光伏建筑一体化-论文.doc

学生毕业设计（论文）题 目 光伏建筑一体化 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 引言太阳能光伏建筑一体化（BIPV）系统，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阵列安装在建筑的围护结构外表来提供电力。这和系统有诸多优点，如有效利用建筑外表面、无需额外用地或者加建其他设施、节约外饰材料（玻璃幕墙等） 、外观更有魅力、缓解电力需求、降低夏季空调负荷、改善室内热环境等。光伏建筑一体化系统是目前世界上大规模利用光伏技术发电的重要市场，一些发达国家都将光伏建筑一体化作为重点项目积极推进。近年来，国外推行在用电密集的城镇建筑物上安装光伏系统，并采用与公共电网并网的形式，极大地推动了光伏并网系统的发展，光伏与建筑一体化已经占据了整个太阳能发电量的最大比例。光伏应用技术作为一种新型的技术，在建筑学上已经成为一种新的可行的选择。光伏应用技术利用太阳光这种巨大的可再生能源来产生电力，其光伏转换构件既可以安装在建2筑物上，又可以作为多功能建筑材料构成实际的建筑物部件，光伏建筑的产生是建筑物设计领域超越能源意识的新型设计意识，对人类生态环境起着重要作用。光伏并网和建筑一体化的发展，标志着光伏发电由边远地区向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，人类社会向可持续发展的能源体系过渡。太阳能光伏发电将作为最具可持续发展特征的能源技术进入能源机构其比例将愈来愈大并成为能源主体构成之一。摘要：本文介绍了光伏发电原理，并对光伏发电系统的种类分别进行总结，针对不同发电系统的特点，指出了其不同的适用环境；通过对光伏与建筑结合方式的总结，系统的概括了所有光伏建筑的结合方式，并对其优劣进行对比；总结了光伏建筑的优点，分析了世界各国的光伏建筑发展情况；最后对光伏建筑前景进行了分析。关键词：半导体；光伏建筑一体化；太阳电池；光伏幕墙目录摘 要……………………………………………………………………………………………21 引 言……………………………………………………………………………………………22 光伏建筑一体化原理……………………………………………………………………………32.1 太阳电池原理………………………………………………………………………………32.2 光伏发电系统………………………………………………………………………………32.3 BIPV 建筑一体化 …………………………………………………………………………43 光伏与建筑相结合的形式………………………………………………………………………53.1 建筑与光伏系统的结合……………………………………………………………………53.2 建筑与光伏组件的结合……………………………………………………………………64 BIPV 系统的发展前景…………………………………………………………………………84.1.光伏建筑一体化的优点…………………………………………………………………84.2 世界各国的光伏建筑发展情况…………………………………………………………85 总结……………………………………………………………………………………………106 致谢……………………………………………………………………………………………117 参考文献………………………………………………………………………………………112 光伏建筑一体化原理2.1 太阳电池原理半导体根据导电机理的不同可分为 P 型半导体和 N 型半导体。当太阳光照射到半导体时，半导体中的电子被激发而移动，失去电子的地方就形成空穴。P 型半导体和 N 型半导3体结合在一起在半导体中形成“势垒”。由 P 型半导体产生的电子向 N 型层移动，由 N 型层中产生空穴向 P 型层移动。P 型层中由于带有正电荷的空穴数目增多而带正电； N 型层中由于带负电荷的电子数目增多而带负电。当达到稳定状态时，在半导体两端产生电压，称为太阳电池的开路电压。当用导线连接半导体两端时，光电流在外部回路中流动，称为短路电流。最基本的太阳电池是由 P—N 结构构成的。图 1 为典型光电池的剖面图。