太陽能光伏建筑一體化BIPV的研究進(jìn)展

太陽能光伏建筑一體化BIPV的研究進(jìn)展內(nèi)容摘要：建筑界提出“21世紀(jì)建筑”的一個(gè)概念即由建筑物自己產(chǎn)生能源，太陽能光伏建筑物一體化（BIPV）便成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)市場的熱點(diǎn)。

太陽能作為一種潔凈的可再生能源，有著礦物能源不可比擬的優(yōu)越性。中國的太陽能資源十分豐富，為各種太陽能利用系統(tǒng)提供了巨大的市常由此，建筑界提出“21世紀(jì)建筑”的一個(gè)概念即由建筑物自己產(chǎn)生能源，太陽能光伏建筑物一體化（BIPV）便成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)市場的熱點(diǎn)。

隨著2005年2月16號限制各國排放工業(yè)廢氣以控制全球氣候變暖的《京都議定書》的正式生效，如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展成為全球最強(qiáng)的呼聲。中國作為發(fā)展中國家，能源消耗逐年以驚人的速度增長，而建筑作為能耗大戶(發(fā)達(dá)國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的1／3以上)，其節(jié)能效益則變得尤其重要。

1太陽電池原理

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，稱為太陽電池的開路電壓。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)，稱為短路電流[2]。

最基本的太陽電池是由P—N結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。圖1為典型光電池的剖面圖。

圖1典型光電池的剖面圖[1]

（光線的光子產(chǎn)生自由電子，頂部金屬網(wǎng)格和底部金屬板通過外電路收集和返還自由電子）

2光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]

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)不可能或沒必要與電網(wǎng)連接時(shí)，獨(dú)立式光電系統(tǒng)（stand—alonesystems）較適用（圖2）。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。

圖2獨(dú)立式光電系統(tǒng)[1]

（一個(gè)獨(dú)立式系統(tǒng)需要電池儲(chǔ)存電力以供夜間使用，還需要一個(gè)將直流電變成交流電的反用換流器）

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3所示。當(dāng)太陽能電池板供電不足時(shí)，由電網(wǎng)向用戶供電，相反的，若太陽能電池板供電大于用戶需求，剩余的電可通過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)的問題。這種系統(tǒng)特別適合于已有電網(wǎng)供電的用戶，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題。

圖3一個(gè)典型的電網(wǎng)連接充電系統(tǒng)[1]

（白天，多余的電流將流入電網(wǎng)，計(jì)量表會(huì)倒轉(zhuǎn)）

3BIPV建筑一體化

太陽能光伏—建筑一體化BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaics,)是應(yīng)用太陽能發(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)。

3.1BIPV的優(yōu)越性

1）可原地發(fā)電、原地使用，減少電流運(yùn)輸過程的費(fèi)用和能耗

2）避免了放置光電陣板的額外占用寶貴的建筑空間與建筑結(jié)構(gòu)合一，省去了單獨(dú)為光電設(shè)備提供的支撐結(jié)構(gòu)

3)使用新型建筑維護(hù)材料，節(jié)約了昂貴的外裝飾材料（玻璃幕墻等），減少建筑物的整體造價(jià)，且使建筑外觀更有魅力

4)因日照處在高壓電網(wǎng)用電高峰期，BIPV系統(tǒng)除保證自身建筑內(nèi)用電外，還可以向電網(wǎng)供電，舒緩了高峰電力需求，解決電網(wǎng)峰谷供需矛盾，具有極大的社會(huì)效益；

5)杜絕了由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染，這對于環(huán)保要求更高的今天和未來極為重要；

6)由于光伏陳列安裝在屋面和墻面上，并直接吸收太陽能，避免了墻面溫度和屋頂溫度過高，降低了空調(diào)負(fù)荷，并改善了室內(nèi)環(huán)境。

3.2BIPV的形式與特點(diǎn)[5]

