光伏技术的应用论文

1序言太阳能光伏技术是利用半导体材料的光电效应将太阳能直接转化为电能的一种技术形式， 是太阳能利用的一种重要形式。 光伏发电技术近年来发展很快， 成本持续下降。据 EPIA、 Greenpeace和德意志银行的预测，到 2015 年左右，光伏发电就可以做到每度电 15 美分，达到“平价上网”，即与常规发电成本相一致。届时，光伏发电的市场将会迅速增长太阳光伏发电优势明显，具体表现为以下几点体积小、重量轻，单位重量比功率为 50-1000W/kg；寿命长 20-50 年（工作 25 年，效率下降 20） ；零排放无燃料消耗，无噪声，无污染；发电不用水（高倍聚光电池也如此） ，可在荒漠地区建设；运行可靠， 无机械转动部件， 使用安全， 免维护， 无人值守； 太阳能资源永不枯竭 （至少 50 亿年） ， 各地区差异不大， 可实现分布式电站； 生产资料丰富， 硅材料储量丰富，为地壳上除氧之外的丰度排列第二， 达到 26之多； 不单独占地 可以安装到建筑上；规模大小皆宜，可为 10W-100GW，可以“搭积木”式建设和安装；安装容易，建设周期短，安装成本低；能量回收期短，只有 0.8-3.0 年，能量增值效应明显，达 8-30倍；规律性强，可预测，调峰效果明显，调度比风力发电容易；降价潜力大。因此， 太阳光伏发电具有最广阔的发展前景， 是各国最着力发展的可再生能源技术之一。欧洲联合研究中心（ JRC）对光伏发电的未来发展作出如下预测 2020年世界太阳能发电的发电量占世界总能源需求的 1， 2050 年占到 20， 2100 年则将超过50。最近国外的研究报告指出， 几年内我国将成为温室气体量排放最多的国家。 世界银行估计， 2020 年我国由于空气污染造成的环境和健康损失将达到 GDP总量的 13。为此，我国政府积极努力，承诺到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005年下降 40-45。根据我国可再生能源中长期发展规划给出的数据，看出我国未来的能源和电力来源将是太阳能。我国太阳电池的研究开发始于 1958 年， 1971 年就成功地将自主研发的太阳电池首次应用于我国发射的东方红二号卫星上，于 1973 年开始将太阳电池用于地面。自1981 年开始，太阳电池及其应用开始列入国家的科技攻关计划，通过“六五”（ 1981-1985 年）到“十一五”（ 2006-2010 年）六个五年计划，在太阳电池器件和应用技术方面取得了可喜的成绩； 2000 年以后国家科技部又启动了国家“ 863”计划和“ 973”计划，分别对光伏发电的产业化技术和基础性研究给予支持。2第一章 户用太阳能电源太阳能户用电源系统主要是指办公楼、 住宅等配合建筑安装的， 为住户自身供电的小型光伏发电系统，一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器构成。白天， 发电系统对蓄电池进行充电； 晚间， 发电系统对蓄电池所储存的电能进行逆变放电，实现对住户负载的供电。太阳能户用电源由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流 220V或 110V，还需要配置逆变器。1.1 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分， 也是太阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳能转化为电能， 或送往蓄电池中存储起来， 或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。一、太阳能电池发电原理太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。 能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N型硅，形成 P－N 结。图 1-1 太阳能电池原理图当光线照射太阳能电池表面时， 一部分光子被硅材料吸收； 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P－N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。二、晶体硅太阳能电池的制作过程“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从 19 世纪科学家们发现了3晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。 20 世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近 15 年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤a、提纯过程b、拉棒过程c、切片过程d、制电池过程e、封装过程。