光伏發(fā)電于建筑住宅的應(yīng)用

1、光伏發(fā)電于建筑的應(yīng)用王欣、賈淑華、王封力摘要：為解決我國人均能源資源占有量低，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)發(fā)展。光伏發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要方式之一。開展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，對于緩解能源和環(huán)境問題，開拓廣闊的光伏發(fā)電市場和掌握相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：太陽能、光伏發(fā)電、建筑光伏引言我國地大物博，人口眾多，人均能源資源占有量低.據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，我國人均能源探明儲量只有135tee，僅相當(dāng)于世界擁有量264tec的51%.其中；煤炭人均探明儲量為147t,是世界人均值208t的70%：石油為2.9t，為世界人均值的11%1天然氣為世界人均值的4%；即使是水能資

2、源，按人口平均，也低于世界人均值.而我國所面臨的卻是能源需求量成倍增長的嚴(yán)重挑戰(zhàn).如果2050年我國的人口總數(shù)為15億左右的話屆時(shí)一次能源的需求量將為30億37.5億tee,的為目前美國能源消費(fèi)總量的1.52倍，為屆時(shí)世界一次能源消費(fèi)總量的16%-22%。傳統(tǒng)的能源與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的矛盾越來越突出。能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的源動力，但由于常規(guī)能源的有限性和分布不均勻性，造成世界上大部分國家的能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。2014年，能源消費(fèi)總量38.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，同比增長3.2%；用電

3、量5.72萬億千瓦時(shí)，同比增長7%；煤炭消費(fèi)量38億噸，增長1.6%；石油表觀消費(fèi)量5.1億噸，增長1.8%；天然氣表觀消費(fèi)量1930億立方米，增長14.5%。近二、三十年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要方式之一。開展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，對于緩解能源和環(huán)境問題，開拓廣闊的光伏發(fā)電市場和掌握相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。11光伏發(fā)電原理光伏電池實(shí)際上是一個(gè)P-N結(jié)。通常，用于光伏電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，在純凈的硅晶體中，自由電子和空

4、穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、嫁等兀素，由于這些兀素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導(dǎo)體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導(dǎo)體，以符號N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個(gè)PN結(jié)。如圖所示，當(dāng)光伏電池受到陽光射時(shí)，電子接受光能，向N型區(qū)移動，使N型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向P型區(qū)動，使P型區(qū)帶正電。這樣，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時(shí)分別在P型層和N型連接導(dǎo)線，接通用電負(fù)荷，則電路便有電流通過，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。IIH11N酣(P0Tiiie

5、jPit(B-)e二e光觸應(yīng)原理圖達(dá)70%1.2光伏建筑一體化光伏建筑一體化（BIPV）提出了建筑物產(chǎn)生能源的概念，即通過建筑物屋頂和墻面的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)使建筑物供給自身以綠色環(huán)保的電能，滿足自身用電需求。光伏發(fā)電系統(tǒng)用于建筑物的一般可以分為獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)、并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)和混合型運(yùn)行系統(tǒng)。本文主要是針對建筑住宅不與電網(wǎng)相連的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此就不對其余的系統(tǒng)做過多敘述。所謂獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是屬于孤立的發(fā)電系統(tǒng)，主要應(yīng)用于山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)等市電無法到達(dá)的地方。應(yīng)用于建筑的獨(dú)立光伏系統(tǒng)分為光伏墻結(jié)構(gòu)（PV-wall）和光伏屋頂（PV-roof）結(jié)構(gòu)，兩者通過放置在屋頂和幕墻上的太陽能電池板產(chǎn)生電能

6、供給建筑物自身負(fù)荷使用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的；現(xiàn)在許多太陽能電池板被用作屋頂和幕墻的材料，這樣不但達(dá)到了自給自足的作用，同時(shí)也兼做了建筑材料，降低了建筑成本。太陽能電池板太陽能電池幕墻太陽能電池板由電池片，鋼化玻璃，EVA，TPT等材質(zhì)組成，制造光伏電池的半導(dǎo)體材料己知的有十幾種，因此光伏電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，在市場上使用最多的算是硅光伏電池。太陽能電池板種類主要有：單晶硅太陽能電池、多晶體太陽能電池、非晶硅太陽能電池、多元化合物太陽能電池。其中轉(zhuǎn)換率最高的是單鏡頭太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)24%但是其制作成本很大；轉(zhuǎn)換率最低的是非晶硅型，雖然其成本低但是轉(zhuǎn)換率只有10%左右，并且隨著

7、使用時(shí)間的延長，其轉(zhuǎn)換率會衰減；多晶體硅介于兩者之間，國際先進(jìn)轉(zhuǎn)換率為15%左右，并且制作成本比單晶體型稍低，但是占地空間比單晶體略大。太陽能電池板的使用壽命由制作材質(zhì)好壞決定，材料優(yōu)良技術(shù)成熟的廠家做出來的太陽能電池板壽命可以達(dá)到25年左右，但隨著外景環(huán)境的影響，太陽能電池板的材料會隨著時(shí)間的變化而老化。一般情況下使用20年功率會衰減30%左右，25年功率會衰減光伏建筑一體化(BIPV)中將建筑物的外墻、玻璃幕墻、窗戶甚至屋頂本身在合適的朝陽方向上采用光伏組件來代替建筑材料，太陽能電池板在其中既作為建材又作為發(fā)電原件。這樣就要求光伏組件要具備建筑材料相應(yīng)的特性，如防水防潮、絕熱保溫、機(jī)械強(qiáng)度