在80年代，光伏地面系統(tǒng)除大量用于偏僻無電地區(qū)、游牧家庭、航海燈塔、孤島居民供電以及某些特殊領(lǐng)域外，已開始進(jìn)入一般單獨(dú)用戶、聯(lián)網(wǎng)用戶和商業(yè)建筑。進(jìn)入90年代后，隨著常規(guī)能源的日益枯竭而引起的發(fā)電成本上升和人們環(huán)境意識的日益增強(qiáng)，一些國家紛紛開始實(shí)施、推廣BIPV系統(tǒng)。

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)相結(jié)合；另外一種是建筑與光伏器件相結(jié)合。

1)建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合

把封裝好的的光伏組件（平板或曲面板）安裝在居民住宅或建筑物的屋頂上，再與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載等裝置相聯(lián)。光伏系統(tǒng)還可以通過一定的裝置與公共電網(wǎng)聯(lián)接。這點(diǎn)內(nèi)容在上一節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)已介紹過。

2)建筑與光伏器件相結(jié)合

建筑與光伏的進(jìn)一步結(jié)合是將光伏器件與建筑材料集成化。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，目的是為了保護(hù)和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶，這樣既可用做建材也可用以發(fā)電，可謂物盡其美。

目前光伏與建筑結(jié)合總結(jié)起來大約有8種安裝方式，如表1所示。下面將分別從光電設(shè)備作屋面板、光電設(shè)備作建筑立面、玻璃窗與光電設(shè)備、光電設(shè)備與遮陽設(shè)備四方面分別介紹[1]。

表1光伏與建筑結(jié)合的8種形式[10]

1）光電設(shè)備作屋面板[1]

用光電設(shè)備作屋面板時(shí)的理想屋頂應(yīng)為斜屋頂。因?yàn)榭梢垣@得理想的傾角，相對于平屋頂而言，少了附加支撐帶來的不協(xié)調(diào)。鋸齒形的高側(cè)窗也要比平屋頂好得多，因?yàn)槟舷蚱卤唤ㄖ怆娨惑w式設(shè)備占據(jù)了，北向玻璃窗就可用于晝光照明。

如果光電板與屋頂成為一體，則其夏天需要通風(fēng)以降溫，冬天則可以收集這些余熱以采暖。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖4光電板與屋頂?shù)慕Y(jié)合[1]

（光電設(shè)備下面通風(fēng)，夏天可避免光電元件過熱，冬天可用于加熱建筑）

美國著名的UNl—SOLAR的太陽能屋頂產(chǎn)品則另外一番特色，他是直接將非晶薄膜太陽能電池生成在薄鋼片上，鋼片可以任意裁剪。所以，一片太陽能電池板長度可以做到屋頂?shù)膶挾?。另外，沒有玻璃，不易破損；弱光性好；輕便易裝。

2）光電設(shè)備作建筑立面

由于大尺度新型彩色光伏模塊的誕生，將其安裝在立面不僅節(jié)約了昂貴的外裝飾材料（玻璃幕墻等），減少建筑物的整體造價(jià)，且使建筑外觀更有魅力；如果建筑有凸窗欞，必須保證窗欞較薄，使光電板不至于產(chǎn)生太多陰影。在保持玻璃幕墻的外觀整潔方面，德國RWE的非晶太陽能玻璃幕墻做得非常優(yōu)秀，為了防止電池片之間的連線有礙觀瞻，他們的專利技術(shù)專門解決了電池片之間的“無線”連接[4]。

如果光電設(shè)備安裝在屋頂，則最好在設(shè)備下部留下一定量的空氣層以供設(shè)備降溫，同時(shí)冬天可以收集熱空氣采暖。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4光電設(shè)備安裝在屋頂[1]

雙層墻可使空氣在夏季流溢出來以給光電設(shè)備及建筑降溫。冬天可用熱空氣加熱建筑北部

3）玻璃窗與光電設(shè)備

這里介紹兩種典型的玻璃窗系統(tǒng)。一種是半透明的更像淺色玻璃窗；另一種是由透明玻璃窗上安裝不透明光電元件，這些元件的排列間距決定了玻璃窗的透光率，就像我們在玻璃窗上涂上井字網(wǎng)一樣。

