光伏建筑一體化

光伏建筑一體化第一頁，共35頁。主要內(nèi)容一、概述二、光伏建筑一體化的優(yōu)勢三、分類四、系統(tǒng)組成五、關(guān)鍵問題分析六、應(yīng)用案例七、德國光伏建筑的發(fā)展及應(yīng)用八、前景及展望第二頁，共35頁。一、概述

1991年，德國旭格公司首次提出了“光伏發(fā)電與建筑集成化（BuildingIntegratedPhotovoltaic，簡稱BIPV）”的概念。BIPV直譯為“建筑物整合太陽光電系統(tǒng)”，簡言之，其主要內(nèi)容在于“將光電板視為一種建筑構(gòu)材的空間元素而產(chǎn)生的構(gòu)筑技術(shù)的實踐”。相較于將太陽能光伏方陣安裝在建筑維護結(jié)構(gòu)外表面來提供電力的傳統(tǒng)形式而言，將光電板作為建筑建造的直接材料，與建筑藝術(shù)形式及內(nèi)部空間創(chuàng)造融合起來，是目前光伏建筑一體化發(fā)展的新趨勢。第三頁，共35頁。二、光伏建筑一體化的優(yōu)勢從建筑、技術(shù)和經(jīng)濟角度來看，光伏建筑一體（BIPV）有諸多優(yōu)點：節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、減少環(huán)境污染。節(jié)地——與建筑結(jié)合，不額外占用土地；節(jié)能——降低空調(diào)負荷，產(chǎn)生能源；節(jié)材——與建筑一體化，可用作建筑維護結(jié)構(gòu)；保護環(huán)境——是一種清潔能源，能減少CO2排放。第四頁，共35頁。具體而言:（1）光伏陣列安裝在建筑的屋頂或墻面上，無需額外用地，對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；（2）一體化的光伏電池板本身就能作為建筑材料，可以減少建筑物的整體造價，節(jié)省安裝成本，且使建筑外觀更具技術(shù)和藝術(shù)魅力；（3）BIPV系統(tǒng)除保證自身建筑用電外，還可以向電網(wǎng)供電，是一種產(chǎn)能建筑；（4）光伏發(fā)電是一種清潔能源，可以減少CO2的排放，對于低碳經(jīng)濟時代“節(jié)能減排”的要求更為重要。第五頁，共35頁。三、分類按照光伏組件和建筑物結(jié)合方式，BIPV可分為兩大類：一為“結(jié)合”，一為“集成”。所謂“結(jié)合”是指將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用；所謂“集成”是指光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。從光伏方陣與建筑的結(jié)合來看，主要分為屋頂光伏電站和墻面光伏電站的方式。從光伏組件與建筑的集成來講，主要有光電幕墻、光電采光頂和光電遮陽板等形式。第六頁，共35頁。光伏屋頂或墻體系統(tǒng)光伏發(fā)電與建筑結(jié)合的傳統(tǒng)形式多采用太陽能光電支架結(jié)構(gòu)，近年來則直接將光伏組件整合在建筑的屋頂及墻體中，形成太陽能瓦和太陽能墻。最著名的光伏瓦屋面是由藍天組（COOPHIMMELB）設(shè)計的德國寶馬世界（BMWWelt）屋面。作為建筑的第五立面，寶馬世界的屋頂安裝了3660塊太陽能板，面積約8000平方米，設(shè)計功率為810kWp。第七頁，共35頁。光伏采光頂系統(tǒng)光伏采光頂是將具有發(fā)電功效的電池板應(yīng)用到屋面，除了要滿足安全、抗風壓、防水和防雷要求，還必須滿足屋面采光要求。光伏采光頂需具有一定的透光能力，因此常采用透光性的光伏元件（如薄膜太陽能電池），一般將組件的透光率設(shè)計在10%~50%。北京南站是目前最大的應(yīng)用太陽能屋頂采光系統(tǒng)的單體建筑。第八頁，共35頁。光伏幕墻系統(tǒng)光伏幕墻與傳統(tǒng)玻璃幕墻的構(gòu)造方式基本相同，兼具采光、遮陽功能，比傳統(tǒng)玻璃幕墻更加節(jié)能，還是一種產(chǎn)能材料，因此大有取代傳統(tǒng)玻璃幕墻的趨勢。光伏幕墻有半透明幕墻和不透明幕墻兩種，不透明幕墻多采用單晶硅和多晶硅組件，具有較高的發(fā)電效率，半透明幕墻多采用非晶硅薄膜電池，其優(yōu)點是透光率高，價格低，生產(chǎn)方便，缺點是光能利用率較低。我國奧林匹克國家體育館太陽能電池板約有1000平方米，安裝在體育館屋頂和南面玻璃幕墻上，系統(tǒng)采用的雙波帶真空層保溫電池板，不僅可透光，還可以代替玻璃幕墻成為外立面。第九頁，共35頁。光伏遮陽系統(tǒng)將光電板作為遮陽構(gòu)件，是一種一舉多得的構(gòu)造方案：（1）由于光電板安裝角度始終與太陽輻射角度垂直，有利于光電板最大限度的接受太陽輻射，提高光電轉(zhuǎn)化效率；（2）將光電板作為遮陽構(gòu)件，還可以阻擋陽光進入室內(nèi)，利于控制和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，降低建筑物空調(diào)負荷，起到節(jié)能減排的作用；（3）光電板作為一種新型的建筑遮陽構(gòu)件，還可以節(jié)約遮陽材料，豐富建筑外觀。因此，光伏遮陽結(jié)構(gòu)是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ墓夥鼞?yīng)用形式之一。臺灣臺南縣政府立面改造工程在沒有影響主體結(jié)構(gòu)的前提下，采用BIPV光電板外遮陽，構(gòu)成一組通風、遮陽、采光的綜合系統(tǒng)。第十頁，共35頁。三、分類

