太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势

太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势肖潇，李德英北京建筑工程学院，北京 100048 2 国内外光伏建筑应用现状2. 1 国外应用现状国外对太阳能光伏建筑一体化系统的研究已有较长时间。 国外的光伏建筑发展是从示范到推广， 从屋顶光伏到与建筑集成， 并进而将光伏组件作为一种新型的建筑材料发展。 一些发达国家， 特别是美国、 德国和日本在光伏建筑一体化方面， 已经有了相当成熟的设计经验和技术。2. 2 国内应用现状中国的太阳能光伏建筑起步较晚， 比西方一些发达国家落后很多。 但是政府一直都在鼓励应用诸如太阳能等的可再生能源。 2005 年 2 月 28 日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的中华人民共和国可再生能源法自 2006 年 1 月 1 日起正式施行，可见我国对可再生能源利用的越来越重视。 在这种大环境下中国的太阳能光伏技术有了初步的发展。“九五”期间我国在深圳、北京分别成功建成 17kW, 7kW 的光伏发电屋顶并实现并网发电。在世界银行捐赠及双边或多边技术合作的支持下，预计我国光伏市场年销售量将以20的速度发展，到 2010 年超过 10MW 。上海、江苏和广东等地率先较大规模地建设“光伏屋顶” ，实施“屋顶计划”示范。上海的 10 万屋顶计划，旨在使 1 万个屋顶安装上太阳能发电装置， 每个屋顶利用 30m 2， 全市共计 300 万 m2， 占上海全市屋顶面积的 1.5。 上海地区的单位面积日照辐射能为 1000W/m 2，太阳能电池光电转换效率如以 13一 18计算，可转换电功率 130 一 180W/m 2，每一屋顶发电容量可达到 3. 9 一 5. 4kW 。为加快推进我国太阳能光电建筑应用，财政部会同住房和城乡建设部于 2009 年 3 月发布了 关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见 及 太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法这一“光电新政” 旨在通过财政补助支持开展光电建筑应用示范项目，解决太阳能光电建筑一体化设计及施工能力不足、 相关应用技术标准缺乏、 与建筑实现构件化的太阳能光电组件生产能力薄弱等问题，从而启动太阳能光电在城乡建筑领域的应用市场，带动太阳能光电产业发展。2. 2. 1 国家体育馆示范建筑工程实践作为奥运会主场馆之一的国家体育馆 见图 5，其扇型屋面和大面积的玻璃幕墙在让人赏心悦目的同时， 还隐藏着一座年发电量 97000kWh 的光伏发电站。 这座与国家体育馆集成设计、 同步建设的并网光伏电站， 就是刚在我国开始起步的建筑光伏集成发电技术真正应用于建筑集成设计施工的标志和范例。国家体育馆幕墙设计独具匠心， 采用钢结构、 铝型材、玻璃和拉索结合使用，层次分明变化有序，整个幕墙在简洁明快的格调中透露出热情奔放的气息。直面玻璃采用钢化中空Low - E玻璃，最大限度地提高了节能、环保性能。双玻太阳电池方阵由 24 块双玻太阳电池组成， 安装在南坡面玻璃幕墙和屋面， 与建筑结合、 建筑一体化设计赋予了国家体育馆的屋顶和南坡面玻璃幕墙“环保、节能”的科技概念，使其成为“会发电的屋顶”或“会发电的玻璃幕墙” 。国家体育馆金属屋盖体系集吸音、隔音、保温、降噪、防水等多功能为一体，此金属屋盖体系乃是国内屋盖体系中的首例。 铝合金垂片和硅酸钙挂板是体育馆公共部分的主要装修做法， 尤其是硅酸钙挂板在公共建筑中作为装饰面层出现尚属首次， 属于设计的大胆创新。 