三、太阳能电池的应用上世纪 60 年代， 科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末， 在人类不断自我反省的过程中， 对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉） 、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。 欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。 太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。 太阳能光伏玻璃幕墙组件得应用越来越多， 随着上海和北京的几个项目进入实质性运转， 这种方式将会代替普通玻璃幕墙，它具有反射光强度小、保温性能好等特点“请来小半屋顶的太阳光， 就能把家里的电视机、 电冰箱、 微波炉都带动起来 ”中国首套专为家庭设计的太阳能光伏发电系统，已在上海莘庄某小区成功运行了 100 天，产生了令人惊奇的功效。这套装置的主人上海电力学院赵春江博士是一位太阳能专家。去年 12 月中旬，他在自己位于莘庄某小区一幢小高层顶层的三层复式建筑的屋面上安装了一套总面积 22 平方米的硅晶光伏电池板阵。 100 天来，这套系统为赵家“造”出了 797 度电。一旦进入夏秋季节，这些光电板的工作热情会更高，每天将能发出 10 来度电。女主人颇为自豪地说， “这套设备预计全年可产电 3000 度，足够全家电器的用电所需。 ”赵春江简要介绍了这套家用发电系统的优点。对国家，它可节省发 3000 度电所消耗的标准煤 1140 公斤，减少二氧化碳排放 3.6 吨。对个人，它的直接好处是“用电自主” ，而且还无需任何日常维护。他表示， 如果下述两个重要问题能够及时解决， 那么这套具有许多优点的家用太阳能发电系统就能在上海， 甚至在全国全面推广。 首先， 是必须抓紧制订标准和施工程序，让大家有章可循。更重要的是，有关部门应当拿出一个向居民适价采购“太阳电”的具体方案，以帮助安装家用太阳能发电系统的家庭降低投资成本。41.2 太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。 在温差较大的地方， 合格的控制器还应具备温度补偿的功能。 其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器， 是用于太阳能发电系统中， 控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速 CPU微处理器和高精度 A/D 模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得 PV 站的工作信息，又可详细积累 PV站的历史数据，为评估 PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控。太阳能控制器三大功能1. 功率调节功能。2. 通信功能 1） 简单指示功能 2） 协议通讯功能 如 RS485 以太网 , 无线等形式的后台管理.3. 完善的保护功能电气保护 反接 , 短路 , 过流等。1.3 蓄电池一般为铅酸电池，一般有 12V和 24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。 其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来， 到需要的时候再释放出来。太阳能硒光电池太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件。将太阳光能转换成电能的固体半导体器件，又称太阳能电池或光电池，是太阳电池阵电源系统的重要元件。主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达 0.999999、电阻率在 10 欧厘米以上的 P 型单晶硅。包括 p-n 结、电极和减反射膜等部分。受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。 单体电池尺寸从 22 厘米至 5.9 5.9 厘米， 输出功率为数十至数百毫瓦， 它的理论光电转换效率为 20 ，实际已达到 11.2～ 14.8。单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为 24，实际达到 18。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。级联 p-n 结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的 p-n 结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐5增长，这种电池可以充分利用日光 , 光电转换效率大大提高。