根據(jù)BIPV系統(tǒng)是否與主電網(wǎng)連接又可以分為：并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)和獨立BIPV系統(tǒng)。并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)即將現(xiàn)成的太陽能組件安裝在建筑物的屋頂或玻璃外飾幕墻,引出端經(jīng)過集線箱及并網(wǎng)逆變器等與公共電網(wǎng)相連接,由太陽能電池方陣與電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電,這就組成了并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。獨立BIPV系統(tǒng)即將組裝好的太陽能組件安裝在建筑物的屋頂或玻璃外飾幕墻,引出端經(jīng)過集線箱、控制器等與蓄電池組相連接,用電時由蓄電池組和電源控制器共同作用,通過離網(wǎng)逆變器對用電負載進行供電,不需要連接電網(wǎng),這就組成了離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。第十一頁，共35頁。第十二頁，共35頁。四、系統(tǒng)組成

BIPV系統(tǒng)的組成跟傳統(tǒng)的光伏電站系統(tǒng)大致相同，包括太陽能光伏組件、光伏逆變裝置和系統(tǒng)監(jiān)控裝置，而對于獨立BIPV系統(tǒng)還需配置電能儲存設(shè)備。由于要與建筑構(gòu)造想融合，因此光伏組件的選型和安裝時一大難點。光伏逆變裝置是整個BIPV的控制核心，其控制性能的優(yōu)良程度決定了光伏組件的利用效率。電能儲存設(shè)備主要在獨立BIPV系統(tǒng)中使用，一般采用蓄電池儲存，其充放電控制也可通過逆變裝置的控制單元實現(xiàn)。系統(tǒng)監(jiān)控裝置通過遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸，持續(xù)獲得逆變器以及風速、雨、光照、溫度等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，隨時了解BIPV系統(tǒng)整個發(fā)電狀態(tài)。第十三頁，共35頁。五、關(guān)鍵問題分析

BIPV是一種獨特的光伏發(fā)電應(yīng)用形式，很多傳統(tǒng)光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)問題的解決方案大都不能直接用于BIPV系統(tǒng)中。當設(shè)計BIPV系統(tǒng)時，應(yīng)該綜合考慮建筑學、社會學等方面的許多問題。BIPV系統(tǒng)中光伏組件的安裝、傾角計算、系統(tǒng)性能預(yù)測、經(jīng)濟性分析等問題都與傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)不同，更重要的是，BIPV系統(tǒng)本身還產(chǎn)生了很多新問題，比如光伏電池板的陰影遮蔽問題，通風散熱問題和并網(wǎng)問題等等。解決這些問題的基本原則就是平衡發(fā)電目標和建筑學設(shè)計需要。

