題目_太陽能光伏建筑一體化及應用與開展前景學院___________________________專業__光伏材料加工與應用______________________姓名________學號____指導老師______職稱__教師_____________2023年04月目錄1引言12光伏與建筑相結合的歷史22.1光伏建筑的市場潛力22.2光伏建筑的現狀22.3光伏建筑的市場前景23太陽能光伏發電33.1太陽能熱發電33.2太陽能光伏發電64建筑一體化74.1太陽電池原理74.2光伏發電系統74.3BIPV建筑一體化84.4為什么要光伏與建筑一體化〔BIPV〕？124.5光伏建筑一體化主要安裝類型125光伏建筑一體化的優點135.1綠色能源135.2不占用土地135.3起到建筑節能作用136BIPV建筑設計中需要注意到幾個問題146.1光伏組件的力學性能146.2建筑的美學要求146.3.建筑結構域光伏組件點穴性能的配合156.4建筑采光的要求156.5光伏組件安裝方便的要求156.6光伏系統壽命問題157太陽能建筑一體化的定義與原那么177.1太陽能建筑一體化的定義177.2太陽能建筑一體化的原那么178我國光伏建筑一體化的開展前景199結論2010參考文獻2111致謝22【摘要】隨著世界能源危機的日益顯現，節能建筑是世界建筑開展的趨向，潔凈能源，尤其是太陽能的合理、高效利用時未來建筑師設計的重要內容。其中，節能代表太陽能應用最鋒利、最有潛力的光伏發電時節能建筑的主角。聯合國能源機構的調查報告顯示，太陽能光伏建筑一體化將是21世紀最重要的新興產業之一。太陽能光伏發電與建筑一體化是應用太陽能發電的一種新概念，在建筑為維護結構外表鋪設光伏陣列提供發電。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的期待的一項技術.本文給出了光伏建筑一體化(BIPV)的定議，分析了BIPV與BAPV的區別。關鍵詞：光伏建筑一體化設計；BIPV的定議；BIPV設計中的問題【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引言如果說20世紀是快速開展的機械文明的增長和資源掠奪的時代的話，那么21世紀就是享受與自然和諧文明的時代，我們希望大家充分認識到，如果不與身邊的環境和諧的生活，地球的環境得不到保護的話，所產生的危機那么是人類所共有的問題。隨著石化能源的逐漸枯竭，自然環境的惡化，人們越來越重視太陽能、風能等可再生能源的利用。光伏建筑一體化建筑是光伏應用形式中最接近人類生活的一種，其效果的好壞將直接影響到人們對光伏產品的映像。2光伏與建筑相結合的歷史2.1光伏建筑的市場潛力由于光伏與建筑相結合有著巨大的市場潛力，各國很早就開始了相關研究開發。早在1979年，美國太陽聯合設計公司〔SDA〕在能源部的支持下研制出了面積為0.9m*1.8m的大型光伏組件，建造了戶用屋頂光伏實驗系統，并于1980年在該廠建造了有名的“Carlislehouse〞,屋頂安裝了7.5KW的光伏方陣，并結合被動太陽房及太陽能集熱器，除了供電外，還可提供熱水和制冷。2.2光伏建筑的現狀20多年前，日本三澤電氣公司研制出了瓦片形狀的非晶硅太陽電池組件，每塊能輸出2.7W，但由于價格太貴性能也不太穩定，未能推廣應用。后來世界各國經過開發改良，陸續推出了多種形式的BIPV熱。美國ＵＮＩＴＥＤＳＯＬＡＲ公司研制開發了以不銹鋼為襯底的可以彎曲的非晶硅電池組件，可以作為屋頂材料使用。日本三洋公司也推出了一種美觀小巧的屋頂光伏組件，到１９９７年就已經安裝了數兆瓦，Ｓaint-gobaix公司的BIPV產品已在很多地方推廣應用，其中包括安裝在德國巴伐利亞州銀行大樓的太陽能遮陽板，德國ＨＵＫ保險公司的大型光伏雙層玻璃屋頂，以及丹麥的ＫＯＬＤＩＮＧ用梯形光伏組件構成的“屋頂舞臺“。瑞士聯邦銀行新建大樓的屋頂上安裝了１００ＫＷ光伏方陣。外墻安裝了８２ＫＷ的光伏與建筑一體化的材料，形成了建筑物的〞綠色外觀“，每瓦光伏系統的安裝本錢小于６美元，全部光伏系統的費用還不到建筑物造價的百分之一，紐約第四時代廣場百老匯和４２大街轉角處的４８層摩天大樓建于２０世紀９０年代，其３５－４８層外墻覆蓋了非晶硅太陽電池組件，所發電力供給大樓內一些房間使用。2.3光伏建筑的市場前景當然光伏發電和建筑原來是完全互不相關的技術領域，要將兩者結合在一起，有很多問題需要逐步解決，但是隨著科技的進步，ＢＩＰＶ新產品還將不斷涌現，光伏系統的大規模應用，將促進其價格的進一步下降，光伏發電與建筑相結合將成為光伏應用最重要的領域之一。