光伏建筑一體化技術與應用.doc

1、光伏建筑一體化技術與應用摘要：隨著中國可再生能源法的施行，光伏建筑一體化（BIPV）作為可再生能源在建筑上的應用技術受到廣泛關注。文章通過對光伏建筑一體化應用技術的全面論述，就正確認識理解和應用光伏建筑一體化技術提出了自已的見解，可供大家參考。關鍵詞：可再生能源光伏系統(tǒng)光伏建筑一體化光電幕墻21tyncom太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟引言 在世界市場的拉動下，我國光伏產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，我國太陽能電池組件年產(chǎn)量由世界份額的1%發(fā)展到 2005 年的 8%，僅次于日本、 歐洲，已成為世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家之一 1 ，為世界矚目。21tyncn目前，全世界大約60%的太陽能電池用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，且主要用于城

2、市的建筑與光伏系統(tǒng)的結合，即光伏建筑一體化（BIPV） 1 。光伏發(fā)電與建筑相結合是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術發(fā)電的研發(fā)熱點。在我國，BIPV 尚處于示范階段，隨著中華人民共和國可再生能源法于2006 年 1 月 1 日的施行，將大大地推動我國光伏發(fā)電與建筑的結合。加強BIPV 技術研發(fā)，促進光伏產(chǎn)品在建筑外圍護上的應用，是光伏行業(yè)、建筑幕墻行業(yè)推動可再生能源在建筑上應用的新課題。21tyncom21tyn1、光伏系統(tǒng)原理與應用21tyn1.1 光伏電池21tyn光伏電池是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換器。其發(fā)電原理是光生伏打效應，即太陽光照射到電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子- 空穴對，在電

3、池內(nèi)建電場的作用下，光生電子與空穴被分離形成電壓。光伏電池多為半導體材料制造，目前應用最多的是硅太陽能光伏電池。而硅太陽能電池1中，對 2004 年全世界生產(chǎn)和應用硅太陽電池情況統(tǒng)計顯示：多晶硅占56%，單晶硅占 29%，非晶硅占 5%，帶硅電池3%，薄膜電池占 7%1 。數(shù)據(jù)表明目前光伏發(fā)電的應用主要還是多晶硅與單晶硅產(chǎn)品。21tyncn1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池單體是光伏轉(zhuǎn)換的最小單元，工作電壓約為0.450.5V ，一般不能單獨作為電源使用。 為了便于使用， 將太陽能電池單體進行串并聯(lián)并封裝后形成可以單獨作為電源的單元組件， 也稱為光伏組件。 為滿足負載所要求的輸出功率，將光伏組再經(jīng)

4、過串并聯(lián)就形成了具有一定輸出功率的光伏方陣或太陽能陣列。如圖1。21TYN.COM太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟由于太陽能光伏方陣所產(chǎn)生的電壓為直流電壓，且受到太陽光強度的太小而變化。為了得到穩(wěn)定的可供常規(guī)交流負載使用的交流電，通常采用控制器、逆變器、 蓄電池等形成穩(wěn)定的光伏發(fā)電系統(tǒng)。如圖2a、2b。 21tyn2光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種形式。一種為獨立光伏供電系統(tǒng)，由光伏方陣、控制器、蓄電池、逆變器、交流負載組成獨立的供電系統(tǒng)；另一種為并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)，由光伏方陣、控制器、并網(wǎng)逆變器組成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將電能直接輸入公共電網(wǎng)。這兩種系統(tǒng)中，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是太陽能光伏應用的主要形式。21tyn21tyncn2、光伏

5、建筑一體化（BIPV）的概念與分類中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)2.1 概念 太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟太陽能光伏建筑一體化BIPV(Building Integrated Photovoltaics)，是應用太陽能發(fā)電的一種新概念， 簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的維護結構外表面來提供電力。由于光伏方陣與建筑的結合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。2.2 分類 太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟根據(jù)光伏方陣與建筑結合形式的不同，BIPV 可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結合。將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用（如圖3 光伏方陣與墻面的結合，圖4

6、 光伏方陣與屋面的結合）。另一類是光伏方陣與建筑的集成。光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)取Ｈ鐖D57。 21tyncn3光伏方陣與建筑的結合是一種常用的BIPV 形式，特別是與建筑屋面的結合。光伏方陣與建筑的集成是BIPV 的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求。中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)21TYN.COM3、光伏建筑一體化（BIPV）對光伏方陣與光伏組件的要求3.1 影響光伏發(fā)電的因素簡單 地講，影響光伏發(fā)電的有兩個方面。一是光伏組件可能接受到的太陽能，二是光伏

