太阳能光伏建筑一体化及应用与发展前景

题目_太阳能光伏建筑一体化及应用与开展前景学院___________________________专业__光伏材料加工与应用______________________姓名________学号____指导老师______职称__教师_____________2023年04月目录1引言12光伏与建筑相结合的历史22.1光伏建筑的市场潜力22.2光伏建筑的现状22.3光伏建筑的市场前景23太阳能光伏发电33.1太阳能热发电33.2太阳能光伏发电64建筑一体化74.1太阳电池原理74.2光伏发电系统74.3BIPV建筑一体化84.4为什么要光伏与建筑一体化〔BIPV〕？124.5光伏建筑一体化主要安装类型125光伏建筑一体化的优点135.1绿色能源135.2不占用土地135.3起到建筑节能作用136BIPV建筑设计中需要注意到几个问题146.1光伏组件的力学性能146.2建筑的美学要求146.3.建筑结构域光伏组件点穴性能的配合156.4建筑采光的要求156.5光伏组件安装方便的要求156.6光伏系统寿命问题157太阳能建筑一体化的定义与原那么177.1太阳能建筑一体化的定义177.2太阳能建筑一体化的原那么178我国光伏建筑一体化的开展前景199结论2010参考文献2111致谢22【摘要】随着世界能源危机的日益显现，节能建筑是世界建筑开展的趋向，洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用时未来建筑师设计的重要内容。其中，节能代表太阳能应用最锋利、最有潜力的光伏发电时节能建筑的主角。联合国能源机构的调查报告显示，太阳能光伏建筑一体化将是21世纪最重要的新兴产业之一。太阳能光伏发电与建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念，在建筑为维护结构外表铺设光伏阵列提供发电。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的期待的一项技术.本文给出了光伏建筑一体化(BIPV)的定议，分析了BIPV与BAPV的区别。关键词：光伏建筑一体化设计；BIPV的定议；BIPV设计中的问题【Abstract】Withtheemergingworldenergycrisis,energy-efficientbuildingsistheworldtrendofarchitecturaldevelopment,cleanenergy,particularlysolarenergyrationalandefficientuseoftimeanimportantpartoffuturearchitects.Amongthem,themostintensesolarenergyonbehalfof,themostpromisingphotovoltaicenergyefficientbuildingswhentheprotagonist.UnitedEnergyAgencysurvey,buildingintegratedsolarphotovoltaicwillbethe21stcentury'smostimportantemergingindustries.AndbuildingintegratedsolarphotovoltaicsolarpoweristheapplicationofanewconceptinbuildingthestructureforthemaintenanceofthePVarraytoprovidepowerlayoutside.Canbesaidofmanyrenewableenergytechnologies,PVisthemostenvironmentallyfriendlygreenisthemostanticipatedvalueofatechnology.Inthispaper,buildingintegratedphotovoltaic(BIPV)inthesetproposed,analyzedthedifferencebetweenBIPVandBAPV.Keywords:solarenergy;SolarBIPV;solarphotovoltaicpowergenerationsystem;wall引言如果说20世纪是快速开展的机械文明的增长和资源掠夺的时代的话，那么21世纪就是享受与自然和谐文明的时代，我们希望大家充分认识到，如果不与身边的环境和谐的生活，地球的环境得不到保护的话，所产生的危机那么是人类所共有的问题。随着石化能源的逐渐枯竭，自然环境的恶化，人们越来越重视太阳能、风能等可再生能源的利用。光伏建筑一体化建筑是光伏应用形式中最接近人类生活的一种，其效果的好坏将直接影响到人们对光伏产品的映像。2光伏与建筑相结合的历史2.1光伏建筑的市场潜力由于光伏与建筑相结合有着巨大的市场潜力，各国很早就开始了相关研究开发。早在1979年，美国太阳联合设计公司〔SDA〕在能源部的支持下研制出了面积为0.9m*1.8m的大型光伏组件，建造了户用屋顶光伏实验系统，并于1980年在该厂建造了有名的“Carlislehouse〞,屋顶安装了7.5KW的光伏方阵，并结合被动太阳房及太阳能集热器，除了供电外，还可提供热水和制冷。