太陽電池可以和不同的玻璃結(jié)合制成各種特殊的玻璃幕墻和天窗，如：隔熱玻璃組件、防紫外線玻璃組件、防盜或防彈玻璃組件、防火組件等等。

目前有一種僅用紅外輻射發(fā)電的光電玻璃窗正在研制中。這樣，既可以發(fā)電又可降低晝光溫度，相信正是多數(shù)向南的辦公大樓所需要的。

4）光電設(shè)備與遮陽設(shè)備

光電系統(tǒng)即可整體組合于入口雨篷中，也可組合與一些獨(dú)立式遮陽結(jié)構(gòu)中。就目前而言，雖然巴光電板用于露天停車場遮陽上的費(fèi)用較高，但遮陽結(jié)構(gòu)與光電發(fā)電器相結(jié)合終究物有所值。隨著電力汽車的數(shù)量增加，這些結(jié)構(gòu)最終會(huì)成為理想的充電站。

3.3BIPV對太陽電池的特殊要求[10]

1）顏色方面

當(dāng)太陽電池作為南立面的幕墻或天窗時(shí)，考慮到電池板的反光而造成光污染的現(xiàn)象，就會(huì)對太陽電池的顏色和反光性提出要求，即可采用具有不均勻反光的多晶硅太陽電池組件做幕墻或是安裝在人們視角之內(nèi)的大坡度屋頂。對于晶體硅電池則可以用腐蝕絨面的辦法將其表面變成黑色或在蒸鍍減反射膜的時(shí)候加入一些微量原色來改變太陽電池表面的顏色。

2）透光要求

當(dāng)太陽電池用作天窗、遮陽板和幕墻時(shí)，對于它的透光性有一定要求。一般選用非晶硅太陽電池，因?yàn)樗芍谱鞒刹枭Ａб话愕男Ч?，透光好而且投影十分均勻柔和。而對于本身不透光的晶體硅太陽電池，需要透光時(shí)只能將組件用雙層玻璃封裝，通過調(diào)整電池片之間的空隙來調(diào)整透光量。

3）尺寸和形狀的要求

因?yàn)榭紤]到與建筑的結(jié)合，一般正規(guī)的方形很難滿足特殊造型的需求。這方面還有待制作工藝的進(jìn)一步提高。

4BIPV在國外

太陽光發(fā)電是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，世界各地的政府都支持太陽光發(fā)電事業(yè)。歐盟可再生能源白皮書和“起飛運(yùn)動(dòng)”是歐洲太陽光發(fā)電的里程碑；德國政府的“十萬個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”和德國新的“可再生能源法”保證私人的太陽光發(fā)電系統(tǒng)用不完的電，可以上電力網(wǎng)賣給國家電力公司；美國政府的“克林頓總統(tǒng)百萬太陽光發(fā)電屋頂計(jì)劃”即在2001年前將要為100萬個(gè)美國家庭的每一戶安裝3~5KW太陽光發(fā)電屋頂；日本政府在“陽光規(guī)劃”執(zhí)行后，2000年又推出《新陽光規(guī)劃》，對光伏屋頂系統(tǒng)實(shí)行強(qiáng)有力的補(bǔ)貼政策，使居民光伏屋頂系統(tǒng)最近5年平均年增產(chǎn)率為96.7%，成為目前世界光伏發(fā)電的最大市場[8]。

有人作過樂觀估計(jì)，在今后太陽能發(fā)電隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)將更加迅猛的發(fā)展，到010年發(fā)電量將達(dá)到4.6GWp，累計(jì)容量將達(dá)到20GWp。到21世紀(jì)中也，陽光發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的15%~20%，超過核能，成為人類的基本能源之一。

5BIPV在中國

雖然目前還沒有并網(wǎng)發(fā)電的法律依據(jù)，以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有鼓勵(lì)補(bǔ)貼措施，然而，許多公司正在積極建設(shè)城市并網(wǎng)發(fā)電示范工程。悉尼奧運(yùn)會(huì)是迄今為止最“綠”的一屆奧運(yùn)會(huì)。中國的奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)，將肯定更“綠”。就在去年12月份召開的2004上海市