第十四頁，共35頁。光伏組件的選取

與傳統(tǒng)的電站型光伏組件不同，BIPV系統(tǒng)的光伏組件應(yīng)具有發(fā)電和建材的雙重功能，應(yīng)在滿足建筑物的外觀效果的基礎(chǔ)上實現(xiàn)光伏發(fā)電。光伏方陣在建筑物上可以表現(xiàn)為墻體、屋面、采光頂、雨棚、幕墻、遮陽、陽臺、護欄、門窗等多種形式。（1）作為直接構(gòu)成建筑屋面的光伏組件，除應(yīng)保障屋面排水暢通外，安裝基層還應(yīng)具有一定的剛度；在空氣質(zhì)量較差的地區(qū)，還應(yīng)設(shè)置清潔光伏組件表面的設(shè)施。（2）作為建筑物墻面的光伏組件，在低緯度地區(qū)安裝宜有適當?shù)膬A角，支架應(yīng)與欄板主體結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋件牢固連接，應(yīng)滿足剛度、強度、防護功能和電氣安全要求；應(yīng)采取保護人身安全的防護措施。（3）作為幕墻的光伏組件，尺寸符合幕墻設(shè)計模數(shù)，光伏組件表面顏色、質(zhì)感應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一；光伏幕墻的性能應(yīng)滿足所安裝幕墻整天物理性能的要求，并應(yīng)滿足建筑節(jié)能的要求。第十五頁，共35頁。陰影遮蔽傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)中最佳的傾角應(yīng)該與當?shù)氐木暥认嗤?。然而，BIPV系統(tǒng)中由于受到陰影遮蔽和當?shù)貧夂虻膰乐赜绊憽Ｓ嬎汶姵匕宓淖罴褍A角時，必須充分考慮下列因素。（1）陰影遮蔽因素。BIPV系統(tǒng)由于受到建筑設(shè)計的限制和周圍建筑物的影響，陰影遮蔽問題十分嚴重。為了優(yōu)化傾角，應(yīng)該在計算傾角的時候忽略平均遮蔽率較大的月份。（2）當?shù)氐臍夂蛞蛩?。BIPV系統(tǒng)在太陽輻射水平較高的月份的能量產(chǎn)出也許并不高，有時甚至更少。這是因為BIPV系統(tǒng)的發(fā)電能力受到溫度、降雨等的影響所以，計算時應(yīng)考慮到氣候因素才能得到真正的最優(yōu)傾角。（3）建筑學設(shè)計。由于BIPV系統(tǒng)本身就是建筑物整體的一部分，它的設(shè)計必須服從建筑學和美學要求。正因如此，計算而得的最佳傾角也許無法得到應(yīng)用，通常需要對各種設(shè)計進行平衡。所以，BIPV系統(tǒng)中的傾角和朝向問題本質(zhì)上是一個考慮到陰影遮蔽、氣候、美學和建筑學設(shè)計的優(yōu)化問題。第十六頁，共35頁。散熱

太陽能電池板吸收的一部分太陽輻射沒有被轉(zhuǎn)換為電能，這部分熱量將會使電池的溫度升高，而溫度升高意味著發(fā)電效率的降低。在BIPV系統(tǒng)中，太陽能電池板被用作建筑材料，由于電池板兩側(cè)都沒有散熱渠道，過熱問題將會更加嚴重。正因如此，散熱問題一直是制約BIPV系統(tǒng)發(fā)展的重要因素之一。為了解決這個問題，可以在電池板背面設(shè)計流體通道，通過采用自然或者強制通風/冷卻水循環(huán)方式帶走熱量。這樣做的另一個好處是被帶出的熱量可以用來為建筑物提供熱水，或者在冬天提供暖氣。這類將太陽能光伏發(fā)電和熱利用綜合起來的系統(tǒng)被稱為BIPV/T系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)管道內(nèi)流體的不同，BIPV/T系統(tǒng)主要分為兩類：風冷式和水冷式。第十七頁，共35頁。

