光伏发电于建筑住宅的应用

光伏发电于建筑的应用王欣、贾淑华、王封力摘要： 为解决我国人均能源资源占有量低，太阳能光伏发电技术得到了持续发展。 光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。 开展太阳能光伏发电系统的研究， 对于缓解能源和环境问题， 开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术， 具有重大的理论和现实意义。关键词： 太阳能、光伏发电、建筑光伏引言我国地大物博，人口众多，人均能源资源占有量低．据有关资料报道，我国人均能源探明储量只有 135tee，仅相当于世界拥有量 264tec 的 51％．其中；煤炭人均探明储量为 147t， 是世界人均值 208t 的 70％： 石油为 2． 9t，为世界人均值的 11％ 1 天然气为世界人均值的 4％；即使是水能资源，按人口平均，也低于世界人均值．而我国所面临的却是能源需求量成倍增长的严重挑战．如果 2050年我国的人口总数为 15 亿左右的话届时一次能源的需求量将为 30 亿 ~37． 5 亿tee，的为目前美国能源消费总量的 1.5~2 倍，为届时世界一次能源消费总量的16％ --22％。传统的能源与经济、 环境的矛盾越来越突出。 能源是现代社会发展的源动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性， 造成世界上大部分国家的能源供应不足， 不能满足经济可持续发展的需要。 这个时候， 全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。2014 年，能源消费总量 38.8 亿吨标准煤左右，同比增长 3.2%；用电量 5.72万亿千瓦时，同比增长 7%；煤炭消费量 38 亿吨，增长 1.6%；石油表观消费量5.1 亿吨，增长 1.8%；天然气表观消费量 1930 亿立方米，增长 14.5%。近二、三十年来，太阳能光伏发电技术得到了持续的发展，光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。 开展太阳能光伏发电系统的研究， 对于缓解能源和环境问题， 开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术， 具有重大的理论和现实意义。1.1 光伏发电原理光伏电池实际上是一个 P-N 结。通常，用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质， 和任何物质的原子一样， 半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成， 在纯净的硅晶体中， 自由电子和空穴的数目是相等的。 如果在硅晶体中掺入硼、 嫁等元素， 由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号 P 表示；如果掺入能够释放子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号 N 代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个 PN 结。。如图所示，当光伏电池受到阳光射时，电子接受光能，向 N 型区移动， 使 N 型区带负电， 同时空穴向 P 型区动，使 P 型区带正电。这样，在 PN 结两端便产生了电动势，也就是通常所说的压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在 P 型层和 N 型连接导线，接通用电负荷，则电路便有电流通过，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。1.2 光伏建筑一体化光伏建筑一体化 （ BIPV ） 提出了建筑物产生能源的概念， 即通过建筑物屋顶和墙面的独立光伏发电系统使建筑物供给自身以绿色环保的电能， 满足自身用电需求。 光伏发电系统用于建筑物的一般可以分为独立运行系统、 并网运行系统和混合型运行系统。本文主要是针对建筑住宅不与电网相连的独立光伏发电系统，在此就不对其余的系统做过多叙述。 所谓独立光伏发电系统是属于孤立的发电系统， 主要应用于山区或偏远地区等市电无法到达的地方。 应用于建筑的独立光伏系统分为光伏墙结构（ PV-wall）和光伏屋顶（ PV-roof）结构，两者通过放置在屋顶和幕墙上的太阳能电池板产生电能供给建筑物自身负荷使用， 达到节能环保的目的； 现在许多太阳能电池板被用作屋顶和幕墙的材料， 这样不但达到了自给自足的作用，同时也兼做了建筑材料，降低了建筑成本。