2.2光伏建筑的现状20多年前，日本三泽电气公司研制出了瓦片形状的非晶硅太阳电池组件，每块能输出2.7W，但由于价格太贵性能也不太稳定，未能推广应用。后来世界各国经过开发改良，陆续推出了多种形式的BIPV热。美国ＵＮＩＴＥＤＳＯＬＡＲ公司研制开发了以不锈钢为衬底的可以弯曲的非晶硅电池组件，可以作为屋顶材料使用。日本三洋公司也推出了一种美观小巧的屋顶光伏组件，到１９９７年就已经安装了数兆瓦，Ｓaint-gobaix公司的BIPV产品已在很多地方推广应用，其中包括安装在德国巴伐利亚州银行大楼的太阳能遮阳板，德国ＨＵＫ保险公司的大型光伏双层玻璃屋顶，以及丹麦的ＫＯＬＤＩＮＧ用梯形光伏组件构成的“屋顶舞台“。瑞士联邦银行新建大楼的屋顶上安装了１００ＫＷ光伏方阵。外墙安装了８２ＫＷ的光伏与建筑一体化的材料，形成了建筑物的〞绿色外观“，每瓦光伏系统的安装本钱小于６美元，全部光伏系统的费用还不到建筑物造价的百分之一，纽约第四时代广场百老汇和４２大街转角处的４８层摩天大楼建于２０世纪９０年代，其３５－４８层外墙覆盖了非晶硅太阳电池组件，所发电力供给大楼内一些房间使用。2.3光伏建筑的市场前景当然光伏发电和建筑原来是完全互不相关的技术领域，要将两者结合在一起，有很多问题需要逐步解决，但是随着科技的进步，ＢＩＰＶ新产品还将不断涌现，光伏系统的大规模应用，将促进其价格的进一步下降，光伏发电与建筑相结合将成为光伏应用最重要的领域之一。也将为越来越多的建筑师所接受并实际应用，庞大的建筑市场与蓬勃开展的光伏发电相结合的ＢＩＰＶ，使光伏系统的应用由偏远农村地区进入城市的重要标志，有着广泛的开展前景。3太阳能光伏发电阐述了当前太阳能热发电系统和太阳能光伏发电系统的结构、原理和特点。同时对太阳能发电的现状和开展进行了介绍。关键词：太阳能热发电太阳能光伏发电槽式碟式塔式光伏20世纪以来，随着社会经济的开展和生活水平的提高，使人们对能源的需求量不断增长。同时由于化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注，因此从资源、环境、社会开展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。太阳能发电的主要优点在于：太阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。现在只要将屋顶上排满太阳能电池，就可以实现家中用电的自给。现今太阳能的主要用途已不再是小规模的，从性质上来说，是专业化的。它参军事领域、通信领域到城市建设领域等都起到了重大的作用。委内瑞拉还推出廉价太阳能车、欧洲科学家研制出轻便的可穿在身上的太阳能电池。目前,太阳能的利用存在着巨大的开展空间，有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多兴旺国家作为其能源战略的一个重要组成局部。在新能源和可再生能源家族中，太阳能是最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。太阳能是一种清洁能源，这对于当前人类对环境污染的重视尤为重要。太阳能还属于无限的能源。据专家预测，太阳的寿命有600亿年，而地球的寿命只有50亿年，因此太阳能相对于我们人类来说是无限的。而且它也不受任何人的控制和垄断。这些优点都是常规能源所无法比较的。当然太阳能也有缺乏的地方，比方太阳辐射的强度受到气候、昼夜、纬度、季节、海拔的影响，往往需要配备储能设备。又如它的能流密度低，实际利用时需要较大的太阳能收集装置，占地面积大，投资大。这些因素也都制约了太阳能的利用。到本世纪以来，随着新材料的应用、电子技术等高科技的高速开展，为太阳能的有效利用提供了条件。人们将太阳能辐射通过收集和转换变为可直接利用的能源，使太阳能的利用得到相当大的开展。其中利用太阳能发电就是对太阳能最好的利用。目前太阳能发电有两种方法。一种是将太阳能转换为热能，然后按常规方式发电，称为太阳能热发电。另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳能直接转换为电能，称为太阳能光伏发电。3.1太阳能热发电1、太阳能热发电系统太阳能热发电也叫做太阳能聚光发电，是将太阳辐射从面积上浓缩产生高温发电的装置。由于太阳光聚集后可以产生高温，因此该技术用于与热发电机相连来构成发电系统。太阳能聚光技术最早可以追溯到140年前(D.Mills,2003),Mouchot和Pifre于1882年在法国所做的研究工作。其后，在1888年Ericsson，1901年Eneas，1913年Shuman和1968年Francia在该方面也进行了大量的研究工作。最值得一提的是在上世纪80年代，由于70年代的石油危机，太阳能热发电得到了重视，一批大规模的太阳聚光器在世界各国安装。如发电总功率354MW的槽式太阳能热电站在美国加洲建成，在十几年间已经发电超过5000GWh。