100kW 并网光伏发电站输出的电能用于国家体育馆地下车库照明负载供电，它展示了我国光伏发电技术水平、也体现了我国政府对再生能源的重视。2. 2. 2 北京最大的太阳能项目一首都博物馆首博新馆作为北京的标志性建筑物， 是市政府奥运工程配套项目中的重点工程。 为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，配合北京 2008 年奥运会，突出“绿色北京、绿色奥运”理念，努力创造绿色、环保、节能城市整体形象，在市领导和有关部门的支持下， 根据大平顶、 大挑檐结构的建筑屋顶设计， 在首博新馆屋顶的平面部分安装了 5000m 2的太阳能光伏发电装置 见图 6，峰值发电量达到了 300kW。使中国太阳能光伏发电工程中单体建筑发电量达到了国际先进水平。 首博新馆也成为集节能、 环保与高科技为一体的、 充满现代气息的博物馆，具体形象地表现了太阳能资源的利用， 以求 “可持续发展” 的教育示范作用。2. 2. 3 上海世博会主题馆光伏建筑一体化应用上海世博会光伏建筑一体化应用总容量约 4. 6MW ， 分别集中在中国馆、 世博中心、主题馆及南市电厂建筑上。 考虑到主题馆的形态及构造， 再结合太阳能应用的设计原则， 太阳能光伏发电系统主要应用于主题馆屋顶上。屋面作为主题馆的第五立面，面积达 6. 4 万m2。 屋面形态采用菱形与三角形结合的立体构图。在屋顶采用与屋顶一体化组件，替代部分屋顶材料构成有规律性的图案，使主题馆的屋顶具有特殊的艺术效果及鲜明的科技特色。与屋面一体化太阳电池组件，在屋顶平铺，菱形部分满铺，中间采用透光式组件 见图 7。系统总装机容量约 2. 8MW,系统建成后将成为国内单体建筑上最大的光伏建筑一体化系统，系统采用升压后并网发电。2.2.4 上海虹桥铁路客运站光伏发电项目京沪高铁上海虹桥铁路客运站光伏发电项目 见图 8总安装面积 6. 1 万 m2， 总装机容量达到 6. 572MW，在 25 年的设计寿命内，年平均上网电量 638 万 kWh，总发电量将达到 1. 6 亿 kW h 。项目将在上海世博会召开之前投入运行。作为我国建筑光伏一体化项目的代表作，虹桥光伏发电项目不占地， 不消耗燃料， 没有任何噪声和排放，是最清洁的发电方式。它每年可节约标煤 2274t，减排二氧化碳 5837t，二氧化硫 45 t，氮氧化合物 20t，烟尘364t。上海是我国最大的经济和金融中心， 虹桥交通枢纽是上海对外形象的一个重要的现代化门户， 在虹桥交通枢纽建设大型太阳能光伏发电项目， 向世界展示了中国在可再生能源领域的先进技术和积极开发、利用新能源，保护环境，减少温室气体排放的信心和决心。同时， 虹桥光伏发电项目也是铁道部为建设绿色枢纽场站， 进一步提升铁路客运站的社会形象，充分体现节能环保先进理念而立项建设的第一个铁路场站光伏发电项目， 它将在我国新时期的铁路建设中具有很好的示范引领作用。虹桥光伏发电项目符合我国新能源尤其是太阳能发展规划和产业振兴政策， 它对于提升上海市的城市形象， 推进上海市太阳能利用和光伏发电产业发展具有重大意义， 将产生良好的社会效益和经济效益。太 阳 能 光 电 技 术 的 发 展 状 况 研 究安 远 西安 市 城市 照明 管理 处 陕西 西 安 7 1 0 0 1 在产品技术发展上， 目前全球各种太阳电池发展情形， 应用最普遍的为单晶硅、 多晶硅、非晶硅等三种太阳能电池， 2 0 0 4 年其市场占有率分别为单晶硅 28． 6 ， 多晶硅 56． 0 、非晶硅 3.4， 其中由于多晶硅太阳电池芯片制作成本较低的优势， 所以成长速度最快。 依 2 0 0 4 年统计结果， 结晶硅太阳电池的占有率高达 84。 I I I - V 族由于成本高， 大多使用于集光型系统 包含聚光镜、散热板、追日装置等 上，占有率仅约 0.1。