光伏建筑一体化

光伏建筑一体化第一页，共35页。主要内容一、概述二、光伏建筑一体化的优势三、分类四、系统组成五、关键问题分析六、应用案例七、德国光伏建筑的发展及应用八、前景及展望第二页，共35页。一、概述

1991年，德国旭格公司首次提出了“光伏发电与建筑集成化（BuildingIntegratedPhotovoltaic，简称BIPV）”的概念。BIPV直译为“建筑物整合太阳光电系统”，简言之，其主要内容在于“将光电板视为一种建筑构材的空间元素而产生的构筑技术的实践”。相较于将太阳能光伏方阵安装在建筑维护结构外表面来提供电力的传统形式而言，将光电板作为建筑建造的直接材料，与建筑艺术形式及内部空间创造融合起来，是目前光伏建筑一体化发展的新趋势。第三页，共35页。二、光伏建筑一体化的优势从建筑、技术和经济角度来看，光伏建筑一体（BIPV）有诸多优点：节地、节能、节材、减少环境污染。节地——与建筑结合，不额外占用土地；节能——降低空调负荷，产生能源；节材——与建筑一体化，可用作建筑维护结构；保护环境——是一种清洁能源，能减少CO2排放。第四页，共35页。具体而言:（1）光伏阵列安装在建筑的屋顶或墙面上，无需额外用地，对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；（2）一体化的光伏电池板本身就能作为建筑材料，可以减少建筑物的整体造价，节省安装成本，且使建筑外观更具技术和艺术魅力；（3）BIPV系统除保证自身建筑用电外，还可以向电网供电，是一种产能建筑；（4）光伏发电是一种清洁能源，可以减少CO2的排放，对于低碳经济时代“节能减排”的要求更为重要。第五页，共35页。三、分类按照光伏组件和建筑物结合方式，BIPV可分为两大类：一为“结合”，一为“集成”。所谓“结合”是指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；所谓“集成”是指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。从光伏方阵与建筑的结合来看，主要分为屋顶光伏电站和墙面光伏电站的方式。从光伏组件与建筑的集成来讲，主要有光电幕墙、光电采光顶和光电遮阳板等形式。第六页，共35页。光伏屋顶或墙体系统光伏发电与建筑结合的传统形式多采用太阳能光电支架结构，近年来则直接将光伏组件整合在建筑的屋顶及墙体中，形成太阳能瓦和太阳能墙。最著名的光伏瓦屋面是由蓝天组（COOPHIMMELB）设计的德国宝马世界（BMWWelt）屋面。作为建筑的第五立面，宝马世界的屋顶安装了3660块太阳能板，面积约8000平方米，设计功率为810kWp。第七页，共35页。光伏采光顶系统光伏采光顶是将具有发电功效的电池板应用到屋面，除了要满足安全、抗风压、防水和防雷要求，还必须满足屋面采光要求。光伏采光顶需具有一定的透光能力，因此常采用透光性的光伏元件（如薄膜太阳能电池），一般将组件的透光率设计在10%~50%。北京南站是目前最大的应用太阳能屋顶采光系统的单体建筑。第八页，共35页。光伏幕墙系统光伏幕墙与传统玻璃幕墙的构造方式基本相同，兼具采光、遮阳功能，比传统玻璃幕墙更加节能，还是一种产能材料，因此大有取代传统玻璃幕墙的趋势。光伏幕墙有半透明幕墙和不透明幕墙两种，不透明幕墙多采用单晶硅和多晶硅组件，具有较高的发电效率，半透明幕墙多采用非晶硅薄膜电池，其优点是透光率高，价格低，生产方便，缺点是光能利用率较低。我国奥林匹克国家体育馆太阳能电池板约有1000平方米，安装在体育馆屋顶和南面玻璃幕墙上，系统采用的双波带真空层保温电池板，不仅可透光，还可以代替玻璃幕墙成为外立面。第九页，共35页。光伏遮阳系统将光电板作为遮阳构件，是一种一举多得的构造方案：（1）由于光电板安装角度始终与太阳辐射角度垂直，有利于光电板最大限度的接受太阳辐射，提高光电转化效率；（2）将光电板作为遮阳构件，还可以阻挡阳光进入室内，利于控制和调节室内温度，降低建筑物空调负荷，起到节能减排的作用；（3）光电板作为一种新型的建筑遮阳构件，还可以节约遮阳材料，丰富建筑外观。因此，光伏遮阳结构是未来最具发展潜力的光伏应用形式之一。台湾台南县政府立面改造工程在没有影响主体结构的前提下，采用BIPV光电板外遮阳，构成一组通风、遮阳、采光的综合系统。第十页，共35页。三、分类