7、組件的本身的性能。由于太陽能發(fā)電的全部能量來自于太陽，因而太陽能電池方陣所能獲得的輻射量決定了4它的發(fā)電量。而太陽輻射量的多少與太陽高度、地理緯度、海撥高度、大氣質(zhì)量、大氣透明度、日照 時間等有關 2 。一年當中四季的變化，一天當中時間的變化，到達地面的太陽輻射直散分量的比例，地表面的反射系數(shù)等因素都會影響太陽能的發(fā)電，但這些因素對于具體建筑而言是客觀因素幾乎只能被動選擇。對于光伏組件而言，光伏方陣的傾角、光伏組件的表面清潔度、 光伏電池的轉(zhuǎn)換率、光伏電池的工作環(huán)境狀態(tài)等是我們在設計過程中應該考慮的。21tyn3.2BIPV 對光伏方陣的布置要求中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)對于某一具體位置的建筑來說，

8、與光伏方陣結合或集成的屋頂和墻面，所能接受的太陽輻射是一定的。為獲得更多的太陽能，光伏方陣的布置應盡可能地朝向太陽光入射的方向，如建筑的南面、西南、東南面等。21TYN.COM3.3BIPV 對光伏組件的要求中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)BIPV 將太陽能光伏組件作為建筑的一部分，對建筑物的建筑效果與建筑功能帶來一些新的影響。 作為與建筑結合或集成的建筑新產(chǎn)品，BIPV 對光伏組件提出了如下新的要求。3.3.1顏色與質(zhì)感21TYN.COM用于 BIPV 的光伏組件，由于其安裝朝向與部位的要求，在不可能作為建筑外裝飾的主要材料的前提下，光伏組件的顏色與質(zhì)感需與整座建筑協(xié)調(diào)。21tyncn3.3.2強度與抗

9、變形的能力21tyn當光伏組件與建筑集成使用時，光伏組件是一種建筑材料，作為建筑幕墻或采光屋頂使用，因此需滿足建筑的安全性與可靠性需要。光伏組件的玻璃需要增厚，具有一定的抗風壓能力。 同時光伏組件也需要有一定的韌性，在風荷載作用時能有一定的變形，這種變形不會影響到光伏組件的正常工作。21TYN.COM3.3.3透光率 在光伏組件與建筑集成使用時，如光電幕墻和光電采光頂，通常對它的透光性會有一定要求。 這對于本身不透光的晶體硅太陽電池而言，在制作組件時采用雙層玻璃封裝，同時通過調(diào)整電池片之間的空隙來調(diào)整透光量。21tyncom53.3.4 尺寸和形狀 21tyncom目前市場上大部分的光伏組件的

10、為用于光伏電站和與光伏電子產(chǎn)品配套，規(guī)格相對比較單一，不能適應建筑多樣化與個性化的要求。用于BIPV 的光伏組件，需要結合建筑的不同要求，進行專門的設計與生產(chǎn)。21tyncn3、光伏建筑一體化（BIPV）對光伏方陣與光伏組件的要求3.1 影響光伏發(fā)電的因素21tyncom簡單 地講，影響光伏發(fā)電的有兩個方面。一是光伏組件可能接受到的太陽能，二是光伏組件的本身的性能。由于太陽能發(fā)電的全部能量來自于太陽，因而太陽能電池方陣所能獲得的輻射量決定了它的發(fā)電量。而太陽輻射量的多少與太陽高度、地理緯度、海撥高度、大氣質(zhì)量、大氣透明度、日照 時間等有關 2 。一年當中四季的變化，一天當中時間的變化，到達地面

11、的太陽輻射直散分量的比例， 地表面的反射系數(shù)等因素都會影響太陽能的發(fā)電，但這些因素對于具體建筑而言是客觀因素幾乎只能被動選擇。對于光伏組件而言， 光伏方陣的傾角、 光伏組件的表面清潔度、 光伏電池的轉(zhuǎn)換率、 光伏電池的工作環(huán)境狀態(tài)等是我們在設計過程中應該考慮的。3.2BIPV 對光伏方陣的布置要求對于某一具體位置的建筑來說， 與光伏方陣結合或集成的屋頂和墻面，所能接受的太陽輻射是一定的。為獲得更多的太陽能，光伏方陣的布置應盡可能地朝向太陽光入射的方向，如建筑的南面、西南、東南面等。21tyn3.3BIPV 對光伏組件的要求21tyncnBIPV 將太陽能光伏組件作為建筑的一部分，對建筑物的建筑