而薄膜太阳电池虽有低成本潜力，但开发至今仍无法有效克服效率与稳定性的问题。 前几年仍有人认为薄膜太阳电池会大量生产打人市场， 但至今仍未见商品的市场量， 主因为非晶硅效率太低、 CdS/CdTe 稳定性比预期差。环保问题及 CIGSCopper Indium Gallium Disenillide制程量产不易控制等，因此太阳电池市场未来十年将仍以结晶硅太阳电池为主， 而薄膜太阳电池则待技术开发更趋成熟，于未来具更低成本之潜力。 2010 年结晶硅太阳电池仍有 80--90 市场占有率，至2020 年结晶硅太阳电池仍有 50以上的占有率。结晶硅太阳电池所以能有如此大的比重，主要是因为其所具备的几个特点 光电转换效率高 单晶硅太阳电池在实验室阶段能有 24的光电转换效率， 量产上亦可以达到约 15 18的芯片光电转换效率。而多晶硅在实验室的效率可达 19.8，在量产上可达 13 16。基本技术成熟不论长晶、晶圆制作技术、或者是 Pn 接合形成等，由于大部份技术和半导体技术共通，皆有长久的发展历史。高信赖性 发电特性安定，从利用于人造卫星，灯塔等的经验，已知具有三十年以上的使用寿命。目前结晶硅太阳电池的基本制程主要分为 1 表面结构化制程； 2 p - n 接面形成； 3 抗反射层沉积； 4 电极形成等四个阶段，而国内外制程技术之发展，皆是对于如何提高效率所做之改进， 当然在实用上必须要考虑到成本之降低。 关于如何何提高芯片太阳电池的效率，技术发展上又约可分为下面几个方向 1入射光的有效利用改善抗反射层特性增加光吸收效率或改善表面结构化制程增加光吸收效率等。 （ 2）载子收集效率之改善BSFBack Surface Field结构、浅接合制程（ Shallow Junction ） 。 3 载子再结合损失之减小表面保护（ Surface Passivation）制程、体保护 （ Bulk Passivation）制程之改善。 4 串联电阻之减小选择性扩散技术、透明导电膜之使用等。而在现有发展技术中， 有些是现有制程之改良， 有些则采用新结构来改善效率。 就现有制程加以改良者，有 B S F 结构、浅接合太阳电池制程 / 选择性扩散技术 Selective Emitter 、背面点接触技术（ Back Point Contact） 、多晶硅之酸式结构化制程及干式蚀刻结构化制程等。（ 1） HITHeterojunctio with Intrinic ThinLayer 、结构，其为层积单结晶与非晶硅薄膜太阳电池结构之新型太阳电池，目前已有日本三洋电机开始此种太阳电池之量产。 2 L a sergrooved Buried Contact 结构，其使用雷射在芯片正面做出沟槽，并在其中电镀金属 N i， C u 等 以减小电极所造成的遮蔽效果，并同时减小串联及接触电阻， 其根据沟槽位于正面或背面，又可分为 SSBCSingle-Sided Buried ContactSolar Cell 等，其效率可达 19.2。 3 PERLPassivated Emitter and Rear Locally Diffused 结构，为澳洲新南韦尔斯大学 UNSW 所提出来之新结构其效率可达 24.7 ， 4 OECO结构 Obliquely Evaporated Contact 为德国 ISFH研究所 Institute for Solarenergieforschung Hameln/Emmerthar 所开发之结构， 其效率在 4 吋芯片可达 20。以上所介绍之各种太阳电池的技术， 有的已经开始为量产所运用， 有的仍然在实验室阶段。至于太阳光电模板技术发展上， 目前主要发展趋势为 1 屋顶型、 帷幕墙、 遮阳棚 ,等建筑整合型太阳电池模板 Building Integrated Photovoltaic ， BIPV建筑整合型太阳电池模板是未来发展之趋势 ,与建筑师结合设计具有特色之建筑物 ,在建筑物设计阶段即导入，搭配建筑物之颜色 、造型、结构强度要求，进行 B I P V之设计，如此建筑物可达到美观、 安全 、结构强度等要求。 