也將為越來越多的建筑師所接受并實際應用，龐大的建筑市場與蓬勃開展的光伏發電相結合的ＢＩＰＶ，使光伏系統的應用由偏遠農村地區進入城市的重要標志，有著廣泛的開展前景。3太陽能光伏發電闡述了當前太陽能熱發電系統和太陽能光伏發電系統的結構、原理和特點。同時對太陽能發電的現狀和開展進行了介紹。關鍵詞：太陽能熱發電太陽能光伏發電槽式碟式塔式光伏20世紀以來，隨著社會經濟的開展和生活水平的提高，使人們對能源的需求量不斷增長。同時由于化石能源資源的有限性，以及他們在燃燒過程中對全球氣候和環境所產生的影響日益為人們所關注，因此從資源、環境、社會開展的需求來看，開發和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢。太陽能發電的主要優點在于：太陽能電池可以設置在房頂等平時不使用的空間，無噪音、壽命長，而且一旦設置完畢就幾乎不要需要調整。現在只要將屋頂上排滿太陽能電池，就可以實現家中用電的自給。現今太陽能的主要用途已不再是小規模的，從性質上來說，是專業化的。它參軍事領域、通信領域到城市建設領域等都起到了重大的作用。委內瑞拉還推出廉價太陽能車、歐洲科學家研制出輕便的可穿在身上的太陽能電池。目前,太陽能的利用存在著巨大的開展空間，有關的技術有可能在短時間內實現突破。它已被許多興旺國家作為其能源戰略的一個重要組成局部。在新能源和可再生能源家族中，太陽能是最引人注目，開展研究工作最多，應用最廣的成員。太陽能是一種清潔能源，這對于當前人類對環境污染的重視尤為重要。太陽能還屬于無限的能源。據專家預測，太陽的壽命有600億年，而地球的壽命只有50億年，因此太陽能相對于我們人類來說是無限的。而且它也不受任何人的控制和壟斷。這些優點都是常規能源所無法比較的。當然太陽能也有缺乏的地方，比方太陽輻射的強度受到氣候、晝夜、緯度、季節、海拔的影響，往往需要配備儲能設備。又如它的能流密度低，實際利用時需要較大的太陽能收集裝置，占地面積大，投資大。這些因素也都制約了太陽能的利用。到本世紀以來，隨著新材料的應用、電子技術等高科技的高速開展，為太陽能的有效利用提供了條件。人們將太陽能輻射通過收集和轉換變為可直接利用的能源，使太陽能的利用得到相當大的開展。其中利用太陽能發電就是對太陽能最好的利用。目前太陽能發電有兩種方法。一種是將太陽能轉換為熱能，然后按常規方式發電，稱為太陽能熱發電。另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉換為電能，稱為太陽能光伏發電。3.1太陽能熱發電1、太陽能熱發電系統太陽能熱發電也叫做太陽能聚光發電，是將太陽輻射從面積上濃縮產生高溫發電的裝置。由于太陽光聚集后可以產生高溫，因此該技術用于與熱發電機相連來構成發電系統。太陽能聚光技術最早可以追溯到140年前(D.Mills,2003),Mouchot和Pifre于1882年在法國所做的研究工作。其后，在1888年Ericsson，1901年Eneas，1913年Shuman和1968年Francia在該方面也進行了大量的研究工作。最值得一提的是在上世紀80年代，由于70年代的石油危機，太陽能熱發電得到了重視，一批大規模的太陽聚光器在世界各國安裝。如發電總功率354MW的槽式太陽能熱電站在美國加洲建成，在十幾年間已經發電超過5000GWh。當前太陽能熱發電按照太陽能采集方式可劃分為〔1〕太陽能槽式發電；〔2〕太陽能碟式發電；〔3〕太陽能塔式發電；〔1〕太陽能槽式發電槽式發電是最早實現商業化的太陽能熱發電系統。它采用大面積的單軸槽式太陽能追蹤采光板，通過對太陽光的聚焦，把太陽光聚集到安裝在拋物線形反光鏡焦點上的線形接收器上，并加熱流過接收器的熱傳導液，使熱傳導液汽化，同時在能量區的熱轉換設備中產生高壓、過熱的蒸汽，然后送入常規的蒸氣渦輪發電機內進行發電。通常接收太陽光的采光板采用模塊化布局，許多采光板通過串并聯的放置，均勻的分布在南北軸線方向。為了保證發電的穩定性，通常在發電系統中參加化石燃料發電機。當太陽光不穩定的時候，化石燃料發電機補充發電，來保證發電的穩定性和實用性。一些國家已經建立起示范裝置，對槽式發電技術進行深入的研究。到2000年，隨著先進技術和設計的提出，減少了槽式發電在熱收集方面的損耗和電的寄生效應，使槽式發電得到了較大的提高。可使一個80MW的發電站的光電轉換效率到達12.9。當前，隨著熱能存儲設備的參加，可使槽式發電的效率比最初提高7。