江西渝州科技职业学院论文

1、 江西渝州科技职业学院新能源工程学院论文论文题目： 太阳能光伏发电与建筑一体化 学 号： 2095241511 姓 名： 秋 振 宁 指导老师： 胡 艳 华 完成时间： 2011年11月 目 录摘要1前言2一、 光伏发电与建筑一体化的定义3二、光伏发电的发展历史3三、光伏发电的原理4四、光伏发电系统设备5五、光伏发电系统的主要形式6六、BIPV建筑设计中需注意的几个问题7七、光伏建筑一体化的应用10八、结语14九、参考文献15太阳能光伏发电与建筑一体化摘要光伏建筑一体化，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的

2、方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。另一类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能

3、要求。关键词：光伏发电原理；光伏建筑一体化设计；BIPV的定议；BIPV设计中的问题 前言随着石化能源的逐渐枯竭，自然环境的恶化，人们越来越重视太阳能、风能等可再生能源的利用。能源利用技术的发展是人类控制自然能力的一个重要标志，光伏建筑一体化建筑是光伏应用形式中最接近人类生活的一种，其效果的好坏将直接影响到人们对光伏产品的映像。 一、光伏发电与建筑一体化的定义光伏发电是太阳能发电的一种，是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏建筑

4、一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。BIPV即Building Integrated PV，PV即Photovolta-ic。光伏建筑体化二、光伏发电的发展历史早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危

5、害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。20世纪90年代后，

6、光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。世界光伏组件在1990年2005年年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，19

7、99年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%13%提高到13%15%，生产规模从15兆瓦/年发展到525兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利。三、光伏发电的原理 光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等

8、部件就形成了光伏发电装置。光生伏特效应:如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。如图1所示图1四、光伏发

9、电系统设备光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是：1、太阳能电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。2、蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率

10、低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。3、充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。4、逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变

11、器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。（如图2）图2五、光伏发电系统的主要形式光伏发电系统主要有两种形式。一种为独立光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器、交流负载组成独立的供电系统；另一种为并网光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、并网逆变器组成并网发电系统，将电能直接输入公共电网。这两种系统中，并网光伏系统是太阳能光伏应用的主要形式。（如图3）图3六、BIPV建筑设计中需注意的几个问题 6.1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/

12、h(2，400Pa)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，同时要满足幕墙的三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1200mm×530mm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。南玻大厦外循环式双层幕墙采用的组件就是两块6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件，这是通过严格的力学计算得到的结果。

13、 6.2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

14、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。 6.3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BI

15、PV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。 6.4建筑隔热隔音的要求 普通光伏组件并没有像中空玻璃一样的隔热空气层，只是简单地安装在建筑物上或者支撑构件上，和建筑物并没有形成统一的整体。这时的光伏组件作为BIPV组件来使用往往会将大量的热量带入室内，造成耗能和节能相矛盾的情况，同时也不能满足建筑的隔音要求。这时可以将普通光伏组件做成中空Low-E玻璃的形式，这样既能隔热又能隔音。或者采用南玻大厦一样的双层外循环系统的幕墙形式。 6.5建筑采光的要求普通光伏组件为了提高

16、效率，会将电池片间距缩小到25mm。但在BIPV组件中，要考虑到室内的采光要求，这时要调整电池片间距到25mm左右，使组件的透光率在30左右。 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4）。涂图46.6光伏组件安装方便的要求 BIPV光伏组件作为建筑物的一部分，它安装要求比普通组件的安装要求高很多，难度大很多。一般BIPV组件安装高度较高、安装空间较小。考虑到安装方便，可以将光伏组件做方便拆卸的单元式

17、幕墙形式，这样既方便了安装，同时也提高安装精度。  6.7光伏系统寿命问题 普通光伏组件封装用的胶一般为EVA，由于EVA的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命。EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量，所以设计师在选择BIPV组件时应该尽量避免使用EVA封装的组件。Schott和Schuco现在已经有PVB封装的光伏组件，国内还没有厂家掌握这种技术。PVB已经成熟应用于建筑用夹胶玻璃的制作，用PVB代替EVA制作的光伏组件会有更长的使用寿命。盼望国内光伏组件生产商尽快掌握PVB封装技术。 普通光伏系统的大部分连接线都是敞开在大气中，空气对流充分，温度低。BIPV

18、建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中，其温度远远高于普通光伏系统电线所处的环境温度，这对BIPV建筑系统中电线的要求也高很多。普通系统中，一般使用普通的聚氯乙稀铜线就能满足要求。但在BIPV系统中，我们建议使用光伏专用电线：双层交联聚乙烯浸锡铜线。另外考虑到温度对电阻的影响，BIPV建筑系统中选用的电线直径应该要比普通光伏系统大一些。 建议选择著名国际品牌的连接器；有同事做过对比实验。性能优异的连接器的防水性能和耐老化性能要比一般的连接器好很多。如果连接器的防水性能不好，这可能会导致大楼带电。如果连接器的耐老化性能不佳，这将会导致系统漏电、电线氧化。七、光伏发电与建筑一体化的应

19、用7.1 德国1990年首先开始实施“一千屋顶计划”，在私人住宅屋顶上推广容量为15 kWP的户用联网光伏系统。 在光伏器件与建筑相结合方面，ASE所属几家公司分别推出了多种光伏组件，其中有大尺寸（1.5 m×2.5m）的无边框非晶硅组件，每块组件功率可达360Wp，可用于垂直外墙和倾斜屋顶；也推出了尺寸为1 m×0.6m的非晶硅不透明组件，可分别用于屋面、垂直幕墙和窗户。 目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。 7.2印度印度近年来大力推广应用太阳能，已取得了很大成绩。在发展中国家，印度的光伏产业及应用市场居领先地位；据报道，目前已成为继美国之后的第二大单晶硅太阳能电池生产国。全国已有40万套光伏系统用于多种应用领域。并且，政府正在组织一些研究和生产机构开展光伏器件与建筑相结合的研究开发。1997年12月18日印度政府宣布，到2002年要在全国范围内推广150万套太阳能屋顶。 7.3中国中国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模。据统计，截止1997年底，我国已完成并正常使用的太阳能光伏发电系统装机容量为1015MW，主要用于边远地区居民的供电。随着光伏发电领域的转变，我国的BIPV系统的研究与开发已取得了很大的发