图 1 典型光电池的剖面图 [1]（光线的光子产生自由电子，顶部金属网格和底部金属板通过外电路收集和返还自由电子）2.2 光伏发电系统光伏发电系统统按其系统配置可分为独立式（stand—alone）连接电网式（grid —alone）2 种。当不可能或没必要与电网连接时，独立式光电系统（stand—alone systems）较适用（图 2）。这种系统白天产生的多余电能储存在电池组中，以备夜间及昏暗多云天使用。图 2 独立式光电系统（一个独立式系统需要电池储存电力以供夜间使用，还需要一个将直流电变成交流电的反用换流器）4当有电网时，就不需电池组储能了。因为电网已经充当了一个大的蓄电池的作用。连接电网式如图 3 所示。当太阳能电池板供电不足时，由电网向用户供电，相反的，若太阳能电池板供电大于用户需求，剩余的电可通过直交流逆变换器输送到电网。只需在连接电网时安装一块双向计量电度表即可解决电力收费的问题。这种系统特别适合于已有电网供电的用户，不仅可省去蓄电他的设置，减少初投资和运行维护费用，而旦有利于削减因采用空调设备而造成的夏季白天用电高峰的问题。图 3 一个典型的电网连接充电系统（白天，多余的电流将流入电网，计量表会倒转）2.3 BIPV 建筑一体化太阳能光伏—建筑一体化 BIPV(Building Integrated Photovoltaics,)是应用太阳能发电的一种新概念：在建筑为维护结构外表面铺设光伏阵列提供电力。可以说在众多可再生能源发电技术中，光伏发电是最绿色最环保也是最值得期待的一项技术[1] 。 图 4 户用型光伏建筑一体化原理图3.光伏与建筑相结合的形式光伏与建筑的结合有两种方式。一种是建筑与光伏系统的结合，把封装好的光伏组件平板或曲面板安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，建筑物作为光伏阵列载体，起支撑作用，然后光伏阵列再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相连。建筑与光伏系统相结合是一种常用的光伏建筑一体化形式，特别是与建筑屋面的结合。另一类是建筑与光伏组件相结合。建筑与光伏组件相结合是光伏建筑一体化的一种高级形式，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。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是保护和装饰建筑物。如果用光伏组件代替部分建材，即用光伏组件来做用作建材也可5建筑物的屋顶，外墙和窗户，这样既可用以发电。3.1 建筑与光伏系统的结合与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源供电或者以并网的方式供电。当光伏建筑一体化系统参与并网时，可以不需要蓄电池，但需要与电网连入的装置，而并网发电是当今光伏应用的新趋势。将光伏组件安装在建筑物上，引出端经过控制器及逆变器与公共电网连接，需要由光伏阵列及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。由于不需要蓄电池，大大降低了造价。光伏系统与建筑物相结合的形式主要包括与建筑物屋顶相结合以及与建筑墙体相结合等方式，下面分别进行介绍。1）光伏系统与建筑屋顶相结合将建筑屋顶作为光伏阵列的安装位置有其特有的优势，日照条件好，不容易受到遮挡，可以充分接受太阳辐射，光伏系统可以紧贴建筑屋顶结构安装，减少风力的不利影响。并且，太阳组件可替代保温隔热层遮挡屋顶。此外，与建筑屋顶一体化的面积光伏组件由于综合使用材料，不但节约了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低，有效地利用了屋面的符合功能。图 5、6 为光伏系统与建筑屋顶相结合的建筑实例。图 5 图 62）光伏系统与建筑墙体相结合对于多、高层建筑来说，建筑外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。为了合理地利用墙面收集太阳能，可采用各种墙体构造和材料。将光伏系统置于有建筑墙体上不仅可以利用太阳能产生电力，满足建筑的需求，而且还能有效减低建筑墙体的温度，从而降低建筑物室内空调冷负荷。图 7 为光伏系统与建筑墙体相结合的建筑实例。