欧洲光伏与建筑结合

1、欧洲光伏与建筑结合摘要：本文是太阳能光伏建筑考察团访问德国和荷兰的考察报告，它简略记述了德国和荷兰光伏建筑的技术情况和政策法规点滴。德国和荷兰的经验表明，太阳能建筑， 特别是太阳光伏发电系统与建筑结合的发展，需要政策的扶持和政府的推动。关键词： 太阳能光伏建筑太阳电池可再生能源节能0 引言2004 年 3 月 21 日至4 月 4 日，由国家科技部组团赴欧洲进行为期半个月的BIPV（Building Integrated PV ）考察，即光伏与建筑结合的考察。走访了德国和荷兰2 个国家，共 7 个公司， 10 个光伏与建筑结合的项目以及相关的政府机构。现将考察的部分情况介绍如下：1欧洲发展可再

2、生能源发电的目的和目标欧洲议会为了保证达到“京都议定书 ”的要求，到2010 年减排 21%的温室气体和将可再生能源占总能耗的比例翻番的目标，制定了 “可再生能源电力促进导则”。导则的重要目标是到 2010 年，可再生能源将在欧洲范围内占到总能耗的12%，可再生能源电力将占到总发电量的 22%。表 1 列出了欧洲各国的发展情况和发展计划。除了环境因素， 欧洲发展可再生能源的另一个重要原因就是能源安全和可靠供给。当前欧共体的能源进口量是50%，如果不大力发展可再生能源，到2010 年进口能源比例将达到60%， 2020 年将达到70%。欧洲各国中德国是推动可再生能源发电的中坚力量，德国的目标是到

3、2010 年可再生能源占总能耗的12.5%，到 2050 年这一比例将达到50%。19992003 年实施的总量为300MWp的 100 000 光伏屋顶计划就是明证，德国100 000 屋顶计划大大推动了BIPV 的发展。2为什么要发展BIPV1）建筑能耗大约占各国总能耗的2）光伏与建筑结合构件可就地安装，50% ，光伏与建筑结合可以有效地减少建筑能耗；就地发电， 就地上网， 不需要另外架设输电线路；3）光伏与建筑结合部件，安装在屋顶或屋面上，不需要额外占地，节省了土地资源；4）光伏发电没有噪声，没有废弃物排放，不消耗任何燃料，也不需要水，安装在城市和居民的屋顶上，不会给人们的生活带来任何不

4、便，所有的人都能够接受它。3 BIPV 与建筑结合的几种安装形式4 BIPV 的专用太阳电池组件太阳电池与建筑相结合不同于单独的发电装置，它作为建筑的一部分，除了发电， 还要考虑其它的功能：1）使室内与室外隔离；防雨；抗风；隔热；隔噪音；遮阳；美观；2）能够作为建筑材料供建筑设计师选择。为了能够与建筑结合和方便安装，要么是将太阳电池制作成太阳电池瓦；要么是制作专用托架或导轨， 可以方便地将普通太阳电池安装在其上； 为了便于安装， 与建筑结合的太阳电池常常制作成无边框组件， 而且接线盒一般安装在组件侧面， 而不是像普通组件那样安装在背面。太阳电池还可以与各种不同的玻璃结合制作成特殊的玻璃幕墙或天

5、窗， 如：隔热玻璃组件；防紫外线玻璃组件；隔音玻璃组件；夹层或夹丝安全玻璃组件；防盗或防弹玻璃组件；防火组件等等。5 BIPV 对太阳电池提出了一些特殊要求5.1 颜色的要求当太阳电池作为南立面的幕墙或天窗时，就会对太阳电池的颜色和反光性提出要求。德国和荷兰一些已经建成的BIPV 系统采用具有不均匀反光的多晶硅太阳电池组件做幕墙或是安装在人们视角之内的大坡度屋顶上，光照时电池板的反光很刺眼，造成光污染。 对于晶体硅电池， 可以用腐蚀绒面的办法将其表面变成黑色，安装在斜屋顶或南立面墙，不仅显得庄重，而且基本不反光， 没有光污染的问题。 也可以在蒸镀减反射膜的时候加入一些微量元素，来改变太阳电池表

6、面的颜色，可以变成黄色、粉红色、淡绿色等多种颜色。对于非晶硅太阳电池，其本色已经同茶色玻璃的颜色一样，很适合做玻璃幕墙和天窗玻璃。5.2 透光的要求当太阳电池用作天窗、遮阳板和幕墙时，对于它的透光性就有了一定的要求。一般来讲， 晶体硅太阳电池本身是不透光的，当需要透光时， 只能将组件用双层玻璃封装，通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。由于电池片本身不透光，作为玻璃幕墙或天窗时其投影呈现不均匀的斑状。晶体硅太阳电池也可以做成透光型，即在晶体硅太阳电池上打上很多细小的孔，但是制作工艺复杂，成本昂贵，目前还没有达到商业化的程度。非晶硅太阳电池可以制作成与茶色玻璃一样的效果，透光效果好， 投影也十分

