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南昌航空大学自考本科毕业论文 太阳能能光伏建筑一体化概论摘要 光伏建筑一体化即bipv（building integrated pv，pv即photovolta-ic）。光伏建筑一体化（bipv）技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。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。关键词：光伏发电；建筑；光伏建筑一体化 一 引言- 1 -二、光伏建筑一体化发电技术简介- 2 -2.1 光伏建筑一体化及特点- 2 -2.2 光伏与建筑相结合的方式- 3 -2.2.1建筑与光伏系统相结合- 3 -2.2.2建筑与光伏器件相结合- 3 -2.3 光伏建筑一体化对光伏光伏系统及光伏组件的要求- 4 -2.4 光伏建筑一体化的整体要求- 5 -三、光伏建筑一体化的优缺点- 8 -3.1 光伏建筑一体化的优点- 8 -3.2 光伏建筑一体化的缺点- 8 -四. 太阳能与建筑一体化市场前景- 9 -4.1光伏建筑一体化的市场前景- 9 -4.2 光伏建筑一体化的未来发展趋势。- 10 -六致谢- 15 -七、参考文献- 16 - - 17 -一 引言 太阳能在建筑上的的应用最为有效的方法之一就是采用光伏建筑一体化(bipv)技术，即光伏建筑在建筑物上镶嵌光伏发电系统为建筑物提供电力。建筑物（包括住宅，商用和公用建筑）能耗通常占一个国家和地区全部能源消耗的30%50%（在香港高达50%之多）1，利用光伏建筑发电对于减少常规电力消耗，降低供电高峰负荷和保护地球环境具有重要意义。如果在房屋屋顶和外墙安装太阳能电池板，不仅可以进行太阳能光伏发电，而且可以替代传统的玻璃幕墙、屋顶和墙面材料，降低房屋和太阳能项目的整体造价2。还可以降低建筑物的冷负荷，达到建筑物能源的有效利用，降低建筑物的能耗，为建筑物创造宜人的生活环境。而带来这一切的，就是光伏建筑一体化技术。 二、光伏建筑一体化发电技术简介2.1 光伏建筑一体化及特点随着太阳能发电技术的日益成熟，光伏发电系统除大量用于无电地区、游牧家庭、航海灯塔、孤岛居民供电以及某些特殊领域外，也已经开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑3。而近年来，随着常规能源的日益枯竭而引起的发电成本上升和人们环境意识的日益增强，一些国家纷纷开始实施、推广光伏建筑一体化发电系统。而光伏建筑一体化发电技术，也在这种形势下迅速得：到发展。太阳能光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念；在建筑结构表面铺设太阳能电池以提供电力4。可以说在众多太阳能发电系统中，光伏建筑一体化发电系统是值得期待的一项技术。 光伏建筑一体化在实际应用中具有以下特点： （1）并网系统光伏阵列安装在闲置的建筑物屋顶或墙面上，无需占用土地或增建其它基础设施，适用于人口密集的城市，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。（2）所发电能馈入电网，省掉蓄电池，节省建设投资与维护费用，从而使发电成本大为降低。提高了系统的平均无故障时间和防止蓄电池的二次污染。（3）分布式建设可原地发电、原地用电，使输电成本和损耗变得最小。在一定距离范围内可以节省常规电网的投资。（4）本地发供电，进出电网灵活。夏季由于大量制冷设备的使用，形成电网用电高峰。而这时也是光伏阵列发电最多的时候。bipv系统除保证自身建筑用电外，还可以向电网供电，从而缓解高峰电力需求。 （5）由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，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，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。 （6）由于光伏电池的组件模块化，光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选配发电容量。(7)光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用并发挥多种功能，同时降低了建设费用；使建筑物科技含量大大提高，减少了光伏系统成本的回收器，增加了“卖点”。(8) 避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。(9)发展前途远大。并网光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。2.2 光伏与建筑相结合的方式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：2.2.1建筑与光伏系统相结合 把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。光伏系统还可以通过一定的装置与公共电网联接。2.2.2建筑与光伏器件相结合建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发电，可谓物尽其美。