光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)方案

光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)方案目錄TOC\o"1-3"\h\u8019一、簡(jiǎn)介 118353二、光伏建筑一體化原理 22996（一）太陽(yáng)電池原理 28070（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)原理 216108三、光伏建筑一體化BIPV 38406（一）光伏與建筑相結(jié)合的形式 32231（四）光伏系統(tǒng)與建筑墻體相結(jié)合 532358（五）建筑與光伏組件的結(jié)合 521207（六）光伏組件與玻璃幕墻相結(jié)合 615545（七）光伏組件與遮陽(yáng)板的結(jié)合 629281(八)光伏組件與屋頂瓦板相結(jié)合 615531（九）光伏組件與窗戶(hù)及采光頂相結(jié)合 73193四、光伏建筑一體化的發(fā)展前景 732700五、總結(jié) 7光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)一、簡(jiǎn)介太陽(yáng)能光伏建筑一體化（BIPV）系統(tǒng)，是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念，簡(jiǎn)單地講就是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電陣列安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表來(lái)提供電力。這和系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如有效利用建筑外表面、無(wú)需額外用地或者加建其他設(shè)施、節(jié)約外飾材料（玻璃幕墻等）、外觀更有魅力、緩解電力需求、降低夏季空調(diào)負(fù)荷、改善室內(nèi)熱環(huán)境等。光伏建筑一體化系統(tǒng)是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的重要市場(chǎng)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家都將光伏建筑一體化作為重點(diǎn)項(xiàng)目積極推進(jìn)。近年來(lái)，國(guó)外推行在用電密集的城鎮(zhèn)建筑物上安裝光伏系統(tǒng)，并采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式，極大地推動(dòng)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，光伏與建筑一體化已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電量的最大比例。光伏應(yīng)用技術(shù)作為一種新型的技術(shù)，在建筑學(xué)上已經(jīng)成為一種新的可行的選擇。光伏應(yīng)用技術(shù)利用太陽(yáng)光這種巨大的可再生能源來(lái)產(chǎn)生電力，其光伏轉(zhuǎn)換構(gòu)件既可以安裝在建筑物上，又可以作為多功能建筑材料構(gòu)成實(shí)際的建筑物部件，光伏建筑的產(chǎn)生是建筑物設(shè)計(jì)領(lǐng)域超越能源意識(shí)的新型設(shè)計(jì)意識(shí)，對(duì)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境起著重要作用。光伏并網(wǎng)和建筑一體化的發(fā)展，標(biāo)志著光伏發(fā)電由邊遠(yuǎn)地區(qū)向城市過(guò)渡，由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡，人類(lèi)社會(huì)向可持續(xù)發(fā)展的能源體系過(guò)渡。太陽(yáng)能光伏發(fā)電將作為最具可持續(xù)發(fā)展特征的能源技術(shù)進(jìn)入能源機(jī)構(gòu)其比例將愈來(lái)愈大并成為能源主體構(gòu)成之一。二、光伏建筑一體化原理（一）太陽(yáng)電池原理半導(dǎo)體根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理的不同可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體中的電子被激發(fā)而移動(dòng)，失去電子的地方就形成空穴。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起在半導(dǎo)體中形成“勢(shì)壘”。由P型半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子向N型層移動(dòng)，由N型層中產(chǎn)生空穴向P型層移動(dòng)。P型層中由于帶有正電荷的空穴數(shù)目增多而帶正電；N型層中由于帶負(fù)電荷的電子數(shù)目增多而帶負(fù)電。