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为〔1〕太阳能槽式发电；〔2〕太阳能碟式发电；〔3〕太阳能塔式发电；〔1〕太阳能槽式发电槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。为了保证发电的稳定性，通常在发电系统中参加化石燃料发电机。当太阳光不稳定的时候，化石燃料发电机补充发电，来保证发电的稳定性和实用性。一些国家已经建立起示范装置，对槽式发电技术进行深入的研究。到2000年，随着先进技术和设计的提出，减少了槽式发电在热收集方面的损耗和电的寄生效应，使槽式发电得到了较大的提高。可使一个80MW的发电站的光电转换效率到达12.9。当前，随着热能存储设备的参加，可使槽式发电的效率比最初提高7。热能存储设备可以存储剩余的热量，保证发电的平稳，同时它也为独立的太阳能发电提供了保障。有了热能存储设备的参加，可使一个80MW的发电站的光电转换效率到达13.8。如表1所示为目前世界上太阳能槽式发电站列表。当前正在开展的技术方向为直蒸汽〔DSG〕技术。典型的PTC发电厂动力范围为30-150MW，工作温度约为400°C。表1世界太阳能槽式热发电站列表〔2〕太阳能碟式发电碟式发电是目前利用太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可到达29.4％[1]。因此它有潜力成为最廉价的利用太阳能发电的系统。它利用双轴跟踪技术，采用一组反光镜聚集太阳光，同时利用接收器进行有效地热转变工作，之后利用常规发电机进行发电。通常接收器的接收面被放置于聚光焦点的后面以减小剧烈的高温熔化。碟式发电系统具有高效率、多功能、可和化石燃料混合发电等特点。高效率来自于它的低本钱和高能量密度。和其它太阳能技术比较依赖场地和高费用来说,碟式发电每MW大约需要1.2到1.6公顷的占地。对于系统的安装本钱，尽管当前为＄12000/kW，但是由于它具有的高效率,因此潜力巨大[2]。同时碟式发电系统功率较小，一般为5～50kW，因此它即可以单独分散发电，也可以组成较大的发电系统。研究说明，碟式太阳能热发电系统在空间上的应用，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用廉价等优点，因此目前世界各国也都在对碟式发电进行积极的研究和利用。如表2所示为目前世界上太阳能碟式发电站列表。[NextPage]表2世界太阳能碟式热发电站列表(3)太阳能塔式发电太阳能塔式发电又叫做高温太阳能热发电，它利用独立跟踪太阳光的定日镜群把太阳光聚集到塔顶的能量转换器〔接收器〕上，通过能量的转换把热量传递给热传导液，再由蒸汽发生器产生蒸汽带动蒸汽涡轮发电机产生电能，同时利用冷却塔进行冷却再进入接收器进行循环发电。塔式太阳能发电系统是利用定日镜来实现对太阳光的反射和聚集，由于塔式发电系统中定日镜的数量众多，因此可实现大功率的发电，实际应用上可到达30-400MW之间。而且接收器的散热面积相对较小，因而可以得到较高的光电转换效率。同时由于储能槽的参加，使系统可以一天内连续发电13小时。在美国的西南部，由于充足的日照强度和相对廉价的土地价格，使这里成为了建设塔式发电站的理想区域，同样北非、墨西哥、南美、中东和印度等地，也都是理想的塔式发电站建设地[3]。如表3所示为目前世界上太阳能塔式发电站列表。目前正在开展的技术方向为直加热空气发电技术。表3世界太阳能塔式热发电站列表2、太阳能热发电系统的开展与展望1950年，前苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站，建造了一个小型试验装置。70年代，太阳能电池价格昂贵，效率较低。相对而言，太阳能热发电效率较高，技术比较成熟，因此当时许多工业兴旺的国家都将太阳能热发电作为重点，投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，从1981～1991年，全世界建造的太阳能热发电站〔500kw以上〕约有20余座，发电功率最大达80MW。80年代中期，人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为，虽然太阳能热发电在技术上可行，但投资过大，且降低造价十分困难，所以各国都改变了原来的方案，使太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。正当人们疑心太阳能热发电的时候，美国和以色列联合组成的LUZ太阳能热发电国际，自1980年开始进行太阳能热发电技术研究，开发槽式太阳能热发电系统，并成功地进入了商品化阶段。于1985年至1991年间在美国加州沙漠建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量到达了353.8MW[4]。并使发电本钱逐渐下降，预期能到达5～6美分／kWh。LUZ热发电站的成功实践，激发起人们对太阳能热发电继续进行研究开发的热情。3.2太阳能光伏发电太阳能光伏发电太阳能光伏发电是利用太阳能光伏电池的光生伏打原理把太阳光能直接转化为电能的发电方式。