7、均匀柔和。如果是将太阳电池用作玻璃幕墙和天窗，选非晶硅太阳电池更为适合。图 6 表现出晶体硅和非晶硅作太阳电池幕墙的不同效果。5.3 尺寸和形状的要求因为太阳电池要与建筑结合，在一些特殊应用场合会对太阳电池组件的形状提出要求，不再只是常规的方形。如圆形屋顶要求太阳电池呈圆带状，带有斜边的建筑要求太阳电池组件也要有斜边， 拱形屋顶要求太阳电池组件能够有一定的弯曲度等等。因此， 这对太阳电池生产厂家提出了更多的制作要求。6开展 BIPV 应当注意的一些问题德国虽然已经完成了10 万光伏屋顶计划，全国光伏建筑的累计安装量已经超过400MWp （是我国太阳电池累计安装量的8 倍），取得了丰富的经验，但

8、也发现了不少的问题。德国大多数光伏建筑都是由专业建筑师设计的，在外观上，在建筑功能上，以及在透光性和与建筑和谐一致上的确设计得无可挑剔。但是这些建筑师也忽略了或者说不了解太阳电池的发电特性， 如太阳电池的朝向、遮挡和温升等问题，这些在我国以后的设计中应该引起重视。6.1 太阳电池安装的朝向太阳电池与建筑相结合有时不能自由选择安装的朝向，不同朝向的太阳电池发电量是不同的，不能按照常规方法进行发电量计算。可以根据图7 对不同朝向太阳电池的发电量进行基本估计不同朝向安装的太阳电池的发电量：假定向南倾斜纬度角安装的太阳电池发电量为100；其它朝向全年发电量均有不同程度的减少6.2 太阳电池的遮挡太阳电

9、池与建筑相结合，有时也不可避免地会受到遮挡。遮挡对于晶体硅太阳电池的发电量影响很大，对于非晶硅的影响会小得多。一块晶体硅太阳电池组件被遮挡了1/10 的面积，功率损失将达到 50%；而非晶硅受到同样的遮挡，功率损失只有 10%。因此，如果太阳电池不可避免会被遮挡，应当尽量选用非晶硅太阳电池。6.3 太阳电池的温升和通风太阳电池与建筑相结合还应当注意太阳电池的通风设计，以避免太阳电池温度过高造成发电效率降低（晶体硅太阳电池的结温超过25时，每升高一度功率损失大约4 ）。太阳电池的温升与安装位置和通风情况有关，德国太阳能学会就此种情况专门进行了测试，表3给出不同安装方式和不同通风条件下太阳电池的实

10、测温升情况。7 BIPV 的电气连接方式德国和荷兰的光伏屋顶计划大多数是安装在居民建筑上的分散系统，功率一般为1KWp50KWp 不等。由于光伏发电补偿电价不同于用户的用电电价，所以采用双表制，一块表记录太阳电池馈入电网的电量，另一块表记录用户的用电量。也有一些功率很大的系统，如德国慕尼黑展览中心屋顶2MWp的 BIPV系统和柏林火车站200KWp的系统。对于小系统，一般只用一台并网逆变器，对于大系统，一般采用多台逆变器。柏林火车站200KWp的 BIPV系统分为12 个太阳电池方阵，每个方阵由60 块300W 的太阳电池组件构成，每个方阵连接一台15KV A 的逆变器，分别并网发电。慕尼黑2

11、MWp 的 BIPV 项目则不同， 2MWp 由 2 个 1MWp 的系统分一期、二期建成。每个1MWp的系统采用公共直流母线，3 台 300KV A 的逆变器按照主从方式工作，当光强较弱时只有一台逆变器工作， 阳光最强时三台逆变器都工作，这样就使逆变器工作在高负荷状态，具有更高的转换效率 .8其它除了 BIPV 项目，考察团还在荷兰和德国考察了几处包含BIPV 的节能建筑。 荷兰的 “零能耗 ”、 “零排放 ”的 “双零 ”建筑更为典型，“零能耗 ”意味着建筑的用电、采暖、炊事、空调以及水循环系统等所有能源全部自给，“零排放 ”意味着没有任何温室气体排放.建筑物采用了光伏发电、太阳热水系统、

12、 自然水循环和过滤系统、地源热泵空调采暖系统以及节能建筑材料等多项新技术。光伏发电与多种节能和新能源等新技术的结合是未来的发展方向。9德国鼓励BIPV 的政策法规和10 万光伏屋顶计划法律条款对于光伏发电的发展将起到关键性的作用，德国10 万屋顶计划是一个最好的例子。该项目自1999 年开始实施，2003 年结束，2000年德国颁布可再生能源法，2001 年光伏发电在德国国内的安装量达到 2000 年的 230% 。德国政府认为可再生能源法和 10 万屋顶计划已经取得了完全彻底的成功。德国可再生能源法和 10 万屋顶计划的主要内容和取得的成就介绍如下：2000 年颁布的可再生能源法关于光伏的主