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射体、绒面和多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。日本制成了世界上第一架太阳能照相机 , 重量仅有 475 克 , 机内装有先进的太阳能电池系统 , 其蓄电池可连续使用 4 年。美国一家公司生产了一种新型的 135 太阳能照相机 , 它的光圈、速度均由微电脑自动控制 , 电力则由太阳能硒光电池提供 , 只要有光线就能供电使用。1.4 逆变器在很多场合，都需要提供 AC220V、 AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 DC12V、 DC24V、 DC48V。为能向 AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能， 因此需要使用 DC-AC逆变器。 在某些场合，需要使用多种电压的负载时， 也要用到 DC-DC逆变器， 如将 24VDC的电能转换成 5VDC的电能（注意，不是简单的降压） 。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（ DC）转化为交流电（ AC）的装置。如一台逆变器输入了 100 瓦的直流电，输出了 90 瓦的交流电，那么，它的效率就是 90％。图 1-2 正弦波逆变器原理图正弦波逆变器提供高质量的交流电， 能够带动任何种类的负载， 但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中， 因而成为市场中的主流产品。 方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器， 其技术属于 50 年代的水平，将逐渐退出市场。表 1-1 逆变器种类及特点种类特点 方波逆变器 修正波逆变器 正弦波逆变器交 流 电 压 波形方波 阶梯波 正弦波优点 线路简单，价格便宜，维修方便比 方 波 有 明 显 改善、高次谐波含量减少，当阶梯达到17 个以上时输出波输出波形好、失真度很低，对收音机及 通 信 设 备 干 扰小、噪声低，此外6形 可 实 现 准 正 弦波，当采用无变压器输出时，整机效率很高。还 有 保 护 功 能 齐全，整机性能高等优点缺点 高 次 谐 波多， 损耗大，噪声大，对收音机及通信设备干扰大。线路比较复杂，对收音机和某些通信设备仍有一些高频干扰。线路相对复杂、对维修技术要求高、价格较昂贵。一些使用电动机的电器或工具，如电冰箱、洗衣机、电钻等，在启动的瞬间需要很大的电流来推动，一旦启动成功，则仅需较小的电流来维持其正常运转。因此，对逆变器来说， 也就有了持续输出功率和峰值输出功率的概念。 持续输出功率即是额定输出功率； 一般峰值输出功率为额定输出功率的 2 倍。 必须强调， 有些电器， 如空调、电冰箱等其启动电流相当于正常工作电流的 3-7 倍。 因此， 只有能够满足电器启动峰值功率的逆变器才能正常工作。7第二章 光伏电站2.1 电站概况通过太阳能电池方阵将太阳能辐射能转换为电能的发电站称为太阳能光伏电站。 太阳能光伏电站按照运行方式可分为独立太阳能光伏电站和并网太阳能光伏电站。图 2-1 型光伏电站（独立型、并网型）未与公共电网相联接独立供电的太阳能光伏电站称为离网光伏电站。 主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所， 如为边远偏僻农村、 牧区、 海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。独立系统由太阳电池方阵、系统控制器、蓄电池组、直流 / 交流逆变器等组成。与公共电网相联接且共同承担供电任务的太阳能光伏电站称为并网光伏电站。 它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、 成为电力工业组成部分的重要发展方向， 是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 并网系统由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器等组成。目前我国光伏电站核心产品制造发展迅速， 涌现一批企业， 比如中盛光电， 无锡尚德等。2.2 全球最大太阳能发电站法国奥德约太阳能发电站是世界上第一个实现太阳能发电的太阳能电站。 虽然当时发电功率才 64 千瓦， 但它为后来的太阳能电站的研究与设计奠定了基础。1982 年美国建成了一座 1000 万千瓦的塔式太阳热中间试验电站。美国计划到2000 年，太阳能发电站总装机容量将达 4000 万千瓦。 2000 年和 2020 年，生产的电量占总能量的百分比将是 7％和 25％。 由于光热转换器（聚光器） 需要占据较大的空间采光受热， 设备偏大， 以美国在加利福尼亚州计划建一座 1 万千瓦发电设备为例，集光装置达 40 万平方米， 200 万千瓦，则需占地 50 平方千米。