光伏发电技术在建筑中的应用

1、光伏发电技术在建筑中的应用摘要：从当今的能源形势出发，介绍了光伏发电的国内外研究现状；阐述了光复建筑一体化的定义，光伏系统和建筑结合形式；给出了光伏建筑一体化项目实际应用简介。关键词：光伏建筑一体化；太阳能发电；可再生能源；节能1 当今的能源形势随着现代社会对能源的需求增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源越来越少，而且发电过程煤炭的燃烧、石油产生的废气和废物都严重污染自然环境，对人类的健康和生活造成很大的危害。世界各国都竞相开展清洁可再生能源的利用和开发工作，而在可再生能源发电系统中，目前，比较成熟的技术主要有风力发电、光伏发电和地热能发电等几种形式，尤以风力发电和太阳能光伏发电的发展最为迅猛

2、。由于太阳能、风能的随机性和波动性，以风能、太阳能为动力的可再生能源系统的集成与控制面临着极大的挑战，世界很多国家都加大了相关基础科学研究的经费投入力度，以推动可再生能源发电系统的大规模应用。建筑能耗是能源消费构成的重要部分，占相当大的比重，在发达国家已占到能源消费总量的35%-40%，在我国也已经占到能源消费总量的25%以上。因此在我国的建筑领域中，一方面狠抓节约能源提高能源使用效率、另一方面也应大力提倡新能源和可再生能源的利用，节约资源保护生态环境，贯彻经济社会可持续发展战略1。2 光伏发电现状当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，针对其制定规划，增加投入、并加以大力发展。2

3、0世纪80年代以来，即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术产业也一直保持以10%-20%的递增发展速度。90年代后期，其发展更为迅速，并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。近几年国际上光伏发电快速发展，2007年全球太阳能新装容量达2826 MW，其中德国约占47%，西班牙约占23%，日本约占8%，美国约占8%。2007年，在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。除此之外，太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元，使得该产业规模不断扩大。2008年全球光伏市场增至5.5 GW，其中，按地区排名西班牙名列首位，德国第二。2008年，全球太阳能安

4、装总量已累计达15 GW，西班牙新装量为2.5 GW，约占2008年新增安装量的一半。虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3-5年后，将太阳电池系统的价格降至目前的一半左右。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。2007年我国太阳电池产量达到821MW，占世界总产量3733M

5、W的22%，居世界第二位。2007年我国太阳电池的产量比2006年的369.5MW增加了451MW，增幅高达1.22倍。图1为2002-2009年中国光伏发电装机容量统计，光伏发电已经进入高速发展时期，光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到250MW，2020年累计装机容量将达到1600MW。图1 2002-2009年中国光伏发电装机容量统计3 光伏建筑一体化随着太阳能技术的发展，现在能够把太阳电池板和建筑进行比较好的结合，使得太阳能光伏发电得到更广阔的发展空间，“光伏发电与建筑物集成化”(Building-integrated pho

6、tovoltaics，BIPV)的概念在1991年被正式提出。光伏建筑一体化（BIPV）是利用现有建筑或拟建建筑项目，将光伏发电系统应用到建筑中，利用建筑屋顶或墙面等条件满足光伏系统发电，从而实现建筑的环保和清洁能源的产生；光伏系统与建筑结合的综合系统设计需满足相关建筑结构安全、建筑电气安全及建筑节能的要求，同时亦需满足建筑美学的要求。BIPV系统按照光伏系统和建筑结合形式主要可以分为：(1)光伏屋顶结构(PV-ROOF)，如图2。在整个BIPV中，太阳能屋顶发电占3/4。这主要是因为屋顶有更多受光面积，方便太阳电池组件的安装；(2)光伏幕墙结构(PV-WALL)。现代高层建筑，几乎都是被玻璃