水冷系統(tǒng)的熱效率可以達到50%，如果同時考慮發(fā)電效率，整個BIPV/T系統(tǒng)的總效率可以達到60%，因此，這類系統(tǒng)很適用于對熱水有較大需求的建筑物。但是水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且要考慮防凍防漏等問題，故造價較為昂貴。與水冷系統(tǒng)相比，風冷系統(tǒng)更加簡單且經(jīng)濟。其吸收的熱量可以貯存在熱井中，以便冬天供暖使用。風冷式BIPV/T系統(tǒng)的效率更多的依賴于通風管道的形狀和設(shè)計，一般其效率低于水冷式系統(tǒng)。將通風道設(shè)計為粗糙面可以提高30%的吸熱能力，若在通風道內(nèi)加入褶皺板，則吸熱能力可以提高4倍。BIPV/T系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是，該系統(tǒng)將建筑物外表面的大量熱量帶走，從而極大的降低了建筑物的空調(diào)制冷負荷，改善了室內(nèi)熱環(huán)境。當然，增加通風或者水循環(huán)管道需要一定的投入。第十八頁，共35頁。并網(wǎng)截至2009年，獨立型PV系統(tǒng)的裝機容量只占全球PV系統(tǒng)裝機總量的5.5%。因此，并網(wǎng)型BIPV系統(tǒng)是未來的主要發(fā)展趨勢。與獨立的BIPV系統(tǒng)相比，并網(wǎng)系統(tǒng)無需體積龐大且昂貴的儲能設(shè)備，因此，降低了電池的初始投資以及維護和更換費用。更重要的是，并網(wǎng)系統(tǒng)可以降低建筑物的高峰負荷，同時避免了獨立系統(tǒng)中的孤島效應(yīng)。但是，并網(wǎng)也會帶來很多技術(shù)問題。其中較為重要的一個是對BIPV系統(tǒng)的性能進行準確分析并制定控制策略。另外一個重要的研究領(lǐng)域是BIPV系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響，包括對上級電網(wǎng)可靠性、諧波等方面影響，這些是電力公司考慮是否允許BIPV系統(tǒng)并網(wǎng)的關(guān)鍵因素。為了將BIPV系統(tǒng)并網(wǎng)，還需要安裝智能電表以便實現(xiàn)電能的買入和賣出。在我國要實現(xiàn)這點還需要很多的努力。第十九頁，共35頁。性能評價和預(yù)報體系

對太陽能電池組件在真實環(huán)境下的性能分析有助于定量分析系統(tǒng)的性能，確認系統(tǒng)當前運行方式是否正確;；有助于從現(xiàn)有的組件中選出性能最優(yōu)的組件，這對增加BIPV系統(tǒng)的可靠性、縮短經(jīng)濟回報周期十分重要。為了觀測BIPV系統(tǒng)的長期運行特點并對其性能進行評價，需要可靠的監(jiān)測系統(tǒng)和精確的測量設(shè)備。而預(yù)報系統(tǒng)的準確性很大程度上依賴于BIPV系統(tǒng)模型和當?shù)貧夂驍?shù)據(jù)庫的精確性。因此，有必要研究全新的、更加準確的、且能適應(yīng)各種特定環(huán)境情況的太陽能發(fā)電系統(tǒng)出力仿真預(yù)測工具，并建立強大的數(shù)據(jù)庫。目前，對BIPV系統(tǒng)進行分析常用的軟件主要有Autodesk公司開發(fā)的ECOTECH和美國國家可再生能源實驗室(NationalRenewableEnergyLab，NREL)開發(fā)的SolarAdvisorModel(SAM)軟件。第二十頁，共35頁。經(jīng)濟性分析