据估计，大型太阳能发电站效率仅为 30％左右。另外，太阳能发电站还需要有应付晚上和阴天用电需要的蓄电器， 而所需的聚光器造价也较昂贵， 发电经济性差，8因此，影响了广泛地推广和应用。在甘肃敦煌市西部的一片沙漠中将建起一座我国乃至全球最大的太阳能发电站。这个规模在 10 兆瓦的太阳能电站，是我国政府批准的第三个太阳能电站示范项目，另外的两个是 255 千瓦的内蒙古鄂尔多斯项目、1 兆瓦的上海市崇明岛项目。而这个即将在 2009 年 3 月 20 日公开招标的 10 兆瓦、投资仅在 5 个亿的项目却引来了全国 50 家光伏企业的争夺。 “国企有华能、华电等五大发电集团、也有无锡尚德等民企，甚至也吸引了德国与丹麦外资企业。 ”敦煌项目采取特许经营权的方式， 国家发改委有一系列政策确保该项目的盈利前景。 “这个项目可能为下一步国家制定光伏发电政策时提供依据。谁获得了这个项目，也就意味着在未来获得了政策和经验等方面的先发优势。 ”业界人士说， 这一项目的成行也许将真正激活光伏发电的国内市场， 改变其两头在外的格局。2.3 经济和社会效应它由太阳能电池采集阳光，转化为电能，通过控制和逆变设备， 把直流电转换成目前家庭通用的 220V 交流电。目前采用高性的胶体铅酸蓄电池 作为储能装置， 有可有效地为业主在任意时间连续提供电力。它的配置主要包括 太阳能电池板 光伏组件 , 控制器 , 逆变器 , 供配电柜等设备 , 主要应用于与国家电网离得比较远的别墅 , 比如 , 在一些山区 , 林地或离城市较远的郊区 . 这种别墅由于配高低压电线和安装成本昂贵 包括输电线路 , 电线竿 / 电塔安装 , 比较适合安装太阳能独立系统.优势特点1）使用寿命长 , 无需专人维护 . 其中太阳能电池寿命长达 25 年以上.2）自给自足， 蓄电池作为蓄能装置， 把白天太阳能电池收集的电能储存起来， 方便业主使用，阴雨天气 , 可按用户要求连续供电 3-10 天 ;3）一次投资 , 终身受益 , 太阳能清洁无辐射 , 无污染.4）绿色能源 , 安全环保 . 间接地减少对大气二氧化碳等温室气体的排放。5）安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制6）无须消耗燃料，无机械转动部件, 无须另外架输电线路，可以按照业主的 要求，方便地与任意地面或建筑物相接合.7）建造的周期很短，实际建造时间按规模大小来算。8）不破坏建筑的外观。太阳能电池板一般安装在屋顶或倾斜面，不会破坏原有建筑外观，甚至有时会增加其建筑的美感。9第三章 光伏建筑一体化（ solar building ）3.1 光伏建筑一体化简介光伏建筑一体化， 是应用太阳能发电的一种新概念， 简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。 根据光伏方阵与建筑结合的方式不同， 光伏建筑一体化可分为两大类 一类是光伏方阵与建筑的结合。 这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上， 建筑物作为光伏方阵载体， 起支承作用。 另一类是光伏方阵与建筑的集成。 这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现， 光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式， 特别是与建筑屋面的结合。 由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间， 是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。光伏方阵与建筑的集成是 BIPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。 光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。图 3-1 光伏建筑一体化示意图3.2 建筑种类根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，太阳能光伏建筑一体化可分为两大类第一类是光伏方阵与建筑的结合。 这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上， 建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。第二类是光伏方阵与建筑的集成。 这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。光伏方阵与建筑的结合（即第一类）是一种常用的形式。 2008 年奥运会体育赛事的国家游泳中心和国家体育馆等奥运场馆中， 采用的就是光伏方阵与建筑结合的太阳能光伏并网发电系统，这些系统年发电量可达 70 万千瓦时，相当于节约标煤 170吨，减少二氧化碳排放 570 吨。3.3 光伏建筑的优缺点一、绿色能源。