熱能存儲設備可以存儲剩余的熱量，保證發電的平穩，同時它也為獨立的太陽能發電提供了保障。有了熱能存儲設備的參加，可使一個80MW的發電站的光電轉換效率到達13.8。如表1所示為目前世界上太陽能槽式發電站列表。當前正在開展的技術方向為直蒸汽〔DSG〕技術。典型的PTC發電廠動力范圍為30-150MW，工作溫度約為400°C。表1世界太陽能槽式熱發電站列表〔2〕太陽能碟式發電碟式發電是目前利用太陽能發電效率最高的太陽能發電系統，最高可到達29.4％[1]。因此它有潛力成為最廉價的利用太陽能發電的系統。它利用雙軸跟蹤技術，采用一組反光鏡聚集太陽光，同時利用接收器進行有效地熱轉變工作，之后利用常規發電機進行發電。通常接收器的接收面被放置于聚光焦點的后面以減小劇烈的高溫熔化。碟式發電系統具有高效率、多功能、可和化石燃料混合發電等特點。高效率來自于它的低本錢和高能量密度。和其它太陽能技術比較依賴場地和高費用來說,碟式發電每MW大約需要1.2到1.6公頃的占地。對于系統的安裝本錢，盡管當前為＄12000/kW，但是由于它具有的高效率,因此潛力巨大[2]。同時碟式發電系統功率較小，一般為5～50kW，因此它即可以單獨分散發電，也可以組成較大的發電系統。研究說明，碟式太陽能熱發電系統在空間上的應用，與光伏發電系統相比，具有氣動阻力低、發射質量小和運行費用廉價等優點，因此目前世界各國也都在對碟式發電進行積極的研究和利用。如表2所示為目前世界上太陽能碟式發電站列表。[NextPage]表2世界太陽能碟式熱發電站列表(3)太陽能塔式發電太陽能塔式發電又叫做高溫太陽能熱發電，它利用獨立跟蹤太陽光的定日鏡群把太陽光聚集到塔頂的能量轉換器〔接收器〕上，通過能量的轉換把熱量傳遞給熱傳導液，再由蒸汽發生器產生蒸汽帶動蒸汽渦輪發電機產生電能，同時利用冷卻塔進行冷卻再進入接收器進行循環發電。塔式太陽能發電系統是利用定日鏡來實現對太陽光的反射和聚集，由于塔式發電系統中定日鏡的數量眾多，因此可實現大功率的發電，實際應用上可到達30-400MW之間。而且接收器的散熱面積相對較小，因而可以得到較高的光電轉換效率。同時由于儲能槽的參加，使系統可以一天內連續發電13小時。在美國的西南部，由于充足的日照強度和相對廉價的土地價格，使這里成為了建設塔式發電站的理想區域，同樣北非、墨西哥、南美、中東和印度等地，也都是理想的塔式發電站建設地[3]。如表3所示為目前世界上太陽能塔式發電站列表。目前正在開展的技術方向為直加熱空氣發電技術。表3世界太陽能塔式熱發電站列表2、太陽能熱發電系統的開展與展望1950年，前蘇聯設計了世界上第一座太陽能塔式電站，建造了一個小型試驗裝置。70年代，太陽能電池價格昂貴，效率較低。相對而言，太陽能熱發電效率較高，技術比較成熟，因此當時許多工業興旺的國家都將太陽能熱發電作為重點，投資興建了一批試驗性太陽能熱發電站。據不完全統計，從1981～1991年，全世界建造的太陽能熱發電站〔500kw以上〕約有20余座，發電功率最大達80MW。80年代中期，人們對建成的太陽能熱發電站進行技術總結后認為，雖然太陽能熱發電在技術上可行，但投資過大，且降低造價十分困難，所以各國都改變了原來的方案，使太陽能熱發電站的建設逐漸冷落下來。正當人們疑心太陽能熱發電的時候，美國和以色列聯合組成的LUZ太陽能熱發電國際，自1980年開始進行太陽能熱發電技術研究，開發槽式太陽能熱發電系統，并成功地進入了商品化階段。于1985年至1991年間在美國加州沙漠建成了9座槽式太陽能熱發電站，總裝機容量到達了353.8MW[4]。并使發電本錢逐漸下降，預期能到達5～6美分／kWh。LUZ熱發電站的成功實踐，激發起人們對太陽能熱發電繼續進行研究開發的熱情。3.2太陽能光伏發電太陽能光伏發電太陽能光伏發電是利用太陽能光伏電池的光生伏打原理把太陽光能直接轉化為電能的發電方式。〔1〕太陽能光伏發電系統的組成太陽能光伏發電系統由太陽能光伏電池組、太陽能控制器、蓄電池〔組〕組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。太陽能光伏電池板是太陽能光伏發電系統中的核心局部，也是太陽能光伏發電系統中價值最高的局部。其作用是將太陽的輻射能轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能光伏電池板的質量和本錢將直接決定整個系統的質量和本錢。太陽能控制器控制著整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。