对于框架结构的建筑物，可把其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可吸收太阳直射光，也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上目的，还可使建筑外观更具魅力5。2.3 光伏建筑一体化对光伏光伏系统及光伏组件的要求 把光伏器件用做建材，必须具备建材所要求的几项条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。若是用于窗户、天窗等，则必须能够透光，就是说既可发电又可采光。除此之外，还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素6。光伏建筑一体化对光伏光伏系统及光伏组件具体有如下要求： （1）对光伏组件的要求 与一般的平板式光伏组件不同，（bipv）组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求，如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观，还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装及运输等。为了满足建筑工程的需要，已经研制出了多种颜色的太阳电池组件，以供建筑师选择，使得建筑物色彩与周围环境更加和谐协调。根据建筑工程的需要，已经生产出多种满足屋顶瓦、外墙、窗户等性能要求的太阳电池组件7。其外形不单有标准的矩形，还有三角形、菱形、梯形、甚至是不规则形状。也可以根据要求，制作成组件周围是无边框的，或者是透光的，接线盒可以不安装在背面而在侧面。 （2）对蓄电池容量的要求对于并网光伏系统，由于不受到蓄电池容量的限制，并且有公共电网作为后盾，确定光伏方阵容量时，不必像独立光伏系统那样一定要经过严格的优化设计，只要根据负载的要求和投资情况经过适当计算就可决定8。对于一般家庭使用，通常太阳电池方阵容量的范围为15 千瓦。 （3）对电池方阵倾角的要求 在独立光伏系统中，光伏方阵要尽量朝向赤道倾斜安装，与水平面之间的倾角要经过严格的计算，以达到光伏方阵输出的极大性和均衡性9。而在并网光伏系统中，只要考虑光伏方阵输出的极大性即可。然而在实际应用中，往往因为要服从于建筑物外形的需要，方阵可能会有各种朝向，倾角也可能从0900 都有，这就需要光伏和建筑设计师共同协商，兼顾的双方的需要，妥善解决。 （4）计量电表的要求 家庭使用的并网光伏系统中，光伏方阵所发出的电能，主要供给用户负载使用，多余部分输入电网，用户负载所消耗的电能，也是由光伏方阵和公共电网共同供应。原则上可以用一块电表来进行计量，电网供电时电表正转，光伏方阵向电网馈电时电表反转。实际上由于各国政府对于开发利用新能源大多实行优惠政策，目前太阳能发电的上网电价要远大于用户的用电电价，常常用两块电表来分别计量，所以有“买入”电表和“卖出”电表的区别。 （5）逆变和控制器的要求 太阳电池方阵所发出的是低压直流电，要与电网连接，必须变换成220 伏、380 伏甚至更高电压的交流电，而且对于电能质量如：电压、波动、频率、谐波和功率因素等参数都有严格的要求。为了保证电网、设备和人生安全，还必须配备并网检测保护装置，如对于处理：过/欠电压、过/欠频率、电网失电（防孤岛效应）、恢复并网、直流隔离、防雷和接地、短路保护、断路开关、功率方向保护等都有明确的规定。所以逆变和控制器是并网光伏系统的关键设备。 2.4 光伏建筑一体化的整体要求 (1) 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/h(2，400pa)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。(2) 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10。(3) 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。(4) 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。 a.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。b.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。 c.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。 (5)光伏一体化建筑的特点：a. 能够满足建筑美学的要求； b. 能够满足建筑物的采光要求； c. 能够满足建筑的安全性能要求； d. 能够满足安装方便的要求； e. 能够具有寿命长的优势； f. 具有绿色环保的效果。三、光伏建筑一体化的优缺点3.1 光伏建筑一体化的优点(1)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，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。(2) 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。(3)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。(4) 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”。