7、幕墙，或者铝塑幕墙所包裹，所以用太阳能幕墙代替原来的幕墙已经成为BIPV的一道亮丽的风景线。BIPV系统一般由光伏阵列(太阳电池组件)、墙面或屋顶和冷却空气通道、支架等组成。对于一个完整的BIPV系统，还应该有另外一些设备负载、蓄电池、逆变器、系统控制等。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。当一个BIPV系统参与并网时，可以不需要蓄电池，但需要与电网联入装置，而并网发电是当今光伏应用的新趋势。将光伏组件安装在住房或建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器及逆变器与公共电网相连接，由光伏方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。由于其全部或基本不用蓄电池，造

8、价大大降低，并且除了发电以外还具有调峰、环保和代替某些建材的功能，因而是光伏发电步入商业应用并逐步发展成为基本电源之一的重要方式2。图2光伏建筑一体化系统图4 光伏建筑一体化的应用从屋顶光伏到建筑集成，光伏组件成为一种新型的建筑材料，在国内外有很多光伏建筑一体化很好的示范项目。1)Academy Mint-Cerne(德国)超过1MW的太阳电池与建筑物的屋顶和外墙相结合,要既能够遮挡一部分阳光，又能让一部分阳光射入建筑物内部是一个较难解决的问题。德国的设计师们愉到好处地应用了一种巧妙的方法：他们将不同透明度的太阳电池安装于双面玻璃之间，并且在电池片与电池片之间留出一定的空隙。面积9800m2光

9、伏屋顶是由 2900块光伏组件集成的。另外的284块组件(面积大约800 m2)集成于建筑物的西南外墙上。单晶和多晶太阳电池的转换效率分别是16%和 12.5%。400kW高效率的单晶硅太阳电池，在有充足阳光的时候每小时可以产生1MWh的能量。人可以在光伏集成的屋顶上行走以进行维修。2)Solar ark(日本)日本三洋(Sanyo)公司建成的Solar ark(太阳方舟)是世界上最著名的光伏建筑物之一。太阳方舟全长325mm，最高位置(两边)高37.1m，中央高31.6m，底部宽4.3m。质量3000t。方舟由5046块平板太阳电池组件组成，最大功率630kW，年发电量5.3 kw/h，预计

10、每年可以减排95tCO2，方舟可以抵抗34m/s的风速和7级的地震。方舟使用的是单晶硅太阳电池组件，每块重15kg，长宽厚分别是320mm、895mm、35mm。用了不得个额定功率为300kW的功率调节装置，其输入电压是270V的直流电，输出电压是440V的交流电。图3 Solar ark(日本)3）台湾太阳能体育场日本建筑师伊东丰雄设计的台湾高雄市太阳能体育场。体育场有55000个观众席，造价为1.5亿美元。体育场的表面由8844块太阳能电池板覆盖，这些电池板面积有14155平方米，这使它成为世界上最大的太阳能体育场。它能产生1.14千兆瓦每小时的电力，足够供给周围80%居民的用电量。图4

11、台湾高雄市太阳能体育场4）江苏无锡尚德电力总部办公大楼整个办公大楼使用光伏玻璃幕墙等太阳能光伏建筑一体化材料，通过光电效应将太阳转换为电能，直接为大楼提供绿色环保的太阳能电力。整个工程设计容量为1兆瓦，预计全年发电量将超过100万kWh。幕墙总面积约1.8万平方米，PV 幕墙面积6900平方米，为目前全球最大的光电幕墙。从主动节能的角度看，整个建筑以最低使用寿命70年计算，共可产生电量3892万 kWh，预计每年可以替代标准煤338吨，减排二氧化碳605吨，70年共可替代标准煤23660吨，主动节能的效果十分显著。图5 无锡尚德电力总部办公大楼幕墙总面积约1.8万平方米，PV 幕墙面积6900平方米，为目前全球最大的光电幕墙。从主动节能的角度看，整个建筑以最低使用寿命70年计算，共可产生电量3892万 kWh，预计每年可以替代标准煤338吨，减排二氧化碳605吨，70年共可替代标准煤23660吨，主动节能的效果十分显著。5 结论随着世界能源日趋紧张，可再生能源应用已成为全世界面临的重大课题。太阳能