蓄電池一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉換成5VDC的電能。[NextPage]〔2〕太陽能光伏電池的原理太陽能電池內部存在P-N結，當P-N結處于平衡狀態時，在P-N結處形成耗盡層，存在由N區到P區的勢壘電場。當太陽光入射的能量大于硅禁帶寬度的時候，射入電池內部的太陽光子，把電子從價帶激發到導帶，產生一個電子-空穴對。電子-空穴對隨即被勢壘電場別離，電子和空穴被分別推向N區和P區，并向P-N結交接面處擴散，當到達勢壘電場邊界時，受勢壘電場的作用，電子留在N區，空穴留在P區，形成內建電場。而由于內建電場的作用，N區中的空穴和P區中的電子被分別推向對方區域，使N區積累了過剩的電子，P區積累了過剩的空穴，即在P-N結兩側形成了與勢壘電場方向相反的光生電動勢，當接入負載后，就會產生電流流出。〔3〕太陽能光伏發電系統的分類當前太陽能光伏發電系統大致可分為三類：獨立蓄電系統、反應式發電系統、市電并聯系統。獨立蓄電系統(圖4-a)：這是比較原始的一種太陽能應用方式。在國內外應用已有假設干年。系統比較簡單、造價低。只因其一系列的電池維護困難，而限制了使用范圍。反應式發電系統(圖4-b)：當用電負載較大時，太陽能電力缺乏就向市電網絡購電，而負載較小或不使用電器時，就可以將多余的電力賣給市電。這種方式的實施意義重大。適用于電網己全面改造的城市。市電并聯系統(圖4-c)：這是介于上述兩種方案之間的系統。常常是太陽能發電的中期運用形式。由于城市電網改造尚未進行，只好采用此靈活的做法。圖4光伏發電系統的分類〔4〕太陽能光伏發電的現狀和開展趨勢①國外太陽能光伏發電現狀和開展趨勢太陽能光伏發電產業是20世紀80年代以來世界上增長最快的高新技術產業之一。到2004年,世界太陽能光伏發電裝機總容量到達964.9MW,到2006年底,到達4961.69MW。已經商品化、實用化的太陽能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類。在國際市場上,目前太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元/W,并網系統價格為6美元/W,發電本錢為0.25美元/(kW?h)[5]。光伏電池的光電轉化效率也不斷提高,晶體硅光電池轉化率到達15,單晶硅光電池轉化率是23.3,砷化鎵光電池是25,在實驗室中特制的砷化鎵光電池已達35～36[5]。同時太陽能光伏電池/組件的使用壽命也大大增長,最多可到達30年。目前,光伏發電主要集中在日本、歐盟和美國,其光伏發電量約占世界光伏發電量的80[6]。今后光伏發電系統主要圍繞高效率、低本錢、長壽命、美觀實用等方向開展。專家們預測到2050年,太陽能光伏發電在發電總量中將占13-15,到2100年將約占64[9]。②國內太陽能光伏發電現狀和開展趨勢20世紀90年代以來是我國光伏發電快速開展的時期。在這一時期我國光伏組件生產能力逐年增強,本錢不斷降低,市場不斷擴大,裝機容量逐年增加,2006年累計裝機容量達35MW,約占世界份額的3[7]。10多年來,我國光伏產業長期平均維持了全球市場1左右的份額。到2023年前,我國光伏技術產業將會得到不斷的完善和開展,本錢將不斷下降,光伏市場會發生巨大的變化:預計2005—2023年,我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發電系統,發電本錢到2023年將約為1.20元/kWh；2023—2023年,光伏發電將會由獨立系統轉向并網發電系統,發電本錢到2023年將約為0.60元/kWh。到2023年我國光伏產業的技術水平有望到達世界先進行列[8]。〔5〕太陽能光伏發電產業進一步開展需要解決的問題目前,世界太陽能光伏發電產業還處于初級階段，為了保證太陽能光伏發電產業的健康開展,需要做好以下工作:a繼續研制太陽能電池新材料,提高電池的光電轉化效率；b研究太陽能光電電池最大功率跟蹤算法,實現太陽光最大功率跟蹤；c研究太陽能光電池陣列的優化組合算法,實現太陽能光電電池陣列的優化組合；d研究太陽能光伏發電的軟并網技術,減少光伏電能對電網的沖擊；e探索并實現太陽能光伏發電與建筑物建設相結合,實現建筑物綠色發電與自我供電；f探索并出臺保護太陽能光伏發電開展的政策與法律、法規,對太陽能發電電價實行保護政策,促進太陽能發電產業的開展。