〔1〕太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池组、太阳能控制器、蓄电池〔组〕组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。太阳能光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的核心局部，也是太阳能光伏发电系统中价值最高的局部。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能光伏电池板的质量和本钱将直接决定整个系统的质量和本钱。太阳能控制器控制着整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。[NextPage]〔2〕太阳能光伏电池的原理太阳能电池内部存在P-N结，当P-N结处于平衡状态时，在P-N结处形成耗尽层，存在由N区到P区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射入电池内部的太阳光子，把电子从价带激发到导带，产生一个电子-空穴对。电子-空穴对随即被势垒电场别离，电子和空穴被分别推向N区和P区，并向P-N结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时，受势垒电场的作用，电子留在N区，空穴留在P区，形成内建电场。而由于内建电场的作用，N区中的空穴和P区中的电子被分别推向对方区域，使N区积累了过剩的电子，P区积累了过剩的空穴，即在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，当接入负载后，就会产生电流流出。〔3〕太阳能光伏发电系统的分类当前太阳能光伏发电系统大致可分为三类：独立蓄电系统、反应式发电系统、市电并联系统。独立蓄电系统(图4-a)：这是比较原始的一种太阳能应用方式。在国内外应用已有假设干年。系统比较简单、造价低。只因其一系列的电池维护困难，而限制了使用范围。反应式发电系统(图4-b)：当用电负载较大时，太阳能电力缺乏就向市电网络购电，而负载较小或不使用电器时，就可以将多余的电力卖给市电。这种方式的实施意义重大。适用于电网己全面改造的城市。市电并联系统(图4-c)：这是介于上述两种方案之间的系统。常常是太阳能发电的中期运用形式。由于城市电网改造尚未进行，只好采用此灵活的做法。图4光伏发电系统的分类〔4〕太阳能光伏发电的现状和开展趋势①国外太阳能光伏发电现状和开展趋势太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。到2004年,世界太阳能光伏发电装机总容量到达964.9MW,到2006年底,到达4961.69MW。已经商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电池等几类。在国际市场上,目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W,并网系统价格为6美元/W,发电本钱为0.25美元/(kW•h)[5]。光伏电池的光电转化效率也不断提高,晶体硅光电池转化率到达15,单晶硅光电池转化率是23.3,砷化镓光电池是25,在实验室中特制的砷化镓光电池已达35～36[5]。同时太阳能光伏电池/组件的使用寿命也大大增长,最多可到达30年。目前,光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界光伏发电量的80[6]。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低本钱、长寿命、美观实用等方向开展。专家们预测到2050年,太阳能光伏发电在发电总量中将占13-15,到2100年将约占64[9]。②国内太阳能光伏发电现状和开展趋势20世纪90年代以来是我国光伏发电快速开展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强,本钱不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加,2006年累计装机容量达35MW,约占世界份额的3[7]。10多年来,我国光伏产业长期平均维持了全球市场1左右的份额。到2023年前,我国光伏技术产业将会得到不断的完善和开展,本钱将不断下降,光伏市场会发生巨大的变化:预计2005—2023年,我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统,发电本钱到2023年将约为1.20元/kWh；2023—2023年,光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统,发电本钱到2023年将约为0.60元/kWh。到2023年我国光伏产业的技术水平有望到达世界先进行列[8]。