2 连续式封装及自动化焊接技术导人太阳电池模板价格逐年降低，生产成本中， 虽然太阳电 池成本占 7 0 ％ 以 上 ， 其它成本包括封装与材料成本， 亦要相对降低才具竞争力。 在国内高工资环境下， 唯有导人连续式封装及自动焊接技术， 才可达到降低成本之目标。 3 薄型太阳电池模板封装结晶硅薄型太阳电池是未来 5-10 年太阳电池模板降低生产成本方法之一， 相对薄型太阳电池封装亦是会衍生许多问题， 如封装设备设计，封装制程之研发、 防 止芯片破裂 , 等。薄型太阳电池模板户外场地试验。亦是未来必须经过实地验证，才可放心上市。另外太阳光电系统的设置， 目前国内外技术发展趋势， 也由小型住宅系统逐渐发展较大型的发电系统，以及结合 B I P V太阳光电模板的发展，未来将愈来愈多建筑整合型（ BIPV）太阳光电系统于全球设置。太阳能的光伏发电技术是利用光电转换的原理让太阳辐射光能通过半导体的媒介转化成电能， 从而使能源的运用更加灵活。 从长远看， 太阳能的光伏发电技术为城市居住建筑提供了更加广阔的前景，但是在初期的投资高、转化的效率低 ;就目前来看，太阳能的光伏发电技术和建筑物相结合来研究得最多的是建筑的光伏一体系统简称 BIPV 系统， 它将太阳能的发电机组完美地集结在建筑物的屋顶或者墙面上， 其工作的原理和普通的光伏发电系统完全一致， 唯一的区别在于太阳能的组件既可以被当作系统的发电机， 又可以当作建筑物的外墙材料。 用于建筑光伏一体化系统的光伏组件既能够是透明的也能够是半透明的， 这样， 光线仍然可以通过光伏组件进入到室内， 不影响对室内的采光。 采用建筑光伏一体化系统， 可以就地发电就地使用， 而且具备很多优势 利用太阳当作能源发电可以达到节能和环保的双重要求； 节约电网的投资与减少输送过程所产生的损失 ; 缓解对电力的需求量 ;可以当作建筑物的外围，具备隔音和隔热的作用 ; 改善室内的热环境 .BIPV 系统成本比较高，短期内，在建筑中难以得到应用， 它高额的成本主要是来源于光电转换系统的价格比较高， 并不是在设计上有太多的难度。 从目前情况来看， 我国对于这种太阳能利用方式的研究还维持在小规模上，仅仅只能以跟踪国际的研究为主要手段 . 太阳能技术对于建筑节能的应用前景非常开阔。 虽然目前太阳能更多的是在制热与热水设备上的应用， 光电转换还存在着成本高， 转换效率低的问题， 但是， 由于太阳能自身存在着非常大的优势， 以及全球提倡节能环保的理念，相信， 在未来， 建筑业将会更好地利用太阳能， 在建筑工程的每个环节都会看到太阳能技术的影子， 让太阳能和建筑成为一个有机的整体， 朝着一体化建筑方向发展， 实现节能的效果。B I P V的原理及优势B I P V系统的发电原理是利用光伏电池的半导体 P N结特性， 电池片可以吸收阳光将其转成直流电能并输出， 将电池封装后成为光伏组件， 再将电池组件应用到建筑上， 使光伏组件成为光伏建筑的一部分， 让光伏组件再结合其它相配套的配电柜、 逆变器、 变压器等电器设备，便可以输出人们需求的的交流电。在整个光伏发电系统中， B I P V作为浅谈绿色建筑中光伏建筑一体化系统 B I PV设计及应用麦燕妹 /广州城建开发设计院有限公司1 光伏建筑一体化系统建筑设计要求1.1 一般规定光伏建筑一体化系统中光伏组件与建筑的集成结合方式， 有光电屋顶、 光电幕墙、 光电采光顶和光电遮阳板等。 系统设计需结合建筑、 结构等相关专业要求， 共同确定系统各组成部分在建筑中的安装位置。安装在建筑物上的光伏组件，满足建筑的使用功能及节能要求、结构安全及使用要求、 以及电气安全等要求， 并配置带电警告标识及电气安全防护设施， 以免出现小必要的触电事故。