12、效果與建筑功能帶來一些新的影響。 作為與建筑結合或集成的建筑新產(chǎn)品，BIPV 對光伏組件提出了如下新的要求。3.3.1顏色與質(zhì)感21tyncn用于 BIPV 的光伏組件，由于其安裝朝向與部位的要求，在不可能作為建筑外裝飾的主要材料的前提下，光伏組件的顏色與質(zhì)感需與整座建筑協(xié)調(diào)。63.3.2強度與抗變形的能力21tyn當光伏組件與建筑集成使用時，光伏組件是一種建筑材料，作為建筑幕墻或采光屋頂使用，因此需滿足建筑的安全性與可靠性需要。光伏組件的玻璃需要增厚，具有一定的抗風壓能力。 同時光伏組件也需要有一定的韌性，在風荷載作用時能有一定的變形，這種變形不會影響到光伏組件的正常工作。3.3.3 透光率

13、在光伏組件與建筑集成使用時， 如光電幕墻和光電采光頂， 通常對它的透光性會有一定要求。 這對于本身不透光的晶體硅太陽電池而言，在制作組件時采用雙層玻璃封裝，同時通過調(diào)整電池片之間的空隙來調(diào)整透光量。21tyncom3.3.4 尺寸和形狀 21tyncom目前市場上大部分的光伏組件的為用于光伏電站和與光伏電子產(chǎn)品配套，規(guī)格相對比較單一，不能適應建筑多樣化與個性化的要求。用于BIPV 的光伏組件，需要結合建筑的不同要求，進行專門的設計與生產(chǎn)。21TYN.COM21TYN.COM4、光伏建筑一體化（BIPV）的主要形式21tyn從光伏方陣與建筑墻面、屋頂?shù)慕Y合來看，主要為屋頂光伏電站和墻面光伏電站。

14、而光伏組件與建筑的集成來講，主要有光電幕墻、光電采光頂、光電遮陽板等形式。目前光伏建筑一體化主要有八種形式，21tyn1234BIPV 形式光伏組件建筑要求21tyncom類型21tyncom光電采光頂建筑效果、 結構強度、采光伏玻璃組件集成21TYN.COM21tyncom光、遮風擋雨（天窗）21tyn21tyncn21TYN.COM光電屋頂光伏屋面瓦21tyncn建筑效果、 結構強度、遮集成 太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟21tyncn風擋雨21tyncn光電幕墻光伏玻璃組件21tyncn建筑效果、 結構強度、采集成21tyncn光、遮風擋雨太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（透明幕墻）（透明）21TYN.COM光電幕墻21

15、TYN.COM光伏玻璃組件21tyn建筑效果、 結構強度、遮集成風擋雨太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟756（非透明幕墻）（非透明）光電遮陽板太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟光伏玻璃組件21tyncom（有采光要求）21tyn（透明）光電遮陽板光伏玻璃組件21tyncom（無采光要求）（非透明）太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟建筑效果、 結構強度、采集成21tyn光21tyncn建筑效果、結構強度21tyncn集成 21tyncn7821tyn21tyncom屋頂光伏方陣墻面光伏方陣21tyn普通光伏組件 建筑效果普通光伏組件中國太陽能產(chǎn)業(yè)建筑效果聯(lián)盟網(wǎng)中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)結合結合21TYN.COM中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)表 1 光伏建

16、筑一體化的主要形式5、光伏建筑一體化BIPV 的設計 5.1 設計原則21tyncom光伏建筑一體化是光伏系統(tǒng)依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式，其主體是建筑，客體是光伏系統(tǒng)。因此，BIPV 設計應以不損害和影響建筑的效果、結構安全、功能和使用壽命為基本原則，任何對建筑本身產(chǎn)生損害和不良影響的BIPV 設計都是不合格的設計。5.2 建筑設計BIPV 的設計應從建筑設計入手，首先對建筑物所處地的地理氣候條件及太陽能的資源情況進行分析，這是決定是否選用BIPV 的先決條件；其次是考慮建筑物的周邊環(huán)境條件，即選用 BIPV 的建筑部分接受太陽能的具體條件，如被其他建筑物遮檔，也不必考慮選用BIPV

17、；第三是與建筑物的外裝飾的協(xié)調(diào)，光伏組件給建筑設計帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇，畫龍點睛的 BIPV 設計會使建筑更富生機，環(huán)保綠色的設計理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結合。第四，考慮光伏組件的吸熱對建筑熱環(huán)境的改變。中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)5.3 發(fā)電系統(tǒng)設計21TYN.COMBIPV 的發(fā)電系統(tǒng)設計與光伏電站的系統(tǒng)設計不同，光伏電站一般是根據(jù)負載或功率要求來設計光伏方陣大小并配套系統(tǒng)，BIPV 則是根據(jù)光伏方陣大小與建筑采光要求來確定發(fā)電的8功率并配套系統(tǒng)。BIPV 光伏系統(tǒng)設計包含三部分，分別為光伏方陣設計、光伏組件設計和光伏發(fā)電系統(tǒng)設計。光伏方陣設計， 在與建筑墻面結合或集成時，一方面要考慮建筑效果，如