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，稱(chēng)為太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓。當(dāng)用導(dǎo)線連接半導(dǎo)體兩端時(shí)，光電流在外部回路中流動(dòng)，稱(chēng)為短路電流。最基本的太陽(yáng)電池是由P—N結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)原理光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)按其系統(tǒng)配置可分為獨(dú)立式（stand—alone）連接電網(wǎng)式（grid—alone）2種。當(dāng)不可能或沒(méi)必要與電網(wǎng)連接時(shí)，獨(dú)立式光電系統(tǒng)（stand—alonesystems）較適用。這種系統(tǒng)白天產(chǎn)生的多余電能儲(chǔ)存在電池組中，以備夜間及昏暗多云天使用。當(dāng)有電網(wǎng)時(shí)，就不需電池組儲(chǔ)能了。因?yàn)殡娋W(wǎng)已經(jīng)充當(dāng)了一個(gè)大的蓄電池的作用。連接電網(wǎng)式如圖1所示。當(dāng)太陽(yáng)能電池板供電不足時(shí)，由電網(wǎng)向用戶(hù)供電，相反的，若太陽(yáng)能電池板供電大于用戶(hù)需求，剩余的電可通過(guò)直交流逆變換器輸送到電網(wǎng)。只需在連接電網(wǎng)時(shí)安裝一塊雙向計(jì)量電度表即可解決電力收費(fèi)的問(wèn)題。這種系統(tǒng)特別適合于已有電網(wǎng)供電的用戶(hù)，不僅可省去蓄電他的設(shè)置，減少初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，而旦有利于削減因采用空調(diào)設(shè)備而造成的夏季白天用電高峰的問(wèn)題。圖1一個(gè)典型的電網(wǎng)連接充電系統(tǒng)（白天，多余的電流將流入電網(wǎng)，計(jì)量表會(huì)倒轉(zhuǎn)）三、光伏建筑一體化BIPV太陽(yáng)能光伏—建筑一體化BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaics,)是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念：在建筑為維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)光伏陣列提供電力?？梢哉f(shuō)在眾多可再生能源發(fā)電技術(shù)中，光伏發(fā)電是最綠色最環(huán)保也是最值得期待的一項(xiàng)技術(shù)[1]。圖2戶(hù)用型光伏建筑一體化原理圖（一）光伏與建筑相結(jié)合的形式光伏與建筑的結(jié)合有兩種方式。一種是建筑與光伏系統(tǒng)的結(jié)合，把封裝好的光伏組件平板或曲面板安裝在居民住宅或建筑物的屋頂上，建筑物作為光伏陣列載體，起支撐作用，然后光伏陣列再與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載等裝置相連。建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合是一種常用的光伏建筑一體化形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。另一類(lèi)是建筑與光伏組件相結(jié)合。建筑與光伏組件相結(jié)合是光伏建筑一體化的一種高級(jí)形式，它對(duì)光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿(mǎn)足光伏發(fā)電的功能要求，同時(shí)還要兼顧建筑的基本功能要求。一般的建筑物外圍護(hù)表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃，目的是保護(hù)和裝飾建筑物。如果用光伏組件代替部分建材，即用光伏組件來(lái)做用作建材也可建筑物的屋頂，外墻和窗戶(hù)，這樣既可用以發(fā)電。（二）建筑與光伏系統(tǒng)的結(jié)合與建筑相結(jié)合的光伏系統(tǒng)，可以作為獨(dú)立電源供電或者以并網(wǎng)的方式供電。當(dāng)光伏建筑一體化系統(tǒng)參與并網(wǎng)時(shí)，可以不需要蓄電池，但需要與電網(wǎng)連入的裝置，而并網(wǎng)發(fā)電是當(dāng)今光伏應(yīng)用的新趨勢(shì)。將光伏組件安裝在建筑物上，引出端經(jīng)過(guò)控制器及逆變器與公共電網(wǎng)連接，需要由光伏陣列及電網(wǎng)并聯(lián)向用戶(hù)供電，這就組成了戶(hù)用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。由于不需要蓄電池，大大降低了造價(jià)。光伏系統(tǒng)與建筑物相結(jié)合的形式主要包括與建筑物屋頂相結(jié)合以及與建筑墻體相結(jié)合等方式，下面分別進(jìn)行介紹。