根据BIPV系统是否与主电网连接又可以分为：并网BIPV系统和独立BIPV系统。并网BIPV系统即将现成的太阳能组件安装在建筑物的屋顶或玻璃外饰幕墙,引出端经过集线箱及并网逆变器等与公共电网相连接,由太阳能电池方阵与电网并联向用户供电,这就组成了并网太阳能发电系统。独立BIPV系统即将组装好的太阳能组件安装在建筑物的屋顶或玻璃外饰幕墙,引出端经过集线箱、控制器等与蓄电池组相连接,用电时由蓄电池组和电源控制器共同作用,通过离网逆变器对用电负载进行供电,不需要连接电网,这就组成了离网太阳能发电系统。第十一页，共35页。第十二页，共35页。四、系统组成

BIPV系统的组成跟传统的光伏电站系统大致相同，包括太阳能光伏组件、光伏逆变装置和系统监控装置，而对于独立BIPV系统还需配置电能储存设备。由于要与建筑构造想融合，因此光伏组件的选型和安装时一大难点。光伏逆变装置是整个BIPV的控制核心，其控制性能的优良程度决定了光伏组件的利用效率。电能储存设备主要在独立BIPV系统中使用，一般采用蓄电池储存，其充放电控制也可通过逆变装置的控制单元实现。系统监控装置通过远程监控、数据传输，持续获得逆变器以及风速、雨、光照、温度等系统数据，随时了解BIPV系统整个发电状态。第十三页，共35页。五、关键问题分析

BIPV是一种独特的光伏发电应用形式，很多传统光伏发电相关技术问题的解决方案大都不能直接用于BIPV系统中。当设计BIPV系统时，应该综合考虑建筑学、社会学等方面的许多问题。BIPV系统中光伏组件的安装、倾角计算、系统性能预测、经济性分析等问题都与传统的光伏发电系统不同，更重要的是，BIPV系统本身还产生了很多新问题，比如光伏电池板的阴影遮蔽问题，通风散热问题和并网问题等等。解决这些问题的基本原则就是平衡发电目标和建筑学设计需要。

第十四页，共35页。光伏组件的选取

与传统的电站型光伏组件不同，BIPV系统的光伏组件应具有发电和建材的双重功能，应在满足建筑物的外观效果的基础上实现光伏发电。光伏方阵在建筑物上可以表现为墙体、屋面、采光顶、雨棚、幕墙、遮阳、阳台、护栏、门窗等多种形式。（1）作为直接构成建筑屋面的光伏组件，除应保障屋面排水畅通外，安装基层还应具有一定的刚度；在空气质量较差的地区，还应设置清洁光伏组件表面的设施。（2）作为建筑物墙面的光伏组件，在低纬度地区安装宜有适当的倾角，支架应与栏板主体结构上的预埋件牢固连接，应满足刚度、强度、防护功能和电气安全要求；应采取保护人身安全的防护措施。（3）作为幕墙的光伏组件，尺寸符合幕墙设计模数，光伏组件表面颜色、质感应协调统一；光伏幕墙的性能应满足所安装幕墙整天物理性能的要求，并应满足建筑节能的要求。第十五页，共35页。阴影遮蔽传统的PV系统中最佳的倾角应该与当地的纬度相同。然而，BIPV系统中由于受到阴影遮蔽和当地气候的严重影响。计算电池板的最佳倾角时，必须充分考虑下列因素。（1）阴影遮蔽因素。BIPV系统由于受到建筑设计的限制和周围建筑物的影响，阴影遮蔽问题十分严重。为了优化倾角，应该在计算倾角的时候忽略平均遮蔽率较大的月份。（2）当地的气候因素。BIPV系统在太阳辐射水平较高的月份的能量产出也许并不高，有时甚至更少。这是因为BIPV系统的发电能力受到温度、降雨等的影响所以，计算时应考虑到气候因素才能得到真正的最优倾角。（3）建筑学设计。由于BIPV系统本身就是建筑物整体的一部分，它的设计必须服从建筑学和美学要求。正因如此，计算而得的最佳倾角也许无法得到应用，通常需要对各种设计进行平衡。所以，BIPV系统中的倾角和朝向问题本质上是一个考虑到阴影遮蔽、气候、美学和建筑学设计的优化问题。第十六页，共35页。散热

