1、太陽能光伏建筑物一體化（BIPV）研究進展華南理工大學 建筑學院內容摘要： 建筑界提出“21世紀建筑”的一個概念即由建筑物自己產生能源，太陽能光伏建筑物一體化（BIPV）便成為21世紀建筑及光伏技術市場的熱點。 太陽能作為一種潔凈的可再生能源，有著礦物能源不可比擬的優越性。中國的太陽能資源十分豐富，為各種太陽能利用系統提供了巨大的市常由此，建筑界提出 “21世紀建筑”的一個概念即由建筑物自己產生能源，太陽能光伏建筑物一體化（BIPV）便成為21世紀建筑及光伏技術市場的熱點。隨著2005年2月16號限制各國排放工業廢氣以控制全球氣候變暖的京都議定書的正式生效，如何實現環境保護的可持續發

2、展成為全球最強的呼聲。中國作為發展中國家，能源消耗逐年以驚人的速度增長，而 建筑 作為能耗大戶(發達國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的13以上)，其 節能 效益則變得尤其重要。 1 太陽電池原理 半導體根據導電機理的不同可分為P型半導體和N型半導體。當太陽光照射到半導體時，半導體中的電子被激發而移動，失去電子的地方就形成空穴。P型半導體和N 型半導體結合在一起在半導體中形成“勢壘”。由P型半導體產生的電子向N型層移動，由N型層中產生空穴向P型層移動。P型層中由于帶有正電荷的空穴數目增多而帶正電； N型層中由于帶負電荷的電子數目增多而帶負電。當達到穩定狀態

3、時，在半導體兩端產生電壓，稱為太陽電池的開路電壓。當用導線連接半導體兩端時，光電流在外部回路中流動，稱為短路電流2。最基本的太陽電池是由PN 結構 構成的。圖1為典型光電池的剖面圖。 （光線的光子產生自由電子，頂部金屬網格和底部金屬板通過外電路收集和返還自由電子）2 光伏發電系統1 光伏發電系統統按其系統配置可分為獨立式（standalone）連接電網式（gridalone）2種。當不可能或沒必要與電網連接時，獨立式光電系統（standalone systems）較適用（圖2）。這種系統白天產生的多余電能儲存在電池組中，以備夜間及昏暗多云天使用。（一個獨立式系統需要電池儲存

4、電力以供夜間使用，還需要一個將直流電變成交流電的反用換流器）當有電網時，就不需電池組儲能了。因為電網已經充當了一個大的蓄電池的作用。連接電網式如圖3所示。當太陽能電池板供電不足時，由電網向用戶供電，相反的，若太陽能電池板供電大于用戶需求，剩余的電可通過直交流逆變換器輸送到電網。只需在連接電網時安裝一塊雙向計量電度表即可解決電力收費的問題。這種系統特別適合于已有電網供電的用戶，不僅可省去蓄電他的設置，減少初投資和運行維護費用，而旦有利于削減因采用空調 設備 而造成的夏季白天用電高峰的問題。（白天，多余的電流將流入電網，計量表會倒轉）3 BIPV建筑一體化 太陽能光伏建筑一體化BIPV(

5、Building IntegratedPhotovoltaics,)是應用太陽能發電的一種新概念：在建筑為維護結構外表面鋪設光伏陣列提供電力。可以說在眾多可再生能源發電技術中，光伏發電是最綠色最 環保 也是最值得期待的一項技術。3.1 BIPV的優越性1）可原地發電、原地使用，減少電流運輸過程的費用和能耗2）避免了放置光電陣板的額外占用寶貴的建筑空間與建筑結構合一，省去了單獨為光電設備提供的支撐結構3) 使用新型建筑維護材料，節約了昂貴的外裝飾材料（玻璃幕墻等），減少建筑 物的整體 造價 ，且使建筑外觀更有魅力4) 因日照處在高壓電網用電高峰期，BIPV系統除保證自身建筑內

6、用電外，還可以向電網供電，舒緩了高峰電力需求，解決電網峰谷供需矛盾，具有極大的社會效益；5) 杜絕了由一般化石燃料發電所帶來的嚴重空氣污染，這對于環保要求更高的今天和未來極為重要；6) 由于光伏陳列安裝在屋面和墻面上，并直接吸收太陽能，避免了墻面溫度和屋頂溫度過高，降低了空調負荷，并改善了室內環境。3.2 BIPV的形式與特點5在80年代，光伏地面系統除大量用于偏僻無電地區、游牧家庭、航海燈塔、孤島居民供電以及某些特殊領域外，已開始進入一般單獨用戶、聯網用戶和商業 建筑 。進入90年代后，隨著常規能源的日益枯竭而引起的發電成本上升和人們環境意識的日益增強，一些國家紛紛開始實施、推廣BIPV系統

7、。光伏與建筑的結合有兩種方式：一種是建筑與光伏系統相結合；另外一種是建筑與光伏器件相結合。1) 建筑與光伏系統相結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。光伏系統還可以通過一定的裝置與公共電網聯接。這點內容在上一節光伏發電系統已介紹過。2) 建筑與光伏器件相結合建筑與光伏的進一步結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電，可謂物盡其美。目前光伏與建筑結合