（三）光伏系統(tǒng)與建筑屋頂相結(jié)合將建筑屋頂作為光伏陣列的安裝位置有其特有的優(yōu)勢(shì)，日照條件好，不容易受到遮擋，可以充分接受太陽(yáng)輻射，光伏系統(tǒng)可以緊貼建筑屋頂結(jié)構(gòu)安裝，減少風(fēng)力的不利影響。并且，太陽(yáng)組件可替代保溫隔熱層遮擋屋頂。此外，與建筑屋頂一體化的面積光伏組件由于綜合使用材料，不但節(jié)約了成本，單位面積上的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)施的價(jià)格也可以大大降低，有效地利用了屋面的符合功能。圖3為光伏系統(tǒng)與建筑屋頂相結(jié)合的建筑實(shí)例（四）光伏系統(tǒng)與建筑墻體相結(jié)合對(duì)于多、高層建筑來(lái)說(shuō)，建筑外墻是與太陽(yáng)光接觸面積最大的外表面。為了合理地利用墻面收集太陽(yáng)能，可采用各種墻體構(gòu)造和材料。將光伏系統(tǒng)置于有建筑墻體上不僅可以利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電力，滿(mǎn)足建筑的需求，而且還能有效減低建筑墻體的溫度，從而降低建筑物室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷。圖7為光伏系統(tǒng)與建筑墻體相結(jié)合的建筑實(shí)例。（五）建筑與光伏組件的結(jié)合建筑與光伏組件的結(jié)合是指將光伏組件與建筑材料集成化，光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏陣列成為建筑不可分裂的一部分，如光伏玻璃幕墻、光伏瓦和光伏遮陽(yáng)板裝置。把光伏組件作為建材所要求的幾項(xiàng)條件，如堅(jiān)固耐用、保溫隔熱、防水防潮、適當(dāng)強(qiáng)度和剛度等性能、用光伏組件替代部分建材、在將來(lái)隨著應(yīng)用面的擴(kuò)大，光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模也隨之增大，則可從規(guī)模效益上降低光伏組件的成本，有利于光伏產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，所以存在著巨大的潛在市場(chǎng)。近幾年，隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，薄膜光伏電池市場(chǎng)前景看好，技術(shù)日臻成熟，光伏轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性不斷提高。薄膜光伏電池的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是適合做成魚(yú)建筑物結(jié)合的光伏發(fā)電組件：雙層玻璃封裝性的薄膜光伏電池組件，可以根據(jù)需要，制成不同的透光率，可以替代玻璃幕墻，而不銹鋼和集合物襯底的柔性薄膜光伏電池適用于建筑屋頂?shù)刃枰煨偷牟糠?。一方面它具有漂亮的外觀，能夠發(fā)電;另一方面，用于薄膜光伏電池的透明導(dǎo)電薄膜又能很好地阻擋外部紅外線的進(jìn)入和內(nèi)部熱能的散失，將成為建筑與光伏組件結(jié)合的主要方向之一。圖4光伏與建筑結(jié)合的方式（六）光伏組件與玻璃幕墻相結(jié)合將光伏組件同玻璃幕墻集成化的光伏玻璃突破了傳統(tǒng)玻璃幕墻的單一圍護(hù)功能，把以前被當(dāng)做有害因素而屏蔽在建筑物表面的太陽(yáng)光，轉(zhuǎn)化為能被人們利用的電能，同時(shí)這種復(fù)合材料部多占用建筑面積，而且優(yōu)美的外觀具有特殊的裝飾效果，更賦予建筑物鮮明的時(shí)代特色和技術(shù)特色，已經(jīng)成為光伏建筑一體化應(yīng)用的一道亮麗風(fēng)景線。（七）光伏組件與遮陽(yáng)板的結(jié)合將光伏系統(tǒng)與遮陽(yáng)裝置構(gòu)成多功能建筑構(gòu)件，一物多用，既可以有效利用空間為建筑物提供遮擋，又可以提供能源，在美學(xué)與功能兩個(gè)方面都達(dá)到了完美的統(tǒng)一。(八)光伏組件與屋頂瓦板相結(jié)合光伏組件與屋頂相結(jié)合的另一種光伏系統(tǒng)：太陽(yáng)能瓦。太陽(yáng)能瓦是太陽(yáng)能光伏電池與屋頂瓦板結(jié)合形成一體化的產(chǎn)品，這一材料的創(chuàng)新之處在于使太陽(yáng)能與建筑達(dá)到真正意義上的一體化，該系統(tǒng)直接鋪在屋頂上，不需要在屋頂上安裝支架，太陽(yáng)能瓦由光伏模塊組成，光伏模板的形狀、尺寸、鋪裝時(shí)的構(gòu)造方法都與平板式的大片屋面瓦一樣。（九）光伏組件與窗戶(hù)及采光頂相結(jié)合光伏組件若是用于窗戶(hù)、采光頂?shù)龋瑒t必須能夠透光，就是說(shuō)既可以發(fā)電又可以采光。除此之外，還要考慮安全性、外觀和施工簡(jiǎn)便等因素。圖9為光伏組件與窗戶(hù)及采光頂相結(jié)合的建筑實(shí)例。四、光伏建筑一體化的發(fā)展前景光伏建筑一體化的優(yōu)點(diǎn)：從建筑學(xué)、光伏技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益方面的觀點(diǎn)來(lái)看，光伏發(fā)電技術(shù)和建筑學(xué)相結(jié)合的光伏建筑一體化有如下優(yōu)點(diǎn)：1.