13、要内容包括，电网公司有义务收购可再生能源所发的电，并支付上网补偿电价：在固定的时间范围内，享受固定的上网电价（新建光伏发电的上网电价每年递减（PV: 5%/a）； 2000 年 4 月颁布实施；成本均摊规电价的部分在全国范围的4 个电力公司均摊；PV 最初的上网电价是20 年）；高于常50.6 Cent / kWh, 2003 年下降到45.7 Cent / kWh ；德国可再生能源法在2004 年又进行了修订， 对于不同的建筑或安装形式进行了区分。与 “可再生能源法 ”相配套的还有银行贴息贷款的政策和自愿认购绿电的政策。KfW （德国开发银行）对于安装光伏系统的贷款支持: 国家补贴的长期低息

14、贷款；贷款期： 10， 12， 15， 20 甚至 30 年，头 2， 3 年 或 5 年不用偿还；固定利率至少10 年不变；允许与其它带有补贴性质的项目相结合（但不能超过总的投资额度）。德国还有其它有补贴性质的项目，仅以KfW 的几个项目为例。KfW10 万屋顶计划：PV 与建筑相结合；贷款利率1.9 % ； 19992003 非常成功（可以完全偿还）， 共完成345 MWp 65， 000 套（大部分私人住宅） 。KfW CO2 减排项目： PV 安装在居民住宅上； 贷款利率 2.7% 4.2% ；贷款允许100 % 投资额度。KfW 环境保护项目： PV 安装在非居民住宅 （商业或工业建

15、筑） ；贷款利率4.4 % 4.9 % ；贷款额度为投资额的75%，与其它环保或节能项目结合，也可以拿到100%的贷款额度。所谓 “购买绿电 ”政策是指由国民自愿购买绿色电力，绿色电力比常规电力（依地区不同大约每度电510欧分）多23 欧分，电力公司将销售绿电的收益用于购买高价绿色电力（每度电大约德国45.750.6 欧分）。10 万光伏屋顶计划完全成功的表现：1）不仅仅依赖于国家财政的促进机制；2）绿电收入购买高价绿电；3） 10 万屋顶计划得到顺利实施；4）光伏系统大量安装，数量超过预期的300MWp （实际安装345MWp ）；5）利用价格调整，促使光伏真正按照市场规律进行推广；6）银行

16、的贷款已经全部收回；7）数以千计的可再生能源就业机会；8）光伏系统价格从1999 到 2000 年下降了8 %，而且在此后数年中持续下降；9）类似的机制已经在其它国家开始执行。有了这样的法律，安装光伏发电的用户可以通过销售绿色电力获得收益；银行的贷款可以如数回收； 光伏生产厂家通过销售太阳电池赚钱；政府达到了推行清洁能源的目的；电力公司通过销售绿电购买绿电，经济上不亏损（取之于民用之于民），还完成了减排义务；政府通过媒体的广泛宣传，那些自愿购买绿色电力的人知道自己是为保护环境和能源的可持续发展在做贡献。 结果是所有的人都高兴，尽管 10 万屋顶计划已经在2003 年结束， 但德国光伏屋顶的建设

17、却没有因此而停顿，图 10 是德国光伏屋顶建设的发展情况（包括对2004 年的预测）：10结束语在德国和荷兰考察了14 天，虽然只是看了一些皮毛，但是也不难得出下列结论：1） 政策法规是纲，光伏建筑和可再生能源的发展是目，“纲举目张 ”；2） BIPV 可以建造得具有很高的质量；3） BIPV 的能量回收期比单独安装要短，因为部分建筑材料被取代了；4） BIPV 应当从建筑设计就开始考虑；5） 除了考虑 BIPV 的建筑特性，还要考虑发电量的影响因素：朝向、遮挡和太阳电池的通风；6） 当前的光伏建筑构件的成本还太高，平均比普通太阳电池组件的价格高2.5 倍，还有很大的降价空间；7）BIPV的专

18、业化很重要，大部分荷兰和德国的BIPV项目是由建筑师设计的（今后要避免不顾及发电量的缺点） ；荷兰采用的光伏瓦是由建筑材料公司 Lafarge 生产的；德国的非晶硅玻璃幕墙是由世界第三大玻璃公司 Schoot 开发生产的；德国的 BIPV 项目的安装工作是由电力公司下属的电力安装公司完成的， BIPV 安装导则也是由电力公司制定的；8） BIPV 还有很大的设计空间，有潜力比现在做的更好；9）光伏与其它可再生能源结合的零能源和零排放建筑是今后的发展方向。出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者