〔5〕太阳能光伏发电产业进一步开展需要解决的问题目前,世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康开展,需要做好以下工作:a继续研制太阳能电池新材料,提高电池的光电转化效率；b研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法,实现太阳光最大功率跟踪；c研究太阳能光电池阵列的优化组合算法,实现太阳能光电电池阵列的优化组合；d研究太阳能光伏发电的软并网技术,减少光伏电能对电网的冲击；e探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合,实现建筑物绿色发电与自我供电；f探索并出台保护太阳能光伏发电开展的政策与法律、法规,对太阳能发电电价实行保护政策,促进太阳能发电产业的开展。三、结束语随着全世界能耗的不断上升，滥用化石能源导致的环境污染日益严重，人类在应对经济持续开展的同时，还要着重关注生态平衡的问题。无论是太阳能热发电还是太阳能光伏发电，都是人类未来能够持续生存和开展的重要手段之一，因此人类对于太阳能利用方面的探索和研究将更加积极，同时也预示着太阳能发电将在未来的社会中扮演越来越重要的角色。4建筑一体化简介：太阳能作为一种洁净的可再生能源，有着矿物能源不可比较的优越性。中国的太阳能资源十分丰富，为各种太阳能利用系统提供了巨大的市场。由此，建筑界提出“21世纪建筑〞的一个概念即由建筑物自己产生能源，太阳能光伏建筑物一体化〔BIPV〕便成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。随着2005年2月16号限制各国排放工业废气以控制全球气候变暖的《京都议定书》的正式生效，如何实现环境保护的可持续开展成为全球最强的呼声。中国作为开展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，而建筑作为能耗大户(兴旺国家的建筑能耗一般占到全国总能耗的1／3以上)，其节能效益那么变得尤其重要。4.1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。当到达稳定状态时，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[2]。最根本的太阳电池是由P—N结构构成的。图1为典型光电池的剖面图。光图1典型电池的剖面图[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4.2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—alonesystems〕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[1]〔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〕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缺乏时，由电网向用户供电，相反的，假设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顶峰的问题。图3一个典型的电网连接充电系统[1]〔白天，多余的电流将流入电网，计量表会倒转4.3BIPV建筑一体化太阳能光伏—建筑一体化BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaics,)是应用太阳能发电的一种新概念：在建筑为维护结构外外表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。BIPV的优越性：1〕可原地发电、原地使用，减少电流运输过程的费用和能耗2〕防止了放置光电阵板的额外占用珍贵的建筑空间与建筑结构合一，省去了单独为光电设备提供的支撑结构3)使用新型建筑维护材料，节约了昂贵的外装饰材料〔玻璃幕墙等〕，减少建筑物的整体造价，且使建筑外观更有魅力4)因日照处在高压电网用电顶峰期，BIPV系统除保证自身建筑内用电外，还可以向电网供电，舒缓了顶峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；5)杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要；6)由于光伏陈列安装在屋面和墙面上，并直接吸收太阳能，防止了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷，并改善了室内环境。形势与特点：在80年代，光伏地面系统除大量用于偏僻无电地区、游牧家庭、航海灯塔、孤岛居民供电以及某些特殊领域外，已开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑。进入90年代后，随着常规能源的日益枯竭而引起的发电本钱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BIPV系统。