無(wú)需占用寶貴的土地資源；2.建筑物光伏發(fā)電不需要安裝額外的基礎(chǔ)設(shè)施；3.能有效的減少建筑能耗，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能；4.能夠降低建筑物室內(nèi)冷負(fù)荷；5.建筑物光伏發(fā)電可以提供創(chuàng)新方式改善建筑物的外觀審美；6.安全環(huán)保，增加樓盤(pán)的整體品質(zhì)。五、總結(jié)隨著國(guó)際石油價(jià)格持續(xù)上漲和國(guó)內(nèi)煤炭?jī)r(jià)格上調(diào)壓力的增大，我國(guó)能源供應(yīng)正面臨著前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì)。地球上的環(huán)境由于大量燃燒礦物能源已產(chǎn)生很明顯的變化，人們世代賴(lài)以生存的環(huán)境正在逐漸惡化，減少傳統(tǒng)常規(guī)能源的消耗量、節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的迫切性已引起我國(guó)各級(jí)政府的高度重視。建筑能耗是各行中的耗能大戶(hù)，我國(guó)已經(jīng)接近占總能耗的30%，如何有效地降低建筑能耗是目前人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一?！伴_(kāi)源節(jié)流”是解決能源安全問(wèn)題的唯一選擇，在大力節(jié)能的基礎(chǔ)上人們的努力方向。太陽(yáng)能按如何使用可再生能源，降低建筑物傳統(tǒng)能源消耗量是近幾年以其清潔，用之不竭的特性近幾年再次引起人們的高度關(guān)注，比如太陽(yáng)能光伏建筑發(fā)電產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷(xiāo)售平均每年都以超過(guò)30%的速度增長(zhǎng)，太陽(yáng)能光伏建筑發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用將成為最普及的建筑物可再生能源利用形式。太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用最為有效的方法之一是采用建筑光伏一體化（BIPV）,即光伏建筑，在建筑物上鑲嵌太陽(yáng)能光伏板發(fā)電為建筑物提供全部或部分電力。建筑物能耗通常占一個(gè)國(guó)家和地區(qū)全部能源消耗的30%~50%，利用光伏建筑發(fā)電對(duì)于減少常規(guī)電力消耗量，降低供電高峰負(fù)荷和保護(hù)地球環(huán)境具有重要的意義。隨著全球氣候的急速變化，發(fā)展中國(guó)家對(duì)能源需求量的增加，礦物質(zhì)燃料的逐步短缺和耗盡，能源的開(kāi)發(fā)和使用已成為人類(lèi)活動(dòng)的突出問(wèn)題。在全球能源應(yīng)用中，人們?cè)絹?lái)越深刻的認(rèn)識(shí)到能源消耗對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，作為占全球能源消耗40%的建筑，其環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。在建筑材料和設(shè)施的設(shè)計(jì)方面，已經(jīng)有許多節(jié)能技術(shù)可以選擇。光伏建筑一體化是光伏技術(shù)、建筑學(xué)和社會(huì)效應(yīng)的統(tǒng)一體，已經(jīng)成為了光伏應(yīng)用的選擇。光伏建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合過(guò)程，把光伏建筑技術(shù)的能源意識(shí)和環(huán)保意識(shí)加到建筑學(xué)上，是一種最有希望的未來(lái)光伏技術(shù)市場(chǎng)，它像一座橋梁，把光伏技術(shù)應(yīng)用從小規(guī)模新型產(chǎn)品過(guò)渡到大型發(fā)電中心技術(shù)。隨著光伏發(fā)電成本的降低，光伏技術(shù)和建筑學(xué)會(huì)很好地結(jié)合在一起，光伏建筑技術(shù)和整體光伏技術(shù)市場(chǎng)將會(huì)越來(lái)越大。光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合，將原來(lái)互不相關(guān)的領(lǐng)域結(jié)合到一起，涉及面很廣，并非是光伏設(shè)計(jì)及制造者所能獨(dú)立完成的，必須與建筑材料、建筑設(shè)計(jì)、建筑施工等有關(guān)部門(mén)密切合作，共同努力，才能取得成功。光伏建筑一體化體現(xiàn)了創(chuàng)新性的建筑設(shè)計(jì)理念、高科技以及人文環(huán)境協(xié)調(diào)的美學(xué)觀念。就目前而言，盡管光伏器件與建筑相結(jié)合可能降低一些應(yīng)用成本，但與常規(guī)能源相比，費(fèi)用仍然較高，