18、顏色與板塊大小；另一方面要考慮其受光條件，如朝向與傾角。光伏組件設計，涉入電池片的選型（綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量）與布置（結合板塊大小、功率要求、電池片大小進行）；組件的裝配設計（組件的密封與安裝形式）。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計，即系統(tǒng)類型（并網(wǎng)系統(tǒng)或獨立系統(tǒng)）確定，控制器、逆變器、蓄電池等的選型，防雷、系統(tǒng)綜合布線、感應與顯示等環(huán)節(jié)設計。21tyncom5.4 結構安全性與構造設計21TYN.COM光伏組件與建筑的結合，結構安全性涉及兩方面： 一是組件本身的結構安全， 如高層建筑屋頂?shù)娘L荷載較地面大很多，普通的光伏組件的強度能否承受，受風變形時是否會影響到電池片的正常工作等。二是固定組件的連接方式

19、的安全性。組件的安裝固定不是安裝空調(diào)式的簡單 固定，而是需對連接件固定點進行相應的結構計算，并充分考慮在使用期內(nèi)的多種最不利情況。建筑的使用壽命一般在50 年以上，光伏組件的使用壽命也在20 年以上， BIPV的結構安全性問題不可小視。構造設計是關系到光伏組件工作狀況與使用壽命的因素，普通組件的邊框構造與固定方式相對單一。與建筑結合時，其工作環(huán)境與條件有變化，其構造也需要 與建筑相結合。如隱框幕墻的無邊框、采光頂?shù)呐潘绕胀ńM件邊框已不適用。6、國內(nèi)光伏建筑一體化工程應用實例6.1 深圳國際園林花卉博覽園光伏屋頂系統(tǒng)由深圳市政府投資承建的1 兆瓦太陽能光伏電站于2004 年 8 月在深圳國際園

20、林花卉博覽園內(nèi)建成發(fā)電。電站安裝于園內(nèi)綜合展館、花卉展館、管理中心、南區(qū)游客服務中心和北區(qū)東山坡， 采用與市電直接并網(wǎng)的運行 方式， 是目前亞洲最大的并網(wǎng)太陽能光伏電站之一。該電站總?cè)萘?000.322kWp，年發(fā)電能力約為100 萬 kWh。工程采用了超過4000 個單晶硅及多晶9硅光伏組件（160 瓦和 170 瓦組件）。與建筑屋頂結合部分如圖810。 太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)6.2 深圳方大大廈10.7kWp 光電幕墻與光電屋頂方大大廈光伏建筑一體化工程是光伏組件與建筑的集成。光伏組件作為大廈電梯井頂部的采光頂與幕墻面出現(xiàn)。光伏方陣總面積93.8 平方米，光伏組件采用多晶硅玻璃

21、組件，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)總?cè)萘?0.7kWp； 2002 年 12 月建成并投入使用。安裝方位：立面東南斜面東南偏南，與水平面傾角45 度。com21tyn7、結束語10為推進要再生能源在建筑上的應用，今年國家 財政部建設部 共同 頒發(fā)了推進可再生能源在建筑中應用的實施意見、可再生能源建筑應用示范項目評審辦法等一系列文件。同時 2006 年 6 月 1 日實施的綠色建筑評價標準（GB/T50378-2006 ）也明確將可再生能源發(fā)電作為綠色建筑評價的優(yōu)選項。不難想象， 光伏建筑一體化作為一種可再生能源在建筑上應用的舉措，在我國將會快速地發(fā)展，光伏建筑一體化應用技術也將得到很大的進步。 在目前尚

22、無相關技術標準規(guī)范的情況下，正確地認識和理解光伏建筑一體化技術，合理地應用并把握其關鍵點尤為重要。實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好地結合，還需要我們進行深入廣泛地研究。參考 文 獻 21tyncn1中國可再生能源發(fā)展項目辦公室主編. 中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2004-2005 ） .北京 .2006.8 21tyncn2 王長貴 王斯成主編 . 太陽能光伏發(fā)電實用技術 . 北京 . 化學工業(yè)出版社 .2005.9 3 李安定著 . 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程 . 北京 . 北京工業(yè)大學出版社 .2001.12 21TYN.COM4 L.Stamenic . Developments with BIPV System in Canada. Asian J. EnergyEnviron., Vol.5,Issue 4,(2004), pp349-365中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)5 Gregory Kiss. Optimal Building-Integrated