光伏建筑一體化分析研究

光伏建筑一體化20世紀(jì)90年代以來，德國、美國和日本等發(fā)達(dá)國家相繼推出光伏建筑一體化項目和計劃，并頒布了相應(yīng)的激勵政策促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和推廣。日本政府從1994年開始實施“七萬屋頂計劃”，每套容量為4kW，總?cè)萘繛?80MW；印度于1997年12月宣布在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)；1998年，德國政府為使光伏發(fā)電迅速進(jìn)入千家萬戶，率先啟動“十萬天棚計劃”，鼓勵國民在自家屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，到2003年計劃完成時，已安裝3-5KW電池發(fā)電系統(tǒng)；意大利1998年開始實施“全國太陽能屋頂計劃”，總投入5500億里拉；1997年6月美國宣布了“克林頓總統(tǒng)百萬屋頂光伏計劃”，計劃至2010年完成。該計劃的光伏系統(tǒng)總安裝量將達(dá)到3025MWp，屆時每年CO2排放量將減少351萬噸。該計劃旨在加速和促進(jìn)美國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，把發(fā)電成本降到6美分/KWh以下，起到減少CO2排放、增加社會就業(yè)、保持和加強美國光伏產(chǎn)業(yè)在世界的領(lǐng)先地位和支配地位的作用。我國對光伏建筑一體化的研究早在19世紀(jì)70年代就開始了。當(dāng)時我國已經(jīng)掌握了太陽能光伏技術(shù)，但是直到19世紀(jì)90年代末才真正意識到光伏發(fā)電的重大意義。2005年6月，上海市政府推出“十萬太陽能屋頂計劃”，該計劃推出了一系列綠色電力機制，由單位和個人自愿認(rèn)購綠電，所付綠電費專用于發(fā)展上海綠電事業(yè)．該計劃拉開了國內(nèi)太陽能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的序幕．隨后的幾年。通過“送電到鄉(xiāng)”、“送電到村”等項目的實施，西部偏遠(yuǎn)地區(qū)也已建立起了一大批獨立型光伏電站。運用在城市建筑中的光伏建筑一體化的并網(wǎng)光伏電站，在我國還屬于一項新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我國第一個城市建筑中的大規(guī)模光伏電站是深圳園博園1兆瓦光伏電站。該發(fā)電站不僅能夠滿足建筑物自身的用電需求。而且還可以特多余的電量輸送到并網(wǎng)的城市電網(wǎng)中．而我國第一個和體育場館相結(jié)合的太陽能光伏項目是國家體育館建設(shè)的100千瓦太陽能光伏電站示范項目。該項目的光伏系統(tǒng)建在國家體育館的金屬屋頂和南立面的玻璃幕墻上，其安裝方式和安裝傾角都經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，不會破壞體育館的整體建筑風(fēng)格和外觀。這樣建成的體育館的屋頂和南立面玻璃幕墻不僅能遮風(fēng)擋雨，還可為體育館供電，所發(fā)電量將并入北京市電網(wǎng)。1。光伏建筑一體化的優(yōu)點光伏建筑一體化(BIPV)是應(yīng)用太陽能發(fā)電以及表現(xiàn)“建筑物產(chǎn)生能源”的一種新概念：在建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上鋪設(shè)光伏陣列提供電力，并且不顯著影響建筑物的外觀及其實用功能。從建筑、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看，光伏建筑一體化有以下諸多優(yōu)點：1．光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或墻面上，無需額外用地或者增建其他設(shè)施．因此它可以在人口密集或者土地昂貴的地區(qū)使用；2．光伏電池板和建筑的結(jié)合可以代替部分建筑貼面材料，從而減少太陽能利用的初投資；3．光伏陣列可以在原地發(fā)電和用電，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)用戶系統(tǒng)，光伏陣列所發(fā)電力既可直接供給建筑曲負(fù)載使用，也可送入電網(wǎng)，在陰雨天、夜晚等光強很小的時候向負(fù)載供電。光伏陣列和公共電網(wǎng)共同給負(fù)載供應(yīng)電力，增加了供電的可靠性；4．