6图 73.2 建筑与光伏组件的结合建筑与光伏组件的结合是指将光伏组件与建筑材料集成化，光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏阵列成为建筑不可分裂的一部分，如光伏玻璃幕墙、光伏瓦和光伏遮阳板装置。把光伏组件作为建材所要求的几项条件，如坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当强度和刚度等性能、用光伏组件替代部分建材、在将来随着应用面的扩大，光伏组件的生产规模也随之增大，则可从规模效益上降低光伏组件的成本，有利于光伏产品的推广应用，所以存在着巨大的潜在市场。近几年，随着全球光伏产业的迅猛发展，薄膜光伏电池市场前景看好，技术日臻成熟，光伏转换效率和稳定性不断提高。薄膜光伏电池的一个重要优点是适合做成鱼建筑物结合的光伏发电组件：双层玻璃封装性的薄膜光伏电池组件，可以根据需要，制成不同的透光率，可以替代玻璃幕墙，而不锈钢和集合物衬底的柔性薄膜光伏电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。一方面它具有漂亮的外观，能够发电;另一方面，用于薄膜光伏电池的透明导电薄膜又能很好地阻挡外部红外线的进入和内部热能的散失，将成为建筑与光伏组件结合的主要方向之一。7图 8 光伏与建筑结合的方式1）光伏组件与玻璃幕墙相结合将光伏组件同玻璃幕墙集成化的光伏玻璃突破了传统玻璃幕墙的单一围护功能，把以前被当做有害因素而屏蔽在建筑物表面的太阳光，转化为能被人们利用的电能，同时这种复合材料部多占用建筑面积，而且优美的外观具有特殊的装饰效果，更赋予建筑物鲜明的时代特色和技术特色，已经成为光伏建筑一体化应用的一道亮丽风景线。2）光伏组件与遮阳板的结合将光伏系统与遮阳装置构成多功能建筑构件，一物多用，既可以有效利用空间为建筑物提供遮挡，又可以提供能源，在美学与功能两个方面都达到了完美的统一。3)光伏组件与屋顶瓦板相结合光伏组件与屋顶相结合的另一种光伏系统：太阳能瓦。太阳能瓦是太阳能光伏电池与屋顶瓦板结合形成一体化的产品，这一材料的创新之处在于使太阳能与建筑达到真正意义上的一体化，该系统直接铺在屋顶上，不需要在屋顶上安装支架，太阳能瓦由光伏模块组成，光伏模板的形状、尺寸、铺装时的构造方法都与平板式的大片屋面瓦一样。4)光伏组件与窗户及采光顶相结合光伏组件若是用于窗户、采光顶等，则必须能够透光，就是说既可以发电又可以采光。除此之外，还要考虑安全性、外观和施工简便等因素。图 9 为光伏组件与窗户及采光顶相结合的建筑实例。8图 94.BIPV 系统的发展前景4.1 光伏建筑一体化的优点从建筑学、光伏技术和经济效益方面的观点来看，光伏发电技术和建筑学相结合的光伏建筑一体化有如下优点：1、 无需占用宝贵的土地资源；2、 建筑物光伏发电不需要安装额外的基础设施；3、 能有效的减少建筑能耗，实现建筑节能；4、 能够降低建筑物室内冷负荷；5、 建筑物光伏发电可以提供创新方式改善建筑物的外观审美；6、 安全环保，增加楼盘的整体品质。4.2 世界各国的光伏建筑发展情况在能源和环保压力的促进下，太阳能光伏技术已逐步成为国际社会走可持续发展道路的首选技术之一。事实已经证明，对于几 kW 以下的系统，采用太阳光伏发电是最为理想的。光伏（PV）技术除传统的单独用户及特殊领域应用外，正在向高水平和大规模方向发展。BIPV 的联网发电已成为近年来 PV 应用的主要方向和热点。联合国能源机构最近发布的调查报告显示，BIPV 将成为 21 世纪的市场热点，太阳能建筑业将是 21 世纪最重要的新兴产业之一。各国一直在通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等，大力降低光伏电池的制造成本和提高其发电效率。近年来，世界光伏市场发生了很大变化：由过去的农村独立运行（提水、照明等）和通讯设备、卫生保健、导航浮标等领域转向并网发电和与建筑物结合的常规供电；开始9由作为补充性能源逐步向替代性能源过渡。现在分别介绍一下不同国家的发展情况。1）美国1993 年 6 月，美国能源部和国立再生能源实验室签定五年合同，实施“PV：BONUS”计划，耗资 2 500 万美元发展与建筑相结合的光伏产品，即建筑幕墙光伏器件和大型屋顶光伏组件等。