太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，10不会污染环境。 太阳能是最清洁并且是免费的， 开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。二、 不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地， 这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要； 夏天是用电高峰的季节， 也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。三、 太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统， 不需要配备蓄电池， 既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。四、 起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。因此，发展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排” 。虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、 经济、 环保等诸多优点， 并已在世博场馆和示范工程上得以运用， 但光伏建筑还未进入寻常百姓家， 成片使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存有几大问题一、造价较高太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。 一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。二、成本高太阳能发电的成本高。 目前太阳能发电的成本是每度 2.5 元， 比常规发电成本每度 1 元翻倍。三、不稳定太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性。这是由于太阳并不是一天24 小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。3.4 示范工程和发展方向世界各地出现了不少太阳能光伏建筑一体化建筑物， 中国也不例外， 中国在借鉴国外发达国家推行太阳能光伏建筑一体化技术经验的基础上， 开始发展太阳能光伏建筑一体化建筑物。一、上海的一些地标性工程在建设过程中已经使用新能源系统 , 并注意与建筑本身融为一体。 如， 在虹桥交通枢纽庞大的主体建筑上， 顶面和部分外立面均安装了太阳能发电装置， 总量达 6.5 个兆瓦， 竣工后， 每年将为虹桥高铁客运站提供 650 万度清洁电力，可减少二氧化碳排放 5000 吨左右。二、 2003 年，在北京市大兴区建成了一幢建筑面积达 8000 平方米的综合利用新能源的生态建筑示范工程，经过近一年的运行后，于 2004 年 6 月全面通过验收，被专家评议为“我国第一幢综合利用太阳能解决能源问题的建筑示范工程” 。该工程中“ 50 千瓦大型屋顶光伏并网示范电站”是国家科技部“十五”科技攻关项目。11三、 2004 年，深圳建成目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站，该光伏电站总容量 1 兆瓦， 年发电能力约为 100 万度。 电站设计及安装与深圳综合展馆、 花卉展馆等建筑融为一体，堪称国内绿色建筑的典范。四、 北京南站中， 主站房屋面中央采光带也采用了太阳能光伏发电系统， 该系统总发电量约 320 千瓦， 可辅助解决车站的用电问题。 上述光伏建筑一体化建筑的设计和建成， 对于中国在更多城市建筑中推广光伏建筑一体化的用能模式具有明显的示范意义，对于广大的农村地区推广这种太阳能利用方式也具有借鉴意义。目前建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。 在我国， 它要占到建筑物总能耗的约 70。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境（虽然暂时它是舒适的） 。在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范型建筑外， 还没有大规模的采用。 主动式太阳能供能由于成本更高， 与我国的经济发展也是远不相适应。 因此， 建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想。 按照房间的功能， 采用不同方案的配合及交叉， 这样可以大大降低太阳能用于建筑供能的一次投资和运行成本， 使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。 