光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合；另外一种是建筑与光伏器件相结合。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。这点内容在上一节光伏发电系统已介绍过。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外表采用涂料、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局部建材，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。目前光伏与建筑结合总结起来大约有8种安装方式，如表1所示。下面将分别从光电设备作屋面板、光电设备作建筑立面、玻璃窗与光电设备、光电设备与遮阳设备四方面分别介绍[1]。表1光伏与建筑结合的8种形式[10]1〕光电设备作屋面板[1]用光电设备作屋面板时的理想屋顶应为斜屋顶。因为可以获得理想的倾角，相对于平屋顶而言，少了附加支撑带来的不协调。锯齿形的高侧窗也要比平屋顶好得多，因为南向坡被建筑光电一体式设备占据了，北向玻璃窗就可用于昼光照明。如果光电板与屋顶成为一体，那么其夏天需要通风以降温，冬天那么可以收集这些余热以采暖。结构图如图3所示。图4光电板与屋顶的结合[1]〔光电设备下面通风，夏天可防止光电元件过热，冬天可用于加热建筑〕美国著名的UNl—SOLAR的太阳能屋顶产品那么另外一番特色，他是直接将非晶薄膜太阳能电池生成在薄钢片上，钢片可以任意裁剪。所以，一片太阳能电池板长度可以做到屋顶的宽度。另外，没有玻璃，不易破损；弱光性好；轻便易装。2〕光电设备作建筑立面由于大尺度新型彩色光伏模块的诞生，将其安装在立面不仅节约了昂贵的外装饰材料〔玻璃幕墙等〕，减少建筑物的整体造价，且使建筑外观更有魅力；如果建筑有凸窗棂，必须保证窗棂较薄，使光电板不至于产生太多阴影。在保持玻璃幕墙的外观整洁方面，德国RWE的非晶太阳能玻璃幕墙做得非常优秀，为了防止电池片之间的连线有碍观瞻，他们的专利技术专门解决了电池片之间的“无线〞连接[4]。如果光电设备安装在屋顶，那么最好在设备下部留下一定量的空气层以供设备降温，同时冬天可以收集热空气采暖。具体结构如图4所示。图4光电设备安装在屋顶[1]双层墙可使空气在夏季流溢出来以给光电设备及建筑降温。冬天可用热空气加热建筑北部3〕玻璃窗与光电设备这里介绍两种典型的玻璃窗系统。一种是半透明的更像浅色玻璃窗；另一种是由透明玻璃窗上安装不透明光电元件，这些元件的排列间距决定了玻璃窗的透光率，就像我们在玻璃窗上涂上井字网一样。太阳电池可以和不同的玻璃结合制成各种特殊的玻璃幕墙和天窗，如：隔热玻璃组件、防紫外线玻璃组件、防盗或防弹玻璃组件、防火组件等等。目前有一种仅用红外辐射发电的光电玻璃窗正在研制中。这样，既可以发电又可降低昼光温度，相信正是多数向南的办公大楼所需要的。4〕光电设备与遮阳设备光电系统即可整体组合于入口雨篷中，也可组合与一些独立式遮阳结构中。就目前而言，虽然巴光电板用于露天停车场遮阳上的费用较高，但遮阳结构与光电发电器相结合终究物有所值。随着电力汽车的数量增加，这些结构最终会成为理想的充电站。BIPV对太阳电池的特殊要求：1〕颜色方面当太阳电池作为南立面的幕墙或天窗时，考虑到电池板的反光而造成光污染的现象，就会对太阳电池的颜色和反光性提出要求，即可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。对于晶体硅电池那么可以用腐蚀绒面的方法将其外表变成黑色或在蒸镀减反射膜的时候参加一些微量原色来改变太阳电池外表的颜色。2〕透光要求当太阳电池用作天窗、遮阳板和幕墙时，对于它的透光性有一定要求。一般选用非晶硅太阳电池，因为它可制作成茶色玻璃一般的效果，透光好而且投影十分均匀柔和。而对于本身不透光的晶体硅太阳电池，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。2〕尺寸和形状的要求因为考虑到与建筑的结合，一般正规的方形很难满足特殊造型的需求。这方面还有待制作工艺的进一步提高。4.4为什么光伏要与建筑一体化由于太阳能能量密度较低并且高度分散，为了提供所需的能源，必须有足够的接受面积。据测算为了满足2000年全球电力的需求，以太阳能电池转换率10%计算，需要的面积为840km×840km=640000km2，这相当于德国和意大利两个国家的面积。我国1995年的发电量约为1亿MW·h，如果全部用太阳能电池发电，其接收面积约为12500km2，比天津市还要大。以上数值说明，所需的面积是相当可观的，光伏与建筑一体化有效利用建築物的外表大面積，是解决接受面积的主要途径，光伏建筑一体化的系统，如幕墙光伏发电系统，本钱随着建筑物的设计阶段和光伏电池与建筑装饰材料生产过程的结合程度有很大的依赖。研究说明，如果设计院、建材生产商和光伏制造商能够充分协作起来，建材光伏一体化的发电单元的制造本钱与单独生产光伏组件的本钱类似，甚至比建材加光伏组件的本钱还低，而逆变和布线系统那么可以整体并入到建筑物的电力系统中去，BIPV的本钱可能比单独的光伏发电还要低得多。