此外，光伏建筑一体化系统规划设计需进行太阳能辐射、建筑物、电网等方面的评估。在建筑物上安装该系统小能降低建筑物本身或者是周围相邻建筑物的日照标准 ;避免周围环境景观、绿化种植及建筑自身的构件投影遮挡投射到光伏组件上的阳光 ;避免光伏组件对建筑本身或者是周围建筑物群体的二次辐射造成光污染。1.2 建筑专业设计要求安装光伏组件的建筑部位在冬至日全天日照应小低于 3h;并在安装光伏组件的部位采取安全防护措施 ;满足其所在部位的建筑防水、排水、雨水、隔热及节能等功能要求。除了以上技术要素之外，光伏建筑一体化系统设计另一至关重要是满足建筑的美学要求，介绍如下两点 （ 1）建筑物的光影效果，普通光伏组件一般为阻挡视线的布纹超白钢化玻璃， 现代建筑屋顶或外墙幕墙如安装光伏组件， 对采光会有一定的需求， 此时可以采用光面超白钢化玻璃，外加电池板背面的采用普通光面钢化玻璃制作双面玻璃组件 节约成本 ，即可满足建筑物的功能。 （ 2） 光伏组件背面的接线盒及其连接线一般情况下采用明装， 容易破坏建筑物的整体协调感， 光伏建筑一体化系统中一般将接线盒省去或隐藏起来， 此时需考虑旁路二极管保护， 可将旁路二极管和所有连接线隐藏在幕墙结构中， 同时需做好防雨水侵蚀和防晒措施。1.3 结构专业设计要求根据光伏建筑一体化系统的类型， 对光伏组件的安装结构、 支撑光伏系统的主体结构或结构构件及相关连接件进行相应结构设计。 结构设计应与工艺和建筑专业相配合， 合理确定光伏组成部分在建筑中的位置。光伏建筑结构荷载取值应符合建筑结构荷载规范GB50009-2010的规定。2 光伏建筑一体化系统的设计原则及步骤光伏建筑一体化系统的设计在收集当地气候参数的基础上， 根据建筑物的使用功能、 电网条件、负荷性质和系统运行方式等因素，确定系统为安装型、建材型或构件型。 光伏组件的倾角、 数量、 安装位置及阴影的设计要和建筑物设计同时进行， 因其对光伏建筑一体化的外观影响校大，应尽量做到相互平衡、协调、一体化的设计。简单设计步骤如下 1设计之前收集当地的太阳能辐射以及温度变化等气象数据，当地气象部门太阳能辐射量一般只有水平面的数据，需要根据理论计算换算出光伏板表面的实际辐射量。2建筑设计和电力负荷的确定，决定光伏组件的类型、规格、数量、安装位置、安装方式和可安装面积的场地， 同时光伏组件规格及安装面积、 安装位置也决定了光伏系统的最大安装容量。3系统的直流汇线箱、逆变器、测量和数据采集系统的设计。3 光伏建筑一体化系统 BIPV实例分析以下通过介绍某绿色建筑项目中应用光伏建筑一体化系统的一个案例，从系统原理、主要设备技术要求、 设备安装位置等方面进一步阐述光伏建筑一体化系统在建筑电气设计中的思路及技术要求。3.1 项目概况该项目为某住宅项目中的配套会所设施，会所总建筑面积 5543.23m 2，高 16.7m，地下室二层，地上三层，主要功能为 SPA房、游泳池、办公区、模型展示区、娱乐室等。在设计阶段中，业主要求该会所需达到国家绿色建筑三星、美国 leed 认证的设计目标。会所负一层设一台 500kVA 专变变压器，按照绿色建筑优选项要求，发电量小低于建筑用电量的2，太阳能光伏发电量为 1 0 kW 设计 基于成本考虑，业主决定按 5kW 设计 ，下面光伏建筑一体化系统设计参数均以 5kW 为设计值。3.3 光伏建筑一体化系统概述该项目所在地为广东省江门市，地理位置位于东经 113.08 ，北纬 22.58 ，年平均气温 22.3 C， 极端气温最高 36.6 C， 最低 1.4 C,当地水平面年太阳辐射量约为 1427.15kWh/m 2。本方案设计选用单晶硅 BIPV 太阳能电池双玻组件，规格为 1 6 7 0 mm X 1 1 0 0mmX 5 0 mm,单晶硅组件每块功率为 235Wp 96 片 ，组件使用寿命小低于 20 年。