被动采暖与降温的意义在于使建筑本身能量负荷大大降低（节能率约 70） ，使其所要求主动供能装置提供的能量大大降低。也就是说， 它将对昂贵装置的要求降低。 另外， 被动供能是巧妙利用自然条件的变化来调节室内温度。 我们认为， 建筑物内空气温度调节技术发展方向不应当是改变自然环境来满足人的要求， 而是应当尽量巧妙地利用并顺应自然界来满足人们对健康和舒适的要求。 研究空调的目的应当是尽量减少人工环境， 而不是相反。 主动供能的意义在于保障建筑室内的舒适性增加。在主动与被动供能相互配合组成供能系统的情况下，整套建筑供能系统的设备性能将会提高，而尺寸和造价将会降低。3.5 建筑设计一、光伏组件的力学性能作为普通光伏组件，只要通过 IEC61215 的检测，满足抗 130km/h2， 400Pa风压和抗 25mm直径冰雹 23m/s 的冲击的要求。 用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求， 同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为 1200mm530mm的普通光伏组件一般采用 3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在 BIPV 建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式， 对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。 南玻大厦外循环式双层幕墙采用的组件就是两块 6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件， 这是通过严格的力学计算得到的结果。二、建筑的美学要求BIPV 建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画12家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃， 其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果 BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件， 用来满足建筑物的功能。 同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。 一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果， 有时候细微的不协调都是不能容忍。 但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面， 接线盒较大， 很容易破坏建筑物的整体协调感， 通常不为建筑师所接受，因此 BIPV 建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护， 要考虑采用其他方法来保护它， 需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。 比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中， 以防阳光直射和雨水侵蚀。普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方， BIPV 建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。三、建筑结构与光伏组件电学性能的配合在设计 BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、 电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、 形式不一的几何图形组成， 这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使 BIPV组件接近标准组件电学性能， 也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求， 以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。四、巧妙利用太阳能的建筑太阳能为保护环境创造了有利条件， 于是许多建筑学家巧妙利用太阳能建造太阳能建筑。 1、太阳能墙美国建筑专家发明太阳能墙，是在建筑物的墙体外侧装一层薄薄的黑色打孔铝板，能吸收照射到墙体上的 80的太阳能量。被吸入铝板的空气经预热后，通过墙体内的泵抽到建筑物内，从而就能节约中央空调的能耗。 2、太阳能窗 德国科学家发明了两种采用光热调节的玻璃窗。 一种是太阳能温度调节系统， 白天采集建筑物窗玻璃表面的暖气， 然后把这种太阳能传递到墙和地板的空间存储， 到了晚上再放出来； 另一种是自动调整进入房间的阳光量， 如同变色太阳镜一样， 根据房间设定的温度，窗玻璃或是变成透明或是变成不透明。 