太阳能电池板吸收的一部分太阳辐射没有被转换为电能，这部分热量将会使电池的温度升高，而温度升高意味着发电效率的降低。在BIPV系统中，太阳能电池板被用作建筑材料，由于电池板两侧都没有散热渠道，过热问题将会更加严重。正因如此，散热问题一直是制约BIPV系统发展的重要因素之一。为了解决这个问题，可以在电池板背面设计流体通道，通过采用自然或者强制通风/冷却水循环方式带走热量。这样做的另一个好处是被带出的热量可以用来为建筑物提供热水，或者在冬天提供暖气。这类将太阳能光伏发电和热利用综合起来的系统被称为BIPV/T系统。根据循环管道内流体的不同，BIPV/T系统主要分为两类：风冷式和水冷式。第十七页，共35页。

水冷系统的热效率可以达到50%，如果同时考虑发电效率，整个BIPV/T系统的总效率可以达到60%，因此，这类系统很适用于对热水有较大需求的建筑物。但是水冷系统结构更为复杂且要考虑防冻防漏等问题，故造价较为昂贵。与水冷系统相比，风冷系统更加简单且经济。其吸收的热量可以贮存在热井中，以便冬天供暖使用。风冷式BIPV/T系统的效率更多的依赖于通风管道的形状和设计，一般其效率低于水冷式系统。将通风道设计为粗糙面可以提高30%的吸热能力，若在通风道内加入褶皱板，则吸热能力可以提高4倍。BIPV/T系统的另一个优势是，该系统将建筑物外表面的大量热量带走，从而极大的降低了建筑物的空调制冷负荷，改善了室内热环境。当然，增加通风或者水循环管道需要一定的投入。第十八页，共35页。并网截至2009年，独立型PV系统的装机容量只占全球PV系统装机总量的5.5%。因此，并网型BIPV系统是未来的主要发展趋势。与独立的BIPV系统相比，并网系统无需体积庞大且昂贵的储能设备，因此，降低了电池的初始投资以及维护和更换费用。更重要的是，并网系统可以降低建筑物的高峰负荷，同时避免了独立系统中的孤岛效应。但是，并网也会带来很多技术问题。其中较为重要的一个是对BIPV系统的性能进行准确分析并制定控制策略。另外一个重要的研究领域是BIPV系统对电网的影响，包括对上级电网可靠性、谐波等方面影响，这些是电力公司考虑是否允许BIPV系统并网的关键因素。为了将BIPV系统并网，还需要安装智能电表以便实现电能的买入和卖出。在我国要实现这点还需要很多的努力。第十九页，共35页。性能评价和预报体系

对太阳能电池组件在真实环境下的性能分析有助于定量分析系统的性能，确认系统当前运行方式是否正确;；有助于从现有的组件中选出性能最优的组件，这对增加BIPV系统的可靠性、缩短经济回报周期十分重要。为了观测BIPV系统的长期运行特点并对其性能进行评价，需要可靠的监测系统和精确的测量设备。而预报系统的准确性很大程度上依赖于BIPV系统模型和当地气候数据库的精确性。因此，有必要研究全新的、更加准确的、且能适应各种特定环境情况的太阳能发电系统出力仿真预测工具，并建立强大的数据库。目前，对BIPV系统进行分析常用的软件主要有Autodesk公司开发的ECOTECH和美国国家可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLab，NREL)开发的SolarAdvisorModel(SAM)软件。第二十页，共35页。经济性分析

