朝向，通常是坐北朝南的格局；同时应尽量降低或避免采暖房的集热南立面收到其他建筑物的遮挡等影响；） 通过各种技术手段对建筑物的废水，余热进行再利用；） 优化建筑体积与外表面积比，最大化建筑空间的尽量降低建筑外部裸露面积；） 利用土壤的蓄热能力，将地下室蓄热方案加入到太阳房的设计要素中。太阳能热储存和集热方式为了弥补太阳能的不稳定性和间断性，在太阳能热利用过程中进行热储存，即把晴朗白天收集到的太阳辐射能所转换成热能储存起来，以供夜间或阴雨天使用。因此，对于太阳能的利用来说，热储存是必需的条件，它在太阳能热利用系统中所起的作用，不论从节能的角度还是从经济的角度来看，都比一般的热利用系统大的多。太阳能热储存的原理如下：太阳能集热器吧所收集到的太阳辐射能转换成热能，然后经过换热器把热量传递给储热器内介质，同时，储热介质在良好的保温条件下将热量储存起来。设计考虑的因素：（）自然条件；（）房间使用特点；（）经济条件；（）其他因素；蓄热材料：特朗贝式集热墙运用了新型热吸收和储存的方法。通常这种矮墙体位于温室内部，与南向窗毗邻。这种墙的南立面吸收热量，然后通过墙体的背面（朝向北面）向温室辐射热量。这种墙是由的石墙组成，墙面有黑色吸热材料涂层；距离墙面大约处装有单层或双层玻璃，玻璃和墙面之间形成间隙。黑色涂层吸收热量后，热量储存在墙体中，经过热传导的方式把热量向室内传递。另外一种是在玻璃后设置一道“水墙”，不同之处是这种水墙不需要在墙上开进气口和出气口。水墙的表面吸收热量后再由热传导经过壁面，在容器内部发生自然对流。最后在通过内壁面的辐射和对流与温室空气以及其他壁面之间进行换热。影响太阳能电池转换效率的因素太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN结硅电池为例，下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。（1）光生电流的光学损失太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。反射损失就是从空气(或真空)入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太阳能光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反射膜SiN。栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为415%。透射损失就是如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。（2）光生载流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。我们把受激产生的电子一空穴对数目与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数目之比叫做收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子-空穴的移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子一空穴对从产生的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将不会被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。（3）影响开路电压的实际因素决定开路电压大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，也就越低。体复合和表面复合都很重要。在衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的单晶硅，当掺杂浓度高于时，则俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，也会降低值。（4）辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下降，影响其使用寿命。（5）电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。太阳能建筑热水一体化所谓的太阳能建筑热水一体化系统，概括起来就是指太阳能热水器与建筑物充分结合并实现功能和外观的和谐统一。它能够较好的解决城市多层住宅家用太阳能热水器安装零乱从而影响城市市容的问题。太阳能热水系统与建筑结合的特点如下：） 太阳能产品及工程系统纳入建筑规划与建筑设计，做到统一规划、同步设计、同步施工，与建筑工程同时投入使用。这样做可以节约建筑成本与住户二次安装成本。） 太阳能工程中的集热器做成模板，实现标准化、系统化和多样化。） 太阳能热水系统的设计、安装、调试和工程验收应执行制定的规程、规范和标准。第五章光伏建筑一体化类型和方式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叫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索加以整合，创造出独特的造型效果。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，因为它不仅用来发电，而且承担建材所需要的防水、保温、强度等要求。但是由于必须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。建材安装型又分为四种方式，屋顶一体化、墙面一体化、建筑构件一体化和建筑立面LED一体化。1屋顶一体化方式。是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，也叫以覆盖部分屋面，后者与