3、太阳能房屋德国建筑师塞多。 特霍尔斯建造了一座能在基座上转动跟踪阳光的太阳能房屋。 该房屋安装在一个圆盘底座上， 由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮， 使房屋底座在环形轨道上以每分钟转动 3 厘米的速度随太阳旋转。 这个跟踪太阳的系统所消耗的电力仅为该房太阳能发电功率的 1，而该房太阳能发电量相当于一般不能转动的太阳能房屋的两倍。五、光伏建筑一体化的最新政策1. 太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法（财政部、住房城乡建设部132009 年 3 月 26 日颁布）2. 关于支持加快太阳能光电建筑应用的政策解读（财建 [2009]128 号，财政部2009 年 4 月发布）3. 国家发展改革委关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知（发改价格[2011]1594 号）六、建筑特点1. 能够满足建筑美学的要求；2. 能够满足建筑物的采光要求；3. 能够满足建筑的安全性能要求；4. 能够满足安装方便的要求；5. 能够具有寿命长的优势；6. 具有绿色环保的效果。14第四章 其他应用4.1 空间太阳电池空间太阳电池在大气层外工作， 在近地球轨道太阳平均辐照强度基本不变， 通常称为 AM0辐照，其光谱分布接近 5800K黑体辐射光谱，强度 1353mW/cm2。因此空间太阳电池多采用 AM0光谱设计和测试。空间太阳电池通常具有较高的效率， 以便在空间发射的重量、 体积受限制的条件下，能获得特定的功率输出。特别在一些特定的发射任务中，如微小卫星（重量在50～ 100 公斤）上应用，要求单位面积或单位重量的比功率更高。一、抗辐照性能空间太阳电池在地球大气层外工作， 必然会受到高能带电粒子的辐照， 引起电池性能的衰减， 主要原因是由于电子或质子辐射使少数载流子的扩散长度减小。 其光电参数衰减的程度取决于太阳电池的材料和结构。 还有反向偏压、 低温和热效应等因素也是电池性能衰减的重要原因， 尤其对叠层太阳电池由于热胀系数显著不同， 电池性能衰减可能更严重。二、空间太阳电池的可靠性光伏电源的可靠性对整个发射任务的成功起关键作用， 与地面应用相比， 太阳电池 / 阵的费用高低并不重要， 因为空间电源系统的平衡费用更高， 可靠性是最重要的。空间太阳电池阵必须经过一系列机械、热学、电学等苛刻的可靠性检验。4.2 卫星电源一、 Si 太阳电池硅太阳电池是最常用的卫星电源，从 1970 年代起，由于空间技术的发展，各种飞行器对功率的需求越来越大， 在加速发展其他类型电池的同时， 世界上空间技术比较发达的美、 日和欧空局等国家， 都相继开展了高效硅太阳电池的研究。 以日本 SHARP公司、美国的 SUNPOWER公司以及欧空局为代表，在空间太阳电池的研究发展方面领先。其中，以发展背表面场（ BSF） 、背表面反射器（ BSR） 、双层减反射膜技术为第一代高效硅太阳电池，这种类型的电池典型效率最高可以做到 15左右，目前在轨的许多卫星应用的是这种类型的电池。图 4-1 卫星太阳电池板到了 70 年代中期， COMSAT研究所提出了无反射绒面电池（使电池效率进一步提高） 。但这种电池的应用受到限制一是制备过程复杂，避免损坏 PN结；二是这样的15表面会吸收所有波长的光，包括那些光子能量不足以产生电子 - 空穴对的红外辐射，使太阳电池的温度升高， 从而抵消了采用绒面而提高的效率效应； 三是电极的制作必须沿着绒面延伸，增加了接触的难度，使成本升高。80 年代中期，为解决这些问题，高效硅太阳电池的制作引入了电子器件制作的一些工艺手段，采用了倒金子塔绒面、激光刻槽埋栅、选择性发射结等制作工艺，这些工艺的采用不但使电池的效率进一步提高， 而且还使得电池的应用成为可能。 特别在解决了诸如采用带通滤波器消除温升效应以后， 这类电池的应用成了空间电源的主角。虽然很多工艺技术是由一些研究所提出， 但却是在一些比较大的公司得到了发扬光大， 比如倒金子塔绒面、 选择性发射结等工艺是在澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心出现，但日本的 SHARP公司和美国的 SUNPOWER公司目前的技术水平却为世界一流，有的技术甚至已经移植到了地面用太阳电池的大批量生产。为了进一步降低电池背面复合影响，背面结构则采用背面钝化后开孔形成点接触，即局部背场。这些高效电池典型结构为 PERC、 PERL、 PERT、 PERF[1]，其中前种结构的电池已经在空间获得实用。典型的高效硅太阳电池厚度为 100μ m，也被称为NRS/BSF（典型效率为 17）和 NRS/LBSF（典型效率为 18） ，其特征是正面具有倒金子塔绒面的选择性发射结构， 前后表面均采用钝化结构来降低表面复合， 背面场采用全部或局部背场。实际应用中还发现，虽然采用局部背场工艺的电池要普遍比NRS/BSF的电池效率高一个百分点，但通常局部背场的抗辐照能力比较差。