对BIPV系统进行经济性分析是预测投资风险、指导BIPV产业发展的重要依据，同时还可以为政府制定相关产业扶持政策提供参考。尽管由于太阳能组件本身的成本下降和设计的优化，BIPV系统的制造成本近年来不断降低，但是，如果没有政府的优惠政策，BIPV系统的投资回报期依然较长。对BIPV系统的经济性分析，不应该仅仅局限于系统的传统市场价值，应该综合考虑其全寿命周期的常规市场价值，外部价值和潜在市场价值。所谓外部价值是指由于应用BIPV系统而带来的节能减排效应，潜在市场价值主要受到传统化石燃料涨价、政府政策和公众环保意识等的影响。在分析BIPV系统时应该采用综合能源分析、全寿命周期评价等经济性分析方法。而对BIPV系统潜在价值和外部价值的评价标准方法及计算模型仍有待进一步的研究。第二十一页，共35页。六、应用案例上海世博会中国馆60.6米观景平台四周挑檐的中央部位采用双面透光中空双玻单晶硅组件，每边88块，共352块，铺设面积约1000平方米，安装结构按玻璃幕墙结构设置。世博太阳能工程光伏发电系统规划安装总容量约3.127MW，其中中国馆装机容量0.302MW，主题馆装机容量2.825MW。中国馆太阳能光伏建筑一体化效果图第二十二页，共35页。

主题馆太阳能光伏建筑一体化效果图第二十三页，共35页。第二十四页，共35页。第二十五页，共35页。德国奥迪物流中心400m²16.4KW非晶硅光电幕墙第二十六页，共35页。日本Sanyo

太阳光电公司运用简单的建筑意象设计，以圣经上的「诺亚方舟」神话，完美的表达太阳光电于能源秏竭危机中所扮演的任务及角色。第二十七页，共35页。为了迎接2006年世界杯，改建的柏林火车站，光电屋顶做在两个弧形部分，深色部分就是光电池。总面积3311平方米，总装机容量325kwp第二十八页，共35页。柏林火车站内部效果，光伏发电与自然采光融合一体第二十九页，共35页。七、德国光伏建筑的发展及应用任何产业的发展都离不开国家政策的扶持。从发达国家光伏建筑产业的发展来看，国家政策起到了巨大的推动作用。德国在世界太阳能光伏技术及光伏建筑一体化应用方面保持着全球领先的地位，了解它的发展及应用，对我国光伏建筑产业一体化的发展和应用具有借鉴意义。第三十页，共35页。德国光伏产业发展概况德国对太阳能光伏发电的利用可追溯到1970年代，1974年石油危机以来，太阳能光电技术的研究和应用被紧迫地提上日程。1999年随着“十万太阳能屋顶计划”的启动，德国太阳能光伏发电技术得到了快速发展。2004年德国颁布了新的可再生能源法，自此，德国光伏市场更是迅猛发展，迈上了一个新台阶。在全球，大约25%的太阳能电池板和40%的太阳能转换整流器是德国制造的。德国还是太阳能光伏系统应用的最大市场，2007年世界太阳能新装容量达2.8GWp，其中，德国占47%，西班牙占23%，日本约占8%，美国约占8%。第三十一页，共35页。德国发展光伏建筑的资源条件德国虽然是世界光伏发电应用的最大市场，但其发展光伏建筑的自然资源条件相对世界许多国家却并不理想。德国年平均光照时间为1528个h，不到棕白昼时间的1/3，光照时间和伦敦差不多，比意大利佛罗伦萨少1/3，是我国拉萨的1/2。这样的光照条件使得德国太阳能系统的效率相对较低，也使其光伏建筑发展领域的增长更为显著。虽然日照条件并不理想，德国社会仍十分倾向于使用太阳能，德国普通民众在利用太阳能方面有自己的理念，“我们不在乎从太阳里面拿到太多，我们拿到我们该拿的就可以了”。德国人完全是以一种环保的理念——我们利用太阳能发电不会减少什么