太阳能电池板 太阳能电池幕墙太阳能电池板由电池片，钢化玻璃， EVA， TPT 等材质组成，制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种， 因此光伏电池的种类也很多。 目前， 技术最成熟，在市场上使用最多的算是硅光伏电池。 太阳能电池板种类主要有： 单晶硅太阳能电池、多晶体太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池。其中转换率最高的是单镜头太阳能电池， 转换率高达 24%但是其制作成本很大； 转换率最低的是非晶硅型， 虽然其成本低但是转换率只有 10%左右， 并且随着使用时间的延长， 其转换率会衰减； 多晶体硅介于两者之间， 国际先进转换率为 15%左右，并且制作成本比单晶体型稍低， 但是占地空间比单晶体略大。 太阳能电池板的使用寿命由制作材质好坏决定， 材料优良技术成熟的厂家做出来的太阳能电池板寿命可以达到 25 年左右，但随着外景环境的影响，太阳能电池板的材料会随着时间的变化而老化。一般情况下使用 20 年功率会衰减 30%左右， 25 年功率会衰减达 70% 。光伏建筑一体化（ BIPV ）中将建筑物的外墙、玻璃幕墙、窗户甚至屋顶本身在合适的朝阳方向上采用光伏组件来代替建筑材料， 太阳能电池板在其中既作为建材又作为发电原件。 这样就要求光伏组件要具备建筑材料相应的特性， 如防水防潮、绝热保温、机械强度、安全美观、易于施工等等。1.3 太阳能光伏发电系统的基本组成一套基本的光伏发电系统由太阳能光伏电池阵列，系统控制器，蓄电池组和交直流逆变器。 其中光伏电池阵列和系统控制器是整个系统的核心元件， 各部件在系统中的作用是：光伏电池阵列：利用阳光产生光伏效应，提供电能。系统控制器：太阳能系统控制器的作用是控制整个系统的运行状态，并具有队蓄电池组起到过充电保护、 过放电保护的功能。 在温差较大的地方， 系统控制器还应具备温度补偿的功能。 其他如光控开关、 时控开关都应当是系统控制器的可延伸功能， 智能型的系统控制器已发展到使用高速 CPU 微处理器和高精度 A/D模数转换器， 具有独立的微机数据采集和监测控制系统， 目前使用仅限于一些通信系统和规模较大要求较高的光伏项目。蓄电池组：把由太阳电池阵列产生的电能储存起来，当需要时将储存的电能释放供给用电负荷使用。目前太阳能光伏发电系统中大多数采用的是铅酸蓄电池， 区别于传统电解液， 用于光伏发电的电池中添加了如 ‘硅酸钠’ 等其他成分，比传统使用的铅酸电池安全， 对充电电压以及温度的适应范围更大， 并且免维护，但其自放电较传统电池更明显。交直流逆变器： 把光伏电池阵列产生或者蓄电池组释放的直流电和交流电相互转换， 供给用电负荷或者存储电量。 其最重要的指标是可靠性和转换效率。 因光伏阵列输出特性具有非线性特征， 并且其输出受日照强度、 环境温度和负荷情况影响， 为了提高其转换率和输出功率， 在并网系统中采用了最大功率跟踪技术（ maximum power point tracking, MPPT），最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。1.4 光伏发电的应用1.充分考虑运行环境建筑光伏发电系统将太阳能直接转换成电能，提供给建筑用电设备使用。系统一般由太阳能电池板、 蓄电池组、 系统控制器、 交直流逆变器和用电负荷等组成。 建筑光伏发电系统的设计着重考虑系统的高效性、 高可靠性和使用维护简单方便。并且根据项目所处当地的环境条件（地理位置、太阳辐射能、气候、气象等） 、 负载的大小和每天使用的时间， 以及其他使用要求合理地设计系统各部件。环境因素光伏发电收到自然环境的影响非常大，光照强度、光照时间、地理位置、气候、气温、湿度等，都是影响发电效率和光伏寿命的因素。光电转换效率受到本身技术、 光电转换不稳定性等原因， 光电转换效率一直保持在一个比较低的水平，再加上光照、温度等环境因素的影响，光电转换效率出现不稳定性。用电不稳定性由于用途、时间、电量等因素的不稳定性，对于不同的地区、时间、项目等都有不同的要求，这使得在光伏发电设计时需要综合考虑的因素非常多。损耗问题由于太阳能电池板随着使用时间的推移，其光电转换效率也会随之衰减。计算误差为光伏发电的特殊性， 导致影响其结果的因素很多， 在计算其转换效率、 用电量、日辐射量、倾斜度等时不可避免的带入了误差影响了其最终效果。2.建筑光伏用电设计根据国家电网所设的定义，所谓分布式光伏发电就是位于用户附近，所发电量能够就地利用， 运行方式以用户侧自发自用、 多余电量上网， 且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施电压等级在 10 千伏以下，且项目总装机容量不超过 6000 千瓦（装机容量不设下限）的光伏发电项目。