为了促进美国光伏产业的快速发展，降低光伏发电成本以及节约能源和保护环境，美国前总统克林顿 1997 年 6 月 26 日在联合国环境与发展特别会议上宣布美国将实施“百万太阳能屋顶”计划，到 2010 年要在全国范围的住宅、商业建筑、学校和联邦政府办公楼屋顶上安装 100 万套太阳能系统，包括光伏系统和太阳能集热器，可以供应电力和热水。为此，1998 财政年度美国政府的光伏研究经费增加了 30％。2）日本日本很重视光伏与建筑相结合的技术。20 世纪 90 年代，政府资助一些大学、研究所和公司进行开发研究。如三洋电气公司推出了几种非晶硅电池与建筑材料相结合的产品（三洋公司在非晶体太阳电池技术方面是世界一流的）：一种是做成曲线形瓦片形状，每片面积为 305 平方厘米、输出功率 2.7 WP，价格比较昂贵；另一种是 90cm×35cm 的平板非晶硅电池组件，组件背面有“脚”便于安装，一般用做屋顶材料。三洋电气公司还推出了半透明和不透明的非晶硅玻璃组件，用于商业建筑物的垂直幕墙。其半透明组件的透光率为 30％，既可作为窗户采光用，又可用于发电（目前德国也有类似产品） 。以上光伏组件已安装在三洋电气公司、Fsukasa 电力公司等办公楼建筑物上。1997 年，通产省又宣布执行“七万屋顶”计划，安装了 37 MWP 屋顶光伏系统。该计划使日本成为该年度世界最大的光伏组件市场。日本政府计划到 2000 年安装 400 MW、2010 年安装 4 600 MW 光伏发电系统。1998 年，日本三家公司（清水建筑、夏普、川崎制铁）合作研制一种新型建筑材料，即把太阳能电池安装在建筑材料里，并按需要做成三种，用做屋顶和外墙。3）德国1990 年首先开始实施“一千屋顶计划” ，在私人住宅屋顶上推广容量为 1～5kWP的户用联网光伏系统。在光伏器件与建筑相结合方面，ASE 所属几家公司分别推出了多种光伏组件，其中有大尺寸（1.5 m×2.5m）的无边框非晶硅组件，每块组件功率可达 360Wp，可用于垂直外墙和倾斜屋顶；也推出了尺寸为 1 m×0.6m 的非晶硅不透明组件，可分别用于屋面、垂直幕墙和窗户。目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。4）印度印度近年来大力推广应用太阳能，已取得了很大成绩。在发展中国家，印度的光伏产业及应用市场居领先地位；据报道，目前已成为继美国之后的第二大单晶硅太阳能电池生产国。全国已有 40 万套光伏系统用于多种应用领域。并且，政府正在组织一些研究和生产机构开展光伏器件与建筑相结合的研究开发。1997 年 12 月 18 日印度政府宣布，到 2002 年要在全国范围内推广 150 万套太阳能屋顶。5）中国中国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模。据统计，截止 1997 年底，我国已完成并正常使用的太阳能光伏发电系统装机容量为 10～15MW ，主要用于边远地区居民的供电。随着光伏发电领域的转变，我国的 BIPV 系统的研究与开发已取得了很大的发展。 “九五”期间我国在深圳、北京分别成功建成 17kWp、7kWp 光伏发电屋顶并实现并网发电。10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％的年增长速度发展，到 2010 年可望超过 10MW.香港特区政府为支持环保工业，香港工业署日前拨款 170 万港元给香港理工大学，建立第一座“光伏建筑”实验系统，以太阳能为大厦提供部分电力。紧紧围绕降低光伏发电成本的各种研究开发工作一直在发达国家紧张地进行。在光伏系统方面，目前已开发出带微型逆变器的光伏组件，这将给光伏系统安装及与建筑集成带来革命性的变化。BIPV 的开发是目前世界上大规模利用光伏技术发电的一大研究热点，西方发达国家都在作为重点项目积极进行。除了在屋顶安装光伏电池板外，已推出了把光伏电池装在瓦片内的产品。在现代飞速发展的智能建筑（IB）中，楼宇自动化系统（BAS）是一个重要组成部分。对于 BIPV 系统，其本质上是属于楼宇设备的范畴，但在目前关于 BAS 的资料文献中还没有被纳入其中。笔者认为，BIPV 系统应当纳入 BAS.