光伏陣列起到消減峰負(fù)荷的作用。在天氣炎熱的夏季，大量制冷設(shè)備的使用形成了電網(wǎng)用電的高峰。而這時由于陽光充足，是光伏陣列發(fā)電最多的時候，從而可以減少供電峰負(fù)荷。BIPV系統(tǒng)除保證自身建筑用電外，還可向電網(wǎng)供電，緩解了高峰電力需求；5．由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，吸收太陽能，轉(zhuǎn)化為電能，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，節(jié)省了能源；6．光伏陣列只利用太陽能，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，這一點在對環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格的今天尤為重要，也是未來長期發(fā)展的方向；7．在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上安裝光伏陣列，可以促進(jìn)PV部件的大規(guī)模生產(chǎn)，從而能夠進(jìn)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。2.光伏建筑一體化的結(jié)臺形式按光伏與建筑的結(jié)合程度及方式的不同，可分為以下兩種結(jié)臺形式：一種是建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合，另一種是建筑與光伏組件相結(jié)合。第一種形式是將市面上可以買到的常規(guī)的太陽能電池組件安裝在建筑屋頂上，通過串聯(lián)并聯(lián)的方式形成一個體系后，再通過逆變器、控制器等電器設(shè)備與公用電網(wǎng)相連。第二種形式則是將光伏組件與建材復(fù)合，印用光俠式建材代替建筑原有的部分建材。這種結(jié)合形式可以分為以下三類：1.改變標(biāo)準(zhǔn)組件邊框的型材，即成為一種太陽能屋面瓦式的太陽能電池組件，用這種組件鋪在建筑屋頂上，取代原有的普通屋面瓦；2.將原有的邊框去除，并將封裝材料全部采用鋼化玻璃，形成光伏幕墻組件可代替原先的普通玻璃幕墻；3.將柔性薄膜太陽能電池組件與原有的大面積屋面彩鋼板板結(jié)合，鋪設(shè)于大跨度建筑屋頂上，取代原有的屋面板。3.光伏建筑一體化——薄膜太陽能電池近年來，以GaAs、GaSb、GaInP、CuInSe2、CdS和CdTe等為代表的新型多元化合物薄膜太陽能電池，取得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，如GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)達(dá)到30％。因為Ca、In等為比較稀有的元素，價格十分昂貴，而Cd為有毒元素，所以這些電池的發(fā)展必然將受到資源、環(huán)境的限制。于是，凝聚態(tài)穩(wěn)定的有機薄膜太陽能電池開始受到人們廣泛的關(guān)注。有機薄膜太陽能電池由于同時具有聚合物的可加工性和柔韌性，以及無機半導(dǎo)體特性或金屬導(dǎo)電性，因而具有巨大的潛在商業(yè)應(yīng)用價值．它與其他類型的太陽能電池相比，有機薄膜太陽能電池具有如下優(yōu)點：(1)化學(xué)可變性大，原料來源廣泛；2)有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴(kuò)展光譜吸收范圍，并提高載流子的傳送能力；(3)加工容易可大面積成膜，可采用旋轉(zhuǎn)法、流延法成膜，還可進(jìn)行拉伸取向使極性分子規(guī)整排列，采用LB膜技術(shù)可在分子生長方向控制膜的厚度；4)容易進(jìn)行物理改性，如采用商能離子注入摻雜或輻照處理可提高載流子的傳導(dǎo)能力，減小電阻損耗提高短路電流；(5)電池制作的結(jié)構(gòu)可多樣化：6)價格便宜，有機高分子半導(dǎo)體材料的合成工藝比較簡單，如酞菁類染科早已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本低廉。這是有機太陽能電池實用化最具有競爭能力的因素。以美國Konarka公司生產(chǎn)的以高分子聚合物為襯底的柔性有機薄膜太陽能電池為例，Konarka公司生產(chǎn)的有機薄膜太陽能電池根據(jù)其主要材料成分分層，由上至下分為表面封裝層，半透膜電級層，活性材料層、主電級層．襯底層等五層材料。由于中問的半連膜電極層