开展BIPV建筑、推进节能省地型住宅建设节能省地的核心依然是节能、节地、节水、节材和环境保护，充分表达资源的节约和可持续开展。一我国人均土地占有量是世界平均水平的1／3，而960万平方公里的国土中适宜居住的只有23％。其中耕地只占13％，人均耕地面积只有1．41亩。因此，我国不仅粮食要依赖进口，更需要大量进口能源。截至2023年底，全国既有房屋建筑面积为500亿平方米。随着经济的开展，估计到2023年，我国还将新增建筑面积约300万平方米(目前，我国城市平均每年新增建筑面积10亿平方米，住宅建筑面积占60—70％)。“充分利用屋顶资源，向屋顶要能源〞，开展BIPV建筑十分迫切。4.5光伏建筑一体化主要安装类型①建材型，指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等；②构件型，指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨蓬构件、遮阳构件、栏版构件等；③与屋顶、墙面结合安装型，指在平屋顶上安装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装等形式。屋顶一体化方式。是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，也叫以覆盖局部屋面，后者与建筑的整介具有更高的灵活性。这对于在旧房改造中使用PV板提供了叫能。PV板与屋顶整合一体化一是可以最大限度的接受太阳光的照射，二是可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏天的热负荷。PV板与屋顶的构造做法有两种方式，一种是兼为屋顶防水构造层次的局部，这时必须要求PV系统具有良好的防水性能，另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上，后者对于屋顶防水具有保护功能，可以延长防水层的使用寿命。5光伏建筑一体化优点5.1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。5.2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；夏天是用电顶峰的季节，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。5.3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，开展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排〞6.BIPV建筑设计中需注意的几个问题6.1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平安性能要求，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1200mm×530mm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到达使用要求。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。6.2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。同时为了节约本钱，电池板反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反面，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。比方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。6.3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3.4建筑隔热隔音的要求普通光伏组件并没有像中空玻璃一样的隔热空气层，只是简单地安装在建筑物上或者支撑构件上，和建筑物并没有形成统一的整体。这时的光伏组件作为BIPV组件来使用往往会将大量的热量带入室内，造成耗能和节能相矛盾的情况，同时也不能满足建筑的隔音要求。这时可以将普通光伏组件做成中空Low-E玻璃的形式，这样既能隔热又能隔音。或者采用南玻大厦一样的双层外循环系统的幕墙形式。6.4建筑采光的要求普通光伏组件为了提高效率，会将电池片间距缩小到2～5mm。但在BIPV组件中，要考虑到室内的采光要求，这时要调整电池片间距到25mm左右，使组件的透光率在30％左右。6.5光伏组件安装方便的要求BIPV光伏组件作为建筑物的一局部，它安装要求比普通组件的安装要求高很多，难度大很多。一般BIPV组件安装高度较高、安装空间较小。考虑到安装方便，可以将光伏组件做方便拆卸的单元式幕墙形式，这样既方便了安装，同时也提高安装精度。6.6光伏系统寿命问题普通光伏组件封装用的胶一般为EVA，由于EVA的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命。EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量，所以设计师在选择BIPV组件时应该尽量防止使用EVA封装的组件。Schott和Schuco现在已经有PVB封装的光伏组件，国内还没有厂家掌握这种技术。PVB已经成熟应用于建筑用夹胶玻璃的制作，用PVB代替EVA制作的光伏组件会有更长的使用寿命。盼望国内光伏组件生产商尽快掌握PVB封装技术。普通光伏系统的大局部连接线都是敞开在大气中，空气对流充分，温度低。BIPV建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中，其温度远远高于普通光伏系统电线所处的环境温度，这对BIPV建筑系统中电线的要求也高很多。普通系统中，一般使用普通的聚氯乙稀铜线就能满足要求。但在BIPV系统中，我们建议使用光伏专用电线：双层交联聚乙烯浸锡铜线。另外考虑到温度对电阻的影响，BIPV建筑系统中选用的电线直径应该要比普通光伏系统大一些。7太阳能建筑一体化的定义与原那么7.1太阳能建筑一体化的定义太阳能光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术。BIPV即BuildingIntegratedPhotovoltaic，其不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化〔简称BIPV〕是“建筑物产生能源〞新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑，太阳能光伏建筑一体化≠太阳能光伏＋建筑。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的‘相加’，而是根据节能、环保、平安、美观和经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程根本建设程序，同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用。同步后期管理，使其成为建筑有机组成局部的一种理念、一种设计、一种工程的总称。7.2太阳能建筑一体化原那么1.生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透：建筑本身应该具有美学形式，而PV系统与建筑的整合使建筑外观更加具有魅力。建筑中的pv板使用不仅很好的利用了太阳能，极大的节省了建筑对能源的使用，而且还丰富了建筑立面设计和立面美学。BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构平安、功能和使用寿命为根本原那么，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。2.传统建筑构造与现代光伏工程技术和理念的融合；引入建筑整合设计方法，开展太阳能与建筑集成技术。建筑整合设计是指将太阳能应用技术纳入建筑设计全过程，以到达建筑设计美观、实用、经济的要求。BIPV首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。建筑应该从设计一开始，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以设计，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中一体设计，使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一局部，到达与建筑物的完美结合。3.关注不同的建筑特征和人们的生活习惯；适宜的比例和尺度:PV板的比例和尺度必须与建筑整体的比例和尺度相吻合，与建筑的功能相吻合，这将决定PV板的分格尺寸和形式。PV板的颜色和肌理必须与建筑的其他局部相和谐，与建筑的整体风格相统一例如，在一个历史建筑上，PV板集成瓦可能比大尺度的PV板更适合，在一个高技派的建筑中，工业化的PV板更能表达建筑的性格。4.保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合；精美的细部设计:不只是指PV屋顶的防水构造，而要更多关注的是具体的细部设计，pv板要从一个单纯的建筑技术产品很好的融合到建筑设计和建筑艺术之中。5光伏系统和建筑是两个独立的系统，将这两个系统相结合，所涉及的方面很多，要开展光伏与建筑集成化系统，并不是光伏制作者能独立胜任的，必须与建筑材料、建筑设计、建筑施工等相关方面紧密配合，共同努力，才能成功。6建筑的初始投资与生命周期内光伏工程投资的平衡；综合考虑建筑运营本钱及其外部本钱。建筑运营表达在建筑物的筹划、建设、使用及其改造、撤除等全寿命周期的各种活动中，建筑节能技术、太阳能技术以及生态建筑技术对与建筑运营具有重要影响。不仅要关注建筑初期的一次投资，更应关注建筑的后期运营和费用支出，不但要满足民众的居住需求，也要关注住房使用的耗能支出。另外，还应考虑二