8、、安全美觀、易于施工等等。1.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池陣列，系統(tǒng)控制器，蓄電池組和交直流逆變器。其中光伏電池陣列和系統(tǒng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件，各部件在系統(tǒng)中的作用是：光伏電池陣列：利用陽光產(chǎn)生光伏效應(yīng)，提供電能。系統(tǒng)控制器：太陽能系統(tǒng)控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并具有隊(duì)蓄電池組起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的功能。在溫差較大的地方，系統(tǒng)控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌绻饪亻_關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)控制器的可延伸功能，智能型的系統(tǒng)控制器已發(fā)展到使用高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有獨(dú)立的微機(jī)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制系統(tǒng)，目前使用僅

9、限于一些通信系統(tǒng)和規(guī)模較大要求較高的光伏項(xiàng)目。蓄電池組：把由太陽電池陣列產(chǎn)生的電能儲存起來，當(dāng)需要時(shí)將儲存的電能釋放供給用電負(fù)荷使用。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中大多數(shù)采用的是鉛酸蓄電池，區(qū)別于傳統(tǒng)電解液，用于光伏發(fā)電的電池中添加了如硅酸鈉等其他成分，比傳統(tǒng)使用的鉛酸電池安全，對充電電壓以及溫度的適應(yīng)范圍更大,并且免維護(hù)，但其自放電較傳統(tǒng)電池更明顯。交直流逆變器：把光伏電池陣列產(chǎn)生或者蓄電池組釋放的直流電和交流電相互轉(zhuǎn)換，供給用電負(fù)荷或者存儲電量。其最重要的指標(biāo)是可靠性和轉(zhuǎn)換效率。因光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)荷情況影響，為了提高其轉(zhuǎn)換率和輸出功率，在并網(wǎng)系統(tǒng)

10、中采用了最大功率跟蹤技術(shù)(maximumpowerpointtracking,MPPT)，最大限度地把光伏電池轉(zhuǎn)換的電能送入電網(wǎng)。太陽能電池陣列亍居+蓄電池光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)枸圖1.4光伏發(fā)電的應(yīng)用1充分考慮運(yùn)行環(huán)境建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，提供給建筑用電設(shè)備使用。系統(tǒng)一般由太陽能電池板、蓄電池組、系統(tǒng)控制器、交直流逆變器和用電負(fù)荷等組成。建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著重考慮系統(tǒng)的高效性、高可靠性和使用維護(hù)簡單方便。并且根據(jù)項(xiàng)目所處當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件（地理位置、太陽輻射能、氣候、氣象等）、負(fù)載的大小和每天使用的時(shí)間，以及其他使用要求合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部件。環(huán)境因素光伏發(fā)電收到自然環(huán)境的影響非常大

11、，光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、地理位置、氣候、氣溫、濕度等，都是影響發(fā)電效率和光伏壽命的因素。光電轉(zhuǎn)換效率受到本身技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定性等原因，光電轉(zhuǎn)換效率一直保持在一個(gè)比較低的水平，再加上光照、溫度等環(huán)境因素的影響，光電轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)不穩(wěn)定性。用電不穩(wěn)定性由于用途、時(shí)間、電量等因素的不穩(wěn)定性，對于不同的地區(qū)、時(shí)間、項(xiàng)目等都有不同的要求，這使得在光伏發(fā)電設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮的因素非常多。損耗問題由于太陽能電池板隨著使用時(shí)間的推移，其光電轉(zhuǎn)換效率也會隨之衰減。計(jì)算誤差為光伏發(fā)電的特殊性，導(dǎo)致影響其結(jié)果的因素很多，在計(jì)算其轉(zhuǎn)換效率、用電量、日輻射量、傾斜度等時(shí)不可避免的帶入了誤差影響了其最終效果。2建筑光伏用

12、電設(shè)計(jì)根據(jù)國家電網(wǎng)所設(shè)的定義，所謂分布式光伏發(fā)電就是位于用戶附近，所發(fā)電量能夠就地利用，運(yùn)行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，且在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施電壓等級在10千伏以下，且項(xiàng)目總裝機(jī)容量不超過6000千瓦（裝機(jī)容量不設(shè)下限）的光伏發(fā)電項(xiàng)目。此類項(xiàng)目可以接入國家電網(wǎng)，這就意味著在建筑屋頂?shù)忍幏稚⒉贾玫墓夥l(fā)電項(xiàng)目，其業(yè)主除了能自己發(fā)電自己用，還可以把多余的電量賣給電網(wǎng)。本市電力公司為落實(shí)國家電網(wǎng)這一利國利民的政策，結(jié)合本市的具體情況規(guī)定，凡本市范圍內(nèi)的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，無論是10千伏、380伏還是220伏，均可以申請上網(wǎng)。電力公司將為項(xiàng)目業(yè)主提供設(shè)計(jì)、檢測等全過程的免費(fèi)服