3.2 光伏建筑一体化的缺点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两大问题：一是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。二是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。三是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。四. 太阳能与建筑一体化市场前景4.1光伏建筑一体化的市场前景一体化市场前景在近期召开的第八届中国国际住宅产业博览会上，建筑节能受到普遍关注。据统计，在全国总能耗中，有三分之一是建筑能耗。这当中，建筑物空气温度调节所消耗的能量，要占到建筑物总能耗的55左右。用空调和燃煤暖气来控制室温，不仅耗能高，且易污染环境。太阳能与建筑一体化：主要指太阳能的光热利用与建筑有机融合。即在建筑规划初期，就把太阳能产品作为房屋建设的一种元素考虑进去，实现其与建筑的同步设计、同步施工、同步验收和同步后期管理等，从而达到降低建筑能耗的目的。太阳能作为清洁的可再生能源日益被业界所重视。太阳能与建筑一体化，作为太阳能产业的一个新增长点，展现出巨大的市场潜力。住房和城乡建设部有关负责人给记者算了这样一笔账：同样的建筑，如果都使用太阳能热利用系统的话，可以实现建筑节能10至15；太阳能热利用系统进入住宅解决方案，将使建筑能耗降低45左右。对房地产开发商来说，在建设项目中应用太阳能热利用系统，每平方米造价只会增加20元至70元。 我国有丰富的太阳能资源，有三分之二以上的地区年日照时数在2200小时以上。如此充足的光照，使我国大部分地区都具备太阳能与建筑一体化的自然条件。 去年4月，国家发改委出台的推进全国太阳能热利用工作实施方案中指出，我国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。各地也针对太阳能与建筑一体化项目，出台了相应规定和资金补贴政策。云南、山东、深圳等地有关部门规定，新建的12层及以下住宅必须应用太阳能热水系统；对太阳能与建筑一体化应用成效明显、规模较大、配套政策完善的企业将优先支持，并争取国家资金补助。 据了解，我国每年新建建筑面积约有20亿平方米。建筑节能“十五”计划和2010年规划提出，到2015年，全国家庭太阳能热水器普及率要达到20到30。这意味着一个巨大的商机11。目前，我国已有四分之一的太阳能企业进入了太阳能与建筑一体化领域。力诺瑞特、皇明等知名太阳能企业均把太阳能与建筑一体化领域作为今后的重点开拓市场。 “这个市场若想进一步拓展，还有许多问题待解决。”田灵江分析道：现阶段我国太阳能热利用还处在初级阶段，设备的核心技术还有发展空间。太阳能与建筑一体化技术上的不足与空白，需要逐一去解决；其次，我国对于“太阳能建筑”的准确定义还处在研究阶段，太阳能建筑的标准和体系也不健全。而这些都是太阳能利用列入建筑工程设计环节，并作为一个“专业”纳入建筑体系的前提；此外，建筑开发企业作为产品的购买者，对太阳能产品的认识还有待提高。对于进入太阳能与建筑一体化领域的企业，有关专家的建议是不断完善产品，加强与市场、建筑企业、设计师的对接：企业作为太阳能热利用设备的设计者，若想使产品与建筑融为一体，就必须及时从建筑设计单位和建筑企业那里，获取其对设备要求的相关信息。不同建筑，对太阳能产品的性能、外观等均有不同的设计要求，只有根据这些反馈信息不断调整、修正，才能使太阳产品的设计和生产与建筑的使用达到统一。真正成为建筑的一个元素，而不是附加产品。 与此同时，企业作为太阳能热利用设备的生产者，必须生产出安全、节能、质量过关、符合建筑寿命的产品，其中的任何一项都是建筑开发企业决定是否购买的标准。这就要求太阳能企业加大科研力度，提升产品质量。 田灵江说：“太阳能与建筑一体化是多学科、多层面参与和合作的综合性事业，若想拓展该市场，还需要各个环节的共同努力。现在，太阳能与建筑一体化项目还有很多问题需要解决，但可以肯定的是，随着内外部条件的日趋成熟，这个绿色产业前景一片光明。”4.2 光伏建筑一体化的未来发展趋势。目前,太阳能光伏建筑一体化并网发电在国外已经得到电力部门的认可。预计50年后,仅太阳能光伏建筑屋顶并网发电就可提供全世界1/4的电能。国内太阳能光伏建筑一体化发电技术的发展比国外稍晚了点，但是国内太阳能光伏建筑一体化发电技术的发展具有牢固的技术基础，发展比较稳重。总的来说太阳能光伏建筑一体化发电技术的发展趋势主要有以下几点：(1)太阳能光伏建筑一体化并网发电技术更加智能化、多元化，发电成本降低。图4-1 智能化太阳能房屋结构演示图(2)太阳能光伏建筑一体化发电技术与建筑更加美观的融合图4-2 与建筑高度融合的光伏发电系统（3）太阳能一体化建筑标准成为主导光伏建筑设计的标准，而不像现在依附于建筑标准 图4-3 标准化的太阳能建筑（4）太阳能光伏建筑一体化组件由白天发电、美化建筑的原始功能,向夜间发光装饰建筑的多媒体化发展。图4-4 多媒体楼宇结构示意图（5）太阳能光伏建筑一体化组件实现建筑室内透光率的可变性，调节室内的采光。图4-5 可变透光率太阳能建筑实现原理图五.结束语 据统计，现在建筑物消耗的能量大约占总能耗的一半以上，美国提出的目标是新建的建筑物要减少能源消耗50%，并逐步对现有的1500 万座建筑物进行改造，使其减少能耗30%。其中重要的措施之一就是推广光伏与建筑相结合的屋顶并网光伏系统。当然，光伏发电和建筑原来是完全互不相关的两个不同的领域，要将两者结合在一起，还有很多问题需要解决。但是随着科技的进步，太阳能光伏建筑一体化新产品还将不断涌现，光伏系统的