光伏—建筑一體化的研究

1、光伏建筑一體化的研究        在21世紀的新能源技術(shù)中有兩大能源優(yōu)先：太陽光伏發(fā)電與核聚變。太陽光伏發(fā)電是到目前為止最長壽、最清潔的發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電對世界能源需求將會做出重大貢獻的兩個領(lǐng)域是提供住戶用電和用于大型中心電站的發(fā)電。前者將對建筑的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)只涉及到半導(dǎo)體封裝器件，不消耗常規(guī)能源，無運動機械部件，無污染，無噪聲，維護方便，發(fā)電容量可任意選擇。 光伏建筑一體化（BIPV）提出了“建筑物產(chǎn)生能源”的新概念，即建筑物與光伏發(fā)電的集成化，在建筑物的外圍護結(jié)構(gòu)表面上布設(shè)光伏陣列產(chǎn)生

2、電力。BIPV系統(tǒng)可以劃分為兩種形式：光伏屋頂結(jié)構(gòu)（PVROOF）和光伏墻結(jié)構(gòu)（PVWALL）。BIPV系統(tǒng)一般由光伏陣列（電池板）、墻面（屋頂）和冷卻空氣流道、支架等組成。對于一個完整的BIPV系統(tǒng)，還應(yīng)該有另外一些設(shè)備：負載、蓄電池、逆變器、系統(tǒng)控制、濾波保護等裝置。當一個BIPV系統(tǒng)參與并網(wǎng)時，則不需蓄電池，但需有與電網(wǎng)的聯(lián)入裝置。一光伏建筑一體化（BIPV）的形式與特點在80年代，光伏地面系統(tǒng)除大量用于偏僻無電地區(qū)、游牧家庭、航海燈塔、孤島居民供電以及某些特殊領(lǐng)域外，已開始進入一般單獨用戶、聯(lián)網(wǎng)用戶和商業(yè)建筑。進入90年代后，隨著常規(guī)能源的日益枯竭而引起的發(fā)電成本上升和人們環(huán)境意識的日

3、益增強，一些國家紛紛開始實施、推廣BIPV系統(tǒng)。光伏與建筑的結(jié)合有兩種方式：一種是建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合；另外一種是建筑與光伏器件相結(jié)合。1建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合把封裝好的的光伏組件（平板或曲面板）安裝在居民住宅或建筑物的屋頂上，再與逆變器、蓄電池、控制器、負載等裝置相聯(lián)。光伏系統(tǒng)還可以通過一定的裝置與公共電網(wǎng)聯(lián)接。2建筑與光伏器件相結(jié)合建筑與光伏的進一步結(jié)合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃，目的是為了保護和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶，這樣既可用做建材也可用以發(fā)電，可謂物盡其美。對于框架結(jié)構(gòu)的建筑

4、物，可把其整個圍護結(jié)構(gòu)做成光伏陣列，選擇適當光伏組件，既可吸收太陽直射光，也可吸收太陽反射光。目前已經(jīng)研制出大尺度的彩色光伏模塊，可以實現(xiàn)以上目的，還可使建筑外觀更具魅力。把光伏器件用做建材，必須具備建材所要求的幾項條件：堅固耐用、保溫隔熱、防水防潮、適當?shù)膹姸群蛣偠鹊刃阅?。若是用于窗戶、天窗等，則必須能夠透光，就是說既可發(fā)電又可采光。除此之外，還要考慮安全性能、外觀和施工簡便等因素。用光伏器件代替部分建材，在將來隨著應(yīng)用面的擴大，光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模也隨之增大，則可從規(guī)模效益上降低光伏組件的成本，有利于光伏產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，所以存在著巨大的潛在市場。從建筑、技術(shù)和角度來看，光伏建筑一體化有以下諸

5、多優(yōu)點：聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或墻面上，無需額外用地或增建其他設(shè)施，適用于人口密集的地方使用。這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要。可原地發(fā)電、原地用電，在一定距離范圍內(nèi)可以節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資。對于聯(lián)網(wǎng)戶用系統(tǒng)，光伏陣列所發(fā)電力既可供給本建筑物負載使用，也可送入電網(wǎng)。在陰雨天、夜晚或光強很小的時候，負載可由電網(wǎng)供電。由于有光伏陣列和公共電網(wǎng)共同給負載供應(yīng)電力，增加了供電的可靠性。夏季，處于日照時，由于大量制冷設(shè)備的使用，形成電網(wǎng)用電高峰。而這時也是光伏陣列發(fā)電最多的時候。BIPV系統(tǒng)除保證自身建筑用電外，還可以向電網(wǎng)供電，從而緩解高峰電力需求。由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護結(jié)