未雨绸缪，在实际建筑施工中应当预留光伏阵列的铺设装置；在综合布线系统（PDS）中，应当预设光伏设备的接入端口和线路匣，为以后光伏组件与楼宇设备的结合作准备。随着光伏组件的广泛应用和价格大幅度下降，未来实现智能化的建筑物必定要配装 BIPV 系统，同时这也是对 IB 内容的一个重要补充。可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力。由于价格、法规等因素，BIPV 系统在短期内还难以大规模普及，但随着常规能源的日益枯竭、人们环保意识的日益提高，以及由此促进的制造工艺的革新和技术的发展，BIPV一定会展现出强大的生命力。[2]5.总结随着国际石油价格持续上涨和国内煤炭价格上调压力的增大，我国能源供应正面临着前所未有的严峻形势。地球上的环境由于大量燃烧矿物能源已产生很明显的变化，人们世代赖以生存的环境正在逐渐恶化，减少传统常规能源的消耗量、节能减排、保护环境的迫切性已引起我国各级政府的高度重视。建筑能耗是各行中的耗能大户，我国已经接近占总能耗的 30%，如何有效地降低建筑能耗是目前人们关注的焦点之一。 “开源节流”是解决能源安全问题的唯一选择，在大力节能的基础上人们的努力方向。太阳能按如何使用可再生能源，降低建筑物传统能源消耗量是近几年以其清洁，用之不竭的特性近几年再次引起人们的高度关注，比如太阳能光伏建筑发电产品的生产和销售平均每年都以超过 30%的速度增长，太阳能光伏建筑发电和太阳能热利用将成为最普及的建筑物可再生能源利用形式。太阳能在建筑上的应用最为有效的方法之一是采用建筑光伏一体化（BIPV）,即光伏建筑，在建筑物上镶嵌太阳能光伏板发电为建筑物提供全部或部分电力。建筑物能耗通常占一个国家和地区全部能源消耗的 30%~50%，利用光伏建筑发电对于减少常规电力消耗量，降低供电高峰负荷和保护地球环境具有重要的意义。随着全球气候的急速变化，发展中国家对能源需求量的增加，矿物质燃料的逐步短缺和耗尽，能源的开发和使用已成为人类活动的突出问题。在全球能源应用中，人们越来越深刻的认识到能源消耗对生态环境的影响，作为占全球能源消耗 40%的建筑，其环保节能设计变得越来越重要。在建筑材料和设施的设计方面，已经有许多节能技术可以选择。光伏建筑一体化是光伏技术、建筑学和社会效应的统一体，已经成为了光伏应用的选11择。光伏建筑设计是一个综合过程，把光伏建筑技术的能源意识和环保意识加到建筑学上，是一种最有希望的未来光伏技术市场，它像一座桥梁，把光伏技术应用从小规模新型产品过渡到大型发电中心技术。随着光伏发电成本的降低，光伏技术和建筑学会很好地结合在一起，光伏建筑技术和整体光伏技术市场将会越来越大。光伏发电与建筑相结合，将原来互不相关的领域结合到一起，涉及面很广，并非是光伏设计及制造者所能独立完成的，必须与建筑材料、建筑设计、建筑施工等有关部门密切合作，共同努力，才能取得成功。光伏建筑一体化体现了创新性的建筑设计理念、高科技以及人文环境协调的美学观念。就目前而言，尽管光伏器件与建筑相结合可能降低一些应用成本，但与常规能源相比，费用仍然较高，这是影响光伏推广的主要障碍之一。然而我们必须注意到，这样简单的对比是不恰当的，因为一些隐藏的成本并没有计入常规能源的成本，譬如治理常规能源所造成的污染等费用，一些国家对化石燃料的价格补贴，以及最近逐渐高涨的是有价格等。光伏发电虽然一次性投入较大，但运行费用很低，并且越来越多的国家正在出台相应的政策，扶植光伏产业的发展。可以预计，光伏发电与建筑相结合时未来光伏应用中最重要的领域之一，前景十分广阔，有着巨大的市场潜力。随着科学技术的不断进步，光伏组件的成本会逐步降低，与光伏建筑相结合的建筑物会雨后春笋般的出现在我们身边，同时太阳能光伏发电必将在能源结构中占有相当重要的位置。6.致谢本课题在选题及研究过程中得到老师的悉心指导。老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢我的各位同学三年来对我学习、生活的关心和帮助。最后，向我的家人致谢，感谢他们对我的理解与支持。7.参考文献[1]诺伯特.莱希纳.张利等译，董务民校.2004. 建筑师技术设计指南 ——采暖.降温.空调[M]. 第二版.北京：中国建筑工业出版社，174—182.[2]马树生.2003.建筑一体化太阳能光伏发电技术（ BIPV）与中国.阳光能源[J].6:18—19.