13、務(wù)，而且還會全額收購這些項(xiàng)目富余的電量。并網(wǎng)后的方式可分為全部上網(wǎng)，全部自用和自發(fā)自用、余電上網(wǎng)出售方式供用戶選擇，用戶不足電量由電網(wǎng)提供，上、下網(wǎng)電量分開結(jié)算。光伏發(fā)電的成本隨著太陽能板的面積增大而減小，在國內(nèi)的大中小城市中，高樓林立，各個(gè)地方都在開發(fā)，沒有這樣的條件去發(fā)展規(guī)模性的光伏發(fā)電項(xiàng)目，所以以家庭和小區(qū)為單位的分布式光伏發(fā)電更適合現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。2.1家庭式光伏發(fā)電家庭式光伏發(fā)電項(xiàng)目是以家庭為單位，在建筑外部采光處（如陽臺、遮雨棚等）安裝太陽能板，與建筑市政供電合并，在家庭電氣設(shè)備運(yùn)行較少或閑置時(shí)多余的電量存儲在蓄電池中，用電高峰期時(shí)優(yōu)先選擇蓄電池的電量使用，把光伏發(fā)電最大化使用，同

14、時(shí)又不影響家庭正常用電。目前市面上的太陽能電池大致分為兩大類：晶體太陽能電池（單晶體和多晶體）和非晶體太陽能電池（薄膜太陽能電池、有機(jī)太陽能電池）。其中單晶硅太陽能電池的光轉(zhuǎn)電效率最高，可以達(dá)到百分之二十，但是相對于其他類型價(jià)格較貴。非晶體太陽能電池雖然價(jià)格低，但是他的光電轉(zhuǎn)化率卻不到百分之十，收到技術(shù)條件的限制，我們無法選擇一款成本低廉效率高的設(shè)備。所以綜合考慮到家庭式光伏發(fā)電的適用者和其規(guī)模性，我們選擇單晶體電池作為光電轉(zhuǎn)換載體更為合適。逆變器：光伏發(fā)電的核心；因?yàn)樘柲苤苯虞敵龅碾妷簽橹绷?2V、24V、48V,而我們常用的家電設(shè)備的工作電壓都是交流220V,因此需要DC-AC逆變器將太

15、陽能產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換成交流220V才能維持家庭正常的用電需求。我們這里選擇功率等級在200瓦500瓦的微型逆變器，可方便地在幕墻、窗臺、小型屋面上使用。確定日用電量：日用電量=負(fù)載工作耗電量x平均每天工作日時(shí)數(shù)計(jì)算日輻射量：從當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計(jì)近幾年至幾十年的年均輻射量，從而求出月平均，日平均。估算太陽能電池方陣和傾斜度：根據(jù)日輻射量和日用電量確定方陣，再把氣象資料查詢的水平面上的輻射量換算成斜面上的輻射量。確定太陽能電池方陣和蓄電池容量。1.5前景與展望統(tǒng)計(jì)表明，我國的建筑能耗占到當(dāng)年全社會終端能源消耗的1/3，終端能源消耗總量已經(jīng)位于世界前列。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人民生活水平的提高，建筑能

16、耗在呈爆發(fā)性地增漲，現(xiàn)有的不可再生資源消耗正在面臨著考驗(yàn)，充分地利用光伏，正是綠色環(huán)保、可持續(xù)性的能源逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的時(shí)機(jī)。光伏發(fā)電較之傳統(tǒng)火力、水力發(fā)電而言，從來源到終端，中間不需要轉(zhuǎn)換，發(fā)電模式極為簡潔、不消耗資源，無溫室氣體、廢氣和廢水的排放，綠色環(huán)保；發(fā)電過程中不會產(chǎn)生任何噪音，發(fā)電不用借助其他催化劑；發(fā)電設(shè)備安裝方便簡潔，既能在荒無人煙的荒漠地帶安裝，也可安裝在建筑物的屋頂或幕墻，管理簡單，維護(hù)成本低。在制作成本方面，太陽能是取之不盡，用之不竭的能源，太陽能電池板制造所需的硅在地殼中的含量高達(dá)26%，不會出現(xiàn)資源的短缺。2014年1至4月份，甘肅風(fēng)電發(fā)電量39.25億千瓦時(shí)，同比增長16.34%，光伏發(fā)電量13.53億千瓦時(shí)，同比增長276%。而與之相反的是，受經(jīng)濟(jì)增速放緩影響，同一時(shí)期甘肅火電和水電發(fā)電量增長疲軟，分別為-0.61%和-4.44%。同期河北省承德縣光伏發(fā)電項(xiàng)目年平均發(fā)電量14500萬千瓦時(shí)。該項(xiàng)目10萬千瓦目前已完成6萬千瓦，其中光伏電站2萬千瓦光伏發(fā)電單元已于2013年12月31日成功并網(wǎng)發(fā)電，日發(fā)電量5萬伏。“項(xiàng)目一期全部建成后每年可為國家節(jié)約