三、結束語隨著全世界能耗的不斷上升，濫用化石能源導致的環境污染日益嚴重，人類在應對經濟持續開展的同時，還要著重關注生態平衡的問題。無論是太陽能熱發電還是太陽能光伏發電，都是人類未來能夠持續生存和開展的重要手段之一，因此人類對于太陽能利用方面的探索和研究將更加積極，同時也預示著太陽能發電將在未來的社會中扮演越來越重要的角色。4建筑一體化簡介：太陽能作為一種潔凈的可再生能源，有著礦物能源不可比較的優越性。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場。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開展成為全球最強的呼聲。中國作為開展中國家，能源消耗逐年以驚人的速度增長，而建筑作為能耗大戶(興旺國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的1／3以上)，其節能效益那么變得尤其重要。4.1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。當到達穩定狀態時，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]。最根本的太陽電池是由P—N結構構成的。圖1為典型光電池的剖面圖。光圖1典型電池的剖面圖[1]〔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4.2光伏發電系統光伏發電系統統按其系統配置可分為獨立式〔stand—alone〕連接電網式〔grid—alone〕2種。當不可能或沒必要與電網連接時，獨立式光電系統〔stand—alonesystems〕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。圖2獨立式光電系統[1]〔一個獨立式系統需要電池儲存電力以供夜間使用，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缺乏時，由電網向用戶供電，相反的，假設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頂峰的問題。圖3一個典型的電網連接充電系統[1]〔白天，多余的電流將流入電網，計量表會倒轉4.3BIPV建筑一體化太陽能光伏—建筑一體化BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaics,)是應用太陽能發電的一種新概念：在建筑為維護結構外外表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。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〕防止了放置光電陣板的額外占用珍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頂峰期，BIPV系統除保證自身建筑內用電外，還可以向電網供電，舒緩了頂峰電力需求，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，防止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。形勢與特點：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本錢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。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外表采用涂料、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局部建材，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]。表1光伏與建筑結合的8種形式[10]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，那么其夏天需要通風以降溫，冬天那么可以收集這些余熱以采暖。結構圖如圖3所示。