此类项目可以接入国家电网， 这就意味着在建筑屋顶等处分散布置的光伏发电项目， 其业主除了能自己发电自己用， 还可以把多余的电量卖给电网。 本市电力公司为落实国家电网这一利国利民的政策， 结合本市的具体情况规定， 凡本市范围内的分布式光伏发电项目，无论是 10 千伏、 380 伏还是 220 伏，均可以申请上网。电力公司将为项目业主提供设计、检测等全过程的免费服务，而且还会全额收购这些项目富余的电量。并网后的方式可分为全部上网， 全部自用和自发自用、 余电上网出售方式供用户选择，用户不足电量由电网提供，上、下网电量分开结算。光伏发电的成本随着太阳能板的面积增大而减小，在国内的大中小城市中，高楼林立，各个地方都在开发，没有这样的条件去发展规模性的光伏发电项目，所以以家庭和小区为单位的分布式光伏发电更适合现在的发展趋势。2.1 家庭式光伏发电家庭式光伏发电项目是以家庭为单位，在建筑外部采光处（如阳台、遮雨棚等） 安装太阳能板， 与建筑市政供电合并， 在家庭电气设备运行较少或闲置时多余的电量存储在蓄电池中， 用电高峰期时优先选择蓄电池的电量使用， 把光伏发电最大化使用，同时又不影响家庭正常用电。目前市面上的太阳能电池大致分为两大类：晶体太阳能电池（单晶体和多晶体）和非晶体太阳能电池（薄膜太阳能电池、有机太阳能电池 ）。其中单晶硅太阳能电池的光转电效率最高， 可以达到百分之二十， 但是相对于其他类型价格较贵。 非晶体太阳能电池虽然价格低， 但是他的光电转化率却不到百分之十， 收到技术条件的限制， 我们无法选择一款成本低廉效率高的设备。 所以综合考虑到家庭式光伏发电的适用者和其规模性， 我们选择单晶体电池作为光电转换载体更为合适。逆变器： 光伏发电的核心； 因为太阳能直接输出的电压为直流 12V、 24V、 48V，而我们常用的家电设备的工作电压都是交流 220V，因此需要 DC-AC 逆变器将太阳能产生的电流转换成交流 220V 才能维持家庭正常的用电需求。 我们这里选择功率等级在 200 瓦～ 500 瓦的微型逆变器，可方便地在幕墙、窗台、小型屋面上使用。（ 1）确定日用电量：日用电量 =负载工作耗电量 x 平均每天工作日时数（ 2）计算日辐射量：从当地气象资料统计近几年至几十年的年均辐射量，从而求出月平均，日平均。（ 3）估算太阳能电池方阵和倾斜度：根据日辐射量和日用电量确定方阵，再把气象资料查询的水平面上的辐射量换算成斜面上的辐射量。（ 4）确定太阳能电池方阵和蓄电池容量。1.5 前景与展望统计表明，我国的建筑能耗占到当年全社会终端能源消耗的 1/3，终端能源消耗总量已经位于世界前列。随着国内经济水平的发展，人民生活水平的提高，建筑能耗在呈爆发性地增涨， 现有的不可再生资源消耗正在面临着考验， 充分地利用光伏， 正是绿色环保、 可持续性的能源逐步代替传统能源的时机。 光伏发电较之传统火力、水力发电而言，从来源到终端，中间不需要转换，发电模式极为简洁、不消耗资源，无温室气体、废气和废水的排放，绿色环保；发电过程中不会产生任何噪音， 发电不用借助其他催化剂； 发电设备安装方便简洁， 既能在荒无人烟的荒漠地带安装， 也可安装在建筑物的屋顶或幕墙， 管理简单， 维护成本低。在制作成本方面，太阳能是取之不尽，用之不竭的能源，太阳能电池板制造所需的硅在地壳中的含量高达 26%，不会出现资源的短缺。 2014 年 1 至 4 月份，甘肃风电发电量 39.25 亿千瓦时， 同比增长 16.34%， 光伏发电量 13.53 亿千瓦时，同比增长 276%。而与之相反的是，受经济增速放缓影响，同一时期甘肃火电和水电发电量增长疲软，分别为 -0.61%和 -4.44%。同期河北省承德县光伏发电项目年平均发电量 14500 万千瓦时。该项目 10 万千瓦目前已完成 6 万千瓦，其中光伏电站 2 万千瓦光伏发电单元已于 2013 年 12 月 31 日成功并网发电，日发电量5 万伏。 “ 项目一期全部建成后每年可为国家节约标准煤 4 万吨，减少排放温室效应气体二氧化碳 10.66 万吨。 ”二十一世纪能源问题被推到了世界的话题上， 每个国家都面临着绿色能源和可持续发展问题。 怎样才能利用现有的条件， 去开发出一片新的新能源， 怎样去充分合理利用现有能源， 推动新陈交替的能源问题， 这一个个问题已经放在了各国政府的面前。 光伏发电作为一种取之不尽、 用之不竭的绿色环保能源正在向世人展示着它的前瞻性，也是太阳能逐渐走向世界舞台的开始。参考文献：[1] 王厦楠 独立光伏发电系统及其 MPPT 的研究 [D] 南京航天航空大学， 2008。[1] 马一鸣 , 马龙翔 太阳能光伏发电与建筑一体化 [J]， 2012