6、構(gòu)上，吸收太陽能，轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負荷，既節(jié)省了能源，又利于保證室內(nèi)的空氣品質(zhì)。 避免了由于使用一般化石燃料發(fā)電所導(dǎo)致的空氣污染和廢渣污染，這對于環(huán)保要求嚴格的今天與未來更為重要。由于光伏電池的組件化，光伏陣列安裝起來很簡便，而且可以任意選擇發(fā)電容量。在建筑圍護結(jié)構(gòu)上安裝光伏陣列，可以促進PV部件的大規(guī)模生產(chǎn)，從而能夠進一步降低PV部件的市場價格，這對于BIPV系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用有著極大的推動作用。二BIPV系統(tǒng)的發(fā)展趨勢在能源和環(huán)保壓力的促進下，太陽能光伏技術(shù)已逐步成為國際社會走可持續(xù)發(fā)展道路的首選技術(shù)之一。事實已經(jīng)證明，對于幾kW以下的系統(tǒng)，采用太

7、陽光伏發(fā)電是最為理想的。光伏（PV）技術(shù)除傳統(tǒng)的單獨用戶及特殊領(lǐng)域應(yīng)用外，正在向高水平和大規(guī)模方向發(fā)展。BIPV的聯(lián)網(wǎng)發(fā)電已成為近年來PV應(yīng)用的主要方向和熱點。聯(lián)合國能源機構(gòu)最近發(fā)布的調(diào)查報告顯示，BIPV將成為21世紀的市場熱點，太陽能建筑業(yè)將是21世紀最重要的新興產(chǎn)業(yè)之一。各國一直在通過改進工藝、擴大規(guī)模、開拓市場等，大力降低光伏電池的制造成本和提高其發(fā)電效率。近年來，世界光伏市場發(fā)生了很大變化：由過去的獨立運行（提水、照明等）和通訊設(shè)備、衛(wèi)生保健、導(dǎo)航浮標等領(lǐng)域轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑物結(jié)合的常規(guī)供電；開始由作為補充性能源逐步向替代性能源過渡?，F(xiàn)在分別介紹一下不同國家的發(fā)展情況。1美國199

8、3年6月，美國能源部和國立再生能源實驗室簽定五年合同，實施“PV：BONUS”計劃，耗資2 500萬美元發(fā)展與建筑相結(jié)合的光伏產(chǎn)品，即建筑幕墻光伏器件和大型屋頂光伏組件等。1         為了促進美國光伏產(chǎn)業(yè)的快速，降低光伏發(fā)電成本以及節(jié)約能源和保護環(huán)境，美國前總統(tǒng)克林頓1997年6月26日在聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展特別會議上宣布美國將實施“百萬太陽能屋頂”計劃，到2010年要在全國范圍的住宅、商業(yè)建筑、學(xué)校和聯(lián)邦政府辦公樓屋頂上安裝100萬套太陽能系統(tǒng)，包括光伏系統(tǒng)和太陽能集熱器，可以供應(yīng)電力和熱水。為此，1998財

9、政年度美國政府的光伏研究經(jīng)費增加了30。2日本日本很重視光伏與建筑相結(jié)合的技術(shù)。20世紀90年代，政府資助一些大學(xué)、研究所和公司進行開發(fā)研究。如三洋電氣公司推出了幾種非晶硅電池與建筑材料相結(jié)合的產(chǎn)品（三洋公司在非晶體太陽電池技術(shù)方面是世界一流的）：一種是做成曲線形瓦片形狀，每片面積為305平方厘米、輸出功率2.7 WP，價格比較昂貴；另一種是90cm×35cm的平板非晶硅電池組件，組件背面有“腳”便于安裝，一般用做屋頂材料。三洋電氣公司還推出了半透明和不透明的非晶硅玻璃組件，用于商業(yè)建筑物的垂直幕墻。其半透明組件的透光率為30，既可作為窗戶采光用，又可用于發(fā)電（目前德國也有類似產(chǎn)品）