到了上世纪 90 年代中期，空间电源工程人员发现，虽然这种类型电池的初期效率比较高，但电池的末期效率比初期效率下降 25左右，限制了电池的进一步应用，空间电源的成本仍然不能很好地降低。为了改变这种情况， 以 SHARP为首的研究机构提出了双边结电池结构， 这种电池的出现有效地提高了电池的末期效率，并在 HES、 HES-1卫星上获得了实际应用。另外研究人员还发现， 卫星对电池阵位置的要求比较苛刻， 如果太阳电池阵不对日定向或对日定向差等都会影响到卫星电源的功率， 这在一定程度上也限制了卫星整体系统的配置。 比如空间站这样复杂的飞行器， 有的电池阵几乎不能完全保证其充足的太阳角， 因而就需要高效电池来满足要求。 虽然目前已经部分应用了常规的高效电池， 但电池的高的α吸收系数、 有限的空间和重量的需要使其仍然不能满足空间系统大规模功率的需要。 传统的电池结构仍然受到很大程度的限制。 在这种情况下， 俄罗斯在研究高效硅电池初期就侧重于提高电池的末期效率为主， 在结合电池阵研究方面提出了双面电池的构想并获得了成功，真正做到了高效长寿命和低成本。二、 GaAs太阳电池随着空间科学和技术的发展，对空间电源提出了更高的要求。 80 年代初期，前苏联、美国、英国、意大利等国开始研究 GaAs基系太阳电池。 80 年代中期， GaAs16太阳电池已经用于空间系统， 如 1986 年前苏联发射的 “和平号” 空间站， 装备了 10KW的 GaAs太阳电池， 单位面积比功率达到 180W/㎡。 8 年后， 电池阵输出功率总衰退不大于 15。GaAs基系太阳电池经历了从 LPE到 MOVPE， 从同质外延到异质外延， 从单结到多结叠层结构发展变化，其效率不断提高。从最初的 16增加到 25，工业生产规模年产达 100KW以上， 并在空间系统得到广泛的应用。 更高的效率减小了阵列的大小和重量，增加了火箭的装载量，减少火箭燃料消耗，因此整个卫星电源系统的费用更低。三、薄膜太阳电池为适应空间应用需求，国际上纷纷制订各自的薄膜太阳电池计划（如 NASA，主要目标在于提高比功率和降低发射装载容量） ，提出解决措施1. 研制超轻柔性衬底薄膜太阳电池；2. 研制多结薄膜太阳电池。目前，国际发展趋势主要涉及非晶硅（ a-SiH ）太阳电池、铜铟（镓）硒（ CuInGaSe2）太阳电池和碲化镉 CdTe太阳电池。经过数年的努力，其效率达到 15～ 20（ AM0） 。另一方面， 为展开柔性薄膜太阳电池的研制 （展开式、 折叠式、 套桶式、 卷廉式）的设计与应用提供可能。自 90 年代后期，国外已开展了以聚合物为衬底薄膜太阳电池的研制，并取得一定的进展。薄膜太阳电池是获得高效率、长寿命、高可靠、低成本的重要途径之一。主要包括 a-Si 及其合金、 CuInSe2 及其合金、以及 CdTe三种材料的薄膜太阳电池。四、聚光太阳电池一般认为， 现代聚光 PV开始于 1970 年代末悉尼国家实验室， 采用了点聚焦非涅耳透镜硅电池双轴跟踪结构，随后并研制了几个原型。在 1980 年代，很多研究机构进行了一系列成功的实验， 在聚光技术方面取得了突破性进展， 如非涅耳透镜、 棱形玻璃盖片等。在 1990 年代中期，线聚焦 Fresenel 透镜聚光阵技术已经成功地用于SCARLET太阳电池阵， 电池为 GaInP/GaAs/Ge三结电池， 聚光阵的功率密度大于 200 W/㎡，比功率大于 45 W/kg。线聚焦 Fresenel 透镜聚光阵已经用于 DEEPSPACE-1。由于三结 GaAs太阳电池有很好的高温特性 （为高电压低电流器件） ， 通过聚光将显著提高电池电流输出，特别在实现高倍聚光后，可获得更高的功率输出。因此，以三结砷化镓太阳电池为主要部件的聚光太阳电池以其高效率（可达到 40以上） 、高温性能好（工作温度每升高 1C性能仅下降 0.2，可在 200C情况下正常工作，聚光倍数可达 500 倍以上） 等特点被国际公认为最有发展前途和最具商用价值的新一代太阳能器件。17致谢本设计的完成是在我们的论文指导老师汤代斌老师细心指导下进行的。 在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。 从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了汤老师很多的宝贵时间和精力， 在此向汤老师表示衷心地感谢 汤老师严谨的治学态度， 开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生18参考文献[1]. 邓小南 , 光伏发电的未来趋势 [J]. 价值工程， 2010， （ 21）[2]. 王宏华 , 光伏发电原理及发展现状 [J]. 机械制造与自动化， 2010， （ 04）[3]. 刘志军, 魏 塔. 光伏发电系统及其应用 [J]. 现代建筑电气， 2010， （ 11）1[4]. 王立娜 , 周克亮，卢闻州，程明. 绿色离网型光伏发电系统的优化设计与成本分析 [J]. 中国科技论文在线， 2009， 4（ 8）