组件防护等级小低于IP65，设计安装总数量为 24 块，光伏组件电池板面积为 44.1m2,装机总功率为 5640Wp。本系统光伏组件采用可透光型 BIPV 双玻组件，根据当地气象资料安装角度朝向为南偏西 45以建筑屋顶结构的方式安装在室外泳池旁休闲凉亭的结构支架上， 平铺安装的双玻组件保证了建筑的美观和休闲凉亭的采光效果，同时便于后期的运营维护。会所光伏建筑一体化系统由光伏组件、直流汇线箱、逆变器、交流配电箱、监控系统、电缆和相关电气材料等相关附件组成。 该系统发电的电力并入会所值班室公共照明箱， 在用户侧并网并实现即时发电即时消化， 发电提供的电能小足时由市电自行补充。 会所光伏建筑一体化系统室内外设备安装如图 2 和图 3 所示。3.4 光伏建筑一体化系统中并网逆变器技术要求光伏建筑一体化系统中并网逆变器为其重要设备。 本项目光伏系统采用低压并网的方式运行，光伏阵列产生的直流电流经并网逆变器逆变变成交流电 系统选用小型组串型并网逆变器，安装于值班室内 ，交流电并入值班室内的公共照明配电箱接入点。并网逆变器需满足以下主要技术要求 1内置电网保护装置，逆变器需具有同期控制功能 实时采集外部电网的电压、相位信号，通过闭环控制，使得系统输出电压和相位与外部电网同步 ; 2防孤岛效应功能 外部电网失电后，立即停比供电 ;电网恢复供电时，并网逆变器并小会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号在一段时问内完全正常 系统延时时问 2 一 90s 内可调 ，才重新投入运行 ; 3最大功率跟踪技术 MPPT，保证转换效率始终工作在最佳状态， 当日照强度和环境温度变化时， 光伏电池输出电压和电流呈非线性关系变化时， 其输出功率也随之改变， 逆变器可以调节光伏组件的发电电流与电压，通过这种调节，使整个光伏系统始终保持在最大功率输出等。35 光伏建筑一体化系统防需设计系统防雷主要分为防直击雷和防感应雷，防直击雷设计 光伏组件的金属支架及其它金属构件均与避雷带或防雷引卜线可靠连接 ;防感应雷设计 在直流汇线箱及交流配电柜处安防雷保护装置 直流汇线箱 。3.6 光伏建筑一体化监测系统设计光伏建筑一体化检测系统主要由逆变器来实现， 检测系统设计包括采集日照、 温度、控制器及风力传感器等设备的数据， 通过数据掌握系统的运行情况， 自动检测系统存在的问题或故障并予以提示，方便维护人员集中管理所有逆变器及系统维护工作。本项目在会所大门入口显眼处安装一个 51 寸大屏幕显示器，可将光伏建筑一体化系统发电的相关信息直观展示出来，诸如实时发电量、直流电流、直流电压、交流电压及电流、历史发电量等， 将发电量转化为节能减排的数据， 让业主真切感受到光伏建筑一体化系统发电的节能减排效果。4 光伏发电系统 B IP V的优缺点及应用前景近年来，随着中国绿色建筑的小断发展，光伏建筑一体化系统建筑物小断的涌现，但更多只是在地标性工程或示范工程的应用比较广泛， 如上海世博会主题馆、 高铁上海虹桥站主站楼、深国际园林花卉博览会等等。与其它能源技术相比， 太阳能光伏发电是一种洁净、 可再生的发电形式， 光伏发电的应用将为子孙后代提供可持续发展的空问 ;此外，太阳能光伏发电系统的组件可在任何地方快速安装，且无污染，完全净 蓄电池除外 。当然，太阳能光伏发电系统也存在一定局限性，如受地理分布、季节变化及昼夜交替的天气、建筑成本及造价等因素影响 ;但光伏发电并未市场化原因， 笔者认为其主要制约因素还是建筑成本较高而使开发商放弃使用。 但随着国内光伏产业规模逐步扩大、技术逐步提升，光伏发电系统成本也在逐步卜降 ;同时中国政府也就并网、电量收购、补贴、土地政策逐一细化，为分布式光伏项目、电站投资开发提供了多重保障， 新能源产业也已上升为国家战略产业， 未来五到卜年中国光伏发电有望规模化发展。