10、。以上光伏組件已安裝在三洋電氣公司、Fsukasa電力公司等辦公樓建筑物上。1997年，通產(chǎn)省又宣布執(zhí)行“七萬屋頂”計劃，安裝了37 MWP屋頂光伏系統(tǒng)。該計劃使日本成為該年度世界最大的光伏組件市場。日本政府計劃到2000年安裝400 MW、2010年安裝4 600 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)。1998年，日本三家公司（清水建筑、夏普、川崎制鐵）合作研制一種新型建筑材料，即把太陽能電池安裝在建筑材料里，并按需要做成三種，用做屋頂和外墻。3德國1990年首先開始實施“一千屋頂計劃”，在私人住宅屋頂上推廣容量為15 kWP的戶用聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)。在光伏器件與建筑相結(jié)合方面，ASE所屬幾家公司分別推出了多種光伏組

11、件，其中有大尺寸（1.5 m×2.5m）的無邊框非晶硅組件，每塊組件功率可達360Wp，可用于垂直外墻和傾斜屋頂；也推出了尺寸為1 m×0.6m的非晶硅不透明組件，可分別用于屋面、垂直幕墻和窗戶。目前世界上最大的太陽能屋頂光伏系統(tǒng)安裝在新慕尼黑貿(mào)易展覽中心。4印度印度近年來大力推廣應(yīng)用太陽能，已取得了很大成績。在發(fā)展家，印度的光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用市場居領(lǐng)先地位；據(jù)報道，目前已成為繼美國之后的第二大單晶硅太陽能電池生產(chǎn)國。全國已有40萬套光伏系統(tǒng)用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。并且，政府正在組織一些研究和生產(chǎn)機構(gòu)開展光伏器件與建筑相結(jié)合的研究開發(fā)。1997年12月18日印度政府宣布，到2002年

12、要在全國范圍內(nèi)推廣150萬套太陽能屋頂。5中國中國的太陽能光伏技術(shù)也具有了一定的規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計，截止1997年底，我國已完成并正常使用的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量為1015MW，主要用于邊遠地區(qū)居民的供電。隨著光伏發(fā)電領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變，我國的BIPV系統(tǒng)的研究與開發(fā)已取得了很大的發(fā)展。“九五”期間我國在深圳、北京分別成功建成17kWp、7kWp光伏發(fā)電屋頂并實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。在世界銀行捐贈及雙邊或多邊技術(shù)合作的支持下，預(yù)計我國光伏市場年銷售量將以20的年增長速度發(fā)展，到2010年可望超過10MW.最近獲悉，香港特區(qū)政府為支持環(huán)保，香港工業(yè)署日前撥款170萬港元給香港理工大學(xué)，建立第一座“光伏建筑”實驗系統(tǒng)

13、，以太陽能為大廈提供部分電力。有資料對19841994年間的光伏需求進行了統(tǒng)計并對到2010年可以安裝PV的容量進行了預(yù)測，結(jié)果如表1所示。緊緊圍繞降低光伏發(fā)電成本的各種研究開發(fā)工作一直在發(fā)達國家緊張地進行。在光伏系統(tǒng)方面，目前已開發(fā)出帶微型逆變器的光伏組件，這將給光伏系統(tǒng)安裝及與建筑集成帶來革命性的變化。BIPV的開發(fā)是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的一大研究熱點，西方發(fā)達國家都在作為重點項目積極進行。除了在屋頂安裝光伏電池板外，已推出了把光伏電池裝在瓦片內(nèi)的產(chǎn)品。在飛速發(fā)展的智能建筑（IB）中，樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）是一個重要組成部分。對于BIPV系統(tǒng)，其本質(zhì)上是屬于樓宇設(shè)備的范疇，但在目前關(guān)于BAS的資料中還沒有被納入其中。筆者認為，BIPV系統(tǒng)應(yīng)當納入BAS.未雨綢繆，在實際建筑施工中應(yīng)當預(yù)留光伏陣列的鋪設(shè)裝置；在綜合布線系統(tǒng)（PDS）中，應(yīng)當預(yù)設(shè)光伏設(shè)備的接入端口和線路匣，為以后光伏組件與樓宇設(shè)備的結(jié)合