對BIPV系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析是預(yù)測投資風險、指導BIPV產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要依據(jù)，同時還可以為政府制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)扶持政策提供參考。盡管由于太陽能組件本身的成本下降和設(shè)計的優(yōu)化，BIPV系統(tǒng)的制造成本近年來不斷降低，但是，如果沒有政府的優(yōu)惠政策，BIPV系統(tǒng)的投資回報期依然較長。對BIPV系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析，不應(yīng)該僅僅局限于系統(tǒng)的傳統(tǒng)市場價值，應(yīng)該綜合考慮其全壽命周期的常規(guī)市場價值，外部價值和潛在市場價值。所謂外部價值是指由于應(yīng)用BIPV系統(tǒng)而帶來的節(jié)能減排效應(yīng)，潛在市場價值主要受到傳統(tǒng)化石燃料漲價、政府政策和公眾環(huán)保意識等的影響。在分析BIPV系統(tǒng)時應(yīng)該采用綜合能源分析、全壽命周期評價等經(jīng)濟性分析方法。而對BIPV系統(tǒng)潛在價值和外部價值的評價標準方法及計算模型仍有待進一步的研究。第二十一頁，共35頁。六、應(yīng)用案例上海世博會中國館60.6米觀景平臺四周挑檐的中央部位采用雙面透光中空雙玻單晶硅組件，每邊88塊，共352塊，鋪設(shè)面積約1000平方米，安裝結(jié)構(gòu)按玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)置。世博太陽能工程光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃安裝總?cè)萘考s3.127MW，其中中國館裝機容量0.302MW，主題館裝機容量2.825MW。中國館太陽能光伏建筑一體化效果圖第二十二頁，共35頁。

主題館太陽能光伏建筑一體化效果圖第二十三頁，共35頁。第二十四頁，共35頁。第二十五頁，共35頁。德國奧迪物流中心400m216.4KW非晶硅光電幕墻第二十六頁，共35頁。日本Sanyo

太陽光電公司運用簡單的建筑意象設(shè)計，以圣經(jīng)上的「諾亞方舟」神話，完美的表達太陽光電于能源秏竭危機中所扮演的任務(wù)及角色。第二十七頁，共35頁。為了迎接2006年世界杯，改建的柏林火車站，光電屋頂做在兩個弧形部分，深色部分就是光電池?？偯娣e3311平方米，總裝機容量325kwp第二十八頁，共35頁。柏林火車站內(nèi)部效果，光伏發(fā)電與自然采光融合一體第二十九頁，共35頁。七、德國光伏建筑的發(fā)展及應(yīng)用任何產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開國家政策的扶持。從發(fā)達國家光伏建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來看，國家政策起到了巨大的推動作用。德國在世界太陽能光伏技術(shù)及光伏建筑一體化應(yīng)用方面保持著全球領(lǐng)先的地位，了解它的發(fā)展及應(yīng)用，對我國光伏建筑產(chǎn)業(yè)一體化的發(fā)展和應(yīng)用具有借鑒意義。第三十頁，共35頁。德國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況德國對太陽能光伏發(fā)電的利用可追溯到1970年代，1974年石油危機以來，太陽能光電技術(shù)的研究和應(yīng)用被緊迫地提上日程。1999年隨著“十萬太陽能屋頂計劃”的啟動，德國太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。2004年德國頒布了新的可再生能源法，自此，德國光伏市場更是迅猛發(fā)展，邁上了一個新臺階。在全球，大約25%的太陽能電池板和40%的太陽能轉(zhuǎn)換整流器是德國制造的。德國還是太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用的最大市場，2007年世界太陽能新裝容量達2.8GWp，其中，德國占47%，西班牙占23%，日本約占8%，美國約占8%。第三十一頁，共35頁。德國發(fā)展光伏建筑的資源條件德國雖然是世界光伏發(fā)電應(yīng)用的最大市場，但其發(fā)展光伏建筑的自然資源條件相對世界許多國家卻并不理想。德國年平均光照時間為1528個h，不到棕白晝時間的1/3，光照時間和倫敦差不多，比意大利佛羅倫薩少1/3，是我國拉薩的1/2。這樣的光照條件使得德國太陽能系統(tǒng)的效率相對較低，也使其光伏建筑發(fā)展領(lǐng)域的增長更為顯著。雖然日照條件并不理想，德國社會仍十分傾向于使用太陽能，德國普通民眾在利用太陽能方面有自己的理念，“我們不在乎從太陽里面拿到太多，我們拿到我們該拿的就可以了”。德國人完全是以一種環(huán)保的理念——我們利用太陽能發(fā)電不會減少什么