8、總結起來大約有8種安裝方式，如表1所示。下面將分別從光電 設備 作屋面板、光電設備作建筑立面、玻璃窗與光電設備、光電設備與遮陽設備四方面分別介紹1。1） 光電設備作屋面板1用光電設備作屋面板時的理想屋頂應為斜屋頂。因為可以獲得理想的傾角，相對于平屋頂而言，少了附加支撐帶來的不協調。鋸齒形的高側窗也要比平屋頂好得多，因為南向坡被建筑光電一體式設備占據了，北向玻璃窗就可用于晝光照明。如果光電板與屋頂成為一體，則其夏天需要通風以降溫，冬天則可以收集這些余熱以采暖。 結構 圖如圖3所示。 （光電設備下面通風，夏天可避免光電元件過熱，冬天可用于加熱建筑）美國著名的UNlSOLAR的太陽能屋頂產

9、品則另外一番特色，他是直接將非晶薄膜太陽能電池生成在薄鋼片上，鋼片可以任意裁剪。所以，一片太陽能電池板長度可以做到屋頂的寬度。另外，沒有玻璃，不易破損；弱光性好；輕便易裝。2）光電設備作建筑立面由于大尺度新型彩色光伏模塊的誕生，將其安裝在立面不僅節約了昂貴的外裝飾材料（玻璃幕墻等），減少建筑物的整體 造價 ，且使建筑外觀更有魅力；如果建筑有凸窗欞，必須保證窗欞較薄，使光電板不至于產生太多陰影。在保持玻璃幕墻的外觀整潔方面，德國 RWE的非晶太陽能玻璃幕墻做得非常優秀，為了防止電池片之間的連線有礙觀瞻，他們的專利技術專門解決了電池片之間的“無線”連接4。如果光電設備安裝在屋頂，則最好在設備下部留

10、下一定量的空氣層以供設備降溫，同時冬天可以收集熱空氣采暖。具體結構如圖4所示。雙層墻可使空氣在夏季流溢出來以給光電設備及建筑降溫。冬天可用熱空氣加熱建筑北部3） 玻璃窗與光電設備這里介紹兩種典型的玻璃窗系統。一種是半透明的更像淺色玻璃窗；另一種是由透明玻璃窗上安裝不透明光電元件，這些元件的排列間距決定了玻璃窗的透光率，就像我們在玻璃窗上涂上井字網一樣。太陽電池可以和不同的玻璃結合制成各種特殊的玻璃幕墻和天窗，如：隔熱玻璃組件、防紫外線玻璃組件、防盜或防彈玻璃組件、防火組件等等。目前有一種僅用紅外輻射發電的光電玻璃窗正在研制中。這樣，既可以發電又可降低晝光溫度，相信正是多數向南的 辦公 大樓所需

11、要的。4） 光電設備與遮陽設備光電系統即可整體組合于入口雨篷中，也可組合與一些獨立式遮陽 結構 中。就目前而言，雖然巴光電板用于露天停車場遮陽上的費用較高，但遮陽結構與光電發電器相結合終究物有所值。隨著電力汽車的數量增加，這些結構最終會成為理想的充電站。3.3 BIPV對太陽電池的特殊要求101） 顏色方面當太陽電池作為南立面的幕墻或天窗時，考慮到電池板的反光而造成光污染的現象，就會對太陽電池的顏色和反光性提出要求，即可采用具有不均勻反光的多晶硅太陽電池組件做幕墻或是安裝在人們視角之內的大坡度屋頂。對于晶體硅電池則可以用腐蝕絨面的辦法將其表面變成黑色或在蒸鍍減反射膜的時候加入一些微量原色來改變

12、太陽電池表面的顏色。2）透光要求當太陽電池用作天窗、遮陽板和幕墻時，對于它的透光性有一定要求。一般選用非晶硅太陽電池，因為它可制作成茶色玻璃一般的效果，透光好而且投影十分均勻柔和。而對于本身不透光的晶體硅太陽電池，需要透光時只能將組件用雙層玻璃封裝，通過調整電池片之間的空隙來調整透光量。2） 尺寸和形狀的要求因為考慮到與 建筑 的結合，一般正規的方形很難滿足特殊造型的需求。這方面還有待制作工藝的進一步提高。4 BIPV在國外 太陽光發電是21世紀科學技術的前沿陣地，世界各地的政府都支持太陽光發電事業。歐盟可再生能源白皮書和“起飛運動”是歐洲太陽光發電的里程碑；德國政府的 “十萬個光伏

13、屋頂計劃”和德國新的“可再生能源法”保證私人的太陽光發電系統用不完的電，可以上電力網賣給國家電力公司；美國政府的“克林頓總統百萬太陽光發電屋頂計劃”即在2001年前將要為100萬個美國家庭的每一戶安裝35KW太陽光發電屋頂；日本政府在“陽光規劃”執行后，2000年又推出新陽光規劃，對光伏屋頂系統實行強有力的補貼政策，使居民光伏屋頂系統最近5年平均年增產率為96.7%，成為目前世界光伏發電的最大市場8。有人作過樂觀估計，在今后太陽能發電隨著技術的不斷改進將更加迅猛的發展，到010年發電量將達到4.6GWp，累計容量將達到20GWp。到21世紀中也，陽光發電量將占世界總發電量的15%20%，超過核能，成為人類的基本能源之一。5 BIPV在中國 雖然目前還沒有并網發電的法律依據，以及技術標準，也沒有鼓勵補貼措施，然而，許多公司正在積極建設城市并網發電示范工程。悉尼奧運會是迄今為止最“綠”的一屆奧運會。中國的奧運會和世博會，將肯定更“綠”。就在去年12月份召開的2004上海市金屬學會年會上，太陽能電池專家殷