圖4光電板與屋頂的結合[1]〔光電設備下面通風，夏天可防止光電元件過熱，冬天可用于加熱建筑〕美國著名的UNl—SOLAR的太陽能屋頂產品那么另外一番特色，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，那么最好在設備下部留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。圖4光電設備安裝在屋頂[1]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。BIPV對太陽電池的特殊要求：1〕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。對于晶體硅電池那么可以用腐蝕絨面的方法將其外表變成黑色或在蒸鍍減反射膜的時候參加一些微量原色來改變太陽電池外表的顏色。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。4.4為什么光伏要與建筑一體化由于太陽能能量密度較低并且高度分散，為了提供所需的能源，必須有足夠的接受面積。據測算為了滿足2000年全球電力的需求，以太陽能電池轉換率10%計算，需要的面積為840km×840km=640000km2，這相當于德國和意大利兩個國家的面積。我國1995年的發電量約為1億MW·h，如果全部用太陽能電池發電，其接收面積約為12500km2，比天津市還要大。以上數值說明，所需的面積是相當可觀的，光伏與建筑一體化有效利用建築物的外表大面積，是解決接受面積的主要途徑，光伏建筑一體化的系統，如幕墻光伏發電系統，本錢隨著建筑物的設計階段和光伏電池與建筑裝飾材料生產過程的結合程度有很大的依賴。研究說明，如果設計院、建材生產商和光伏制造商能夠充分協作起來，建材光伏一體化的發電單元的制造本錢與單獨生產光伏組件的本錢類似，甚至比建材加光伏組件的本錢還低，而逆變和布線系統那么可以整體并入到建筑物的電力系統中去，BIPV的本錢可能比單獨的光伏發電還要低得多。開展BIPV建筑、推進節能省地型住宅建設節能省地的核心依然是節能、節地、節水、節材和環境保護，充分表達資源的節約和可持續開展。一我國人均土地占有量是世界平均水平的1／3，而960萬平方公里的國土中適宜居住的只有23％。其中耕地只占13％，人均耕地面積只有1．41畝。因此，我國不僅糧食要依賴進口，更需要大量進口能源。截至2023年底，全國既有房屋建筑面積為500億平方米。隨著經濟的開展，估計到2023年，我國還將新增建筑面積約300萬平方米(目前，我國城市平均每年新增建筑面積10億平方米，住宅建筑面積占60—70％)。“充分利用屋頂資源，向屋頂要能源〞，開展BIPV建筑十分迫切。4.5光伏建筑一體化主要安裝類型①建材型，指將太陽能電池與瓦、磚、卷材、玻璃等建筑材料復合在一起成為不可分割的建筑構件或建筑材料，如光伏瓦、光伏磚、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墻、光伏采光頂等；②構件型，指與建筑構件組合在一起或獨立成為建筑構件的光伏構件，如以標準普通光伏組件或根據建筑要求定制的光伏組件構成雨蓬構件、遮陽構件、欄版構件等；③與屋頂、墻面結合安裝型，指在平屋頂上安裝、坡屋面上順坡架空安裝以及在墻面上與墻面平行安裝等形式。屋頂一體化方式。是指將PV板做成屋面板或瓦的形式覆蓋平屋頂或坡屋頂整個屋面，也叫以覆蓋局部屋面，后者與建筑的整介具有更高的靈活性。這對于在舊房改造中使用PV板提供了叫能。PV板與屋頂整合一體化一是可以最大限度的接受太陽光的照射，二是可以兼做屋頂的遮陽板或者做成通風隔熱屋面，減少屋頂夏天的熱負荷。PV板與屋頂的構造做法有兩種方式，一種是兼為屋頂防水構造層次的局部，這時必須要求PV系統具有良好的防水性能，另外一種是單獨作為構造層次位于防水層之上，后者對于屋頂防水具有保護功能，可以延長防水層的使用壽命。5光伏建筑一體化優點5.1綠色能源。太陽能光伏建筑一體化產生的是綠色能源，是應用太陽能發電，不會污染環境。太陽能是最清潔并且是免費的，開發利用過程中不會產生任何生態方面的副作用。它又是一種再生能源，取之不盡，用之不竭。5.2不占用土地。光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電頂峰的季節，也正好是日照量最大、光伏系統發電量最多的時期，對電網可以起到調峰作用。5.3起到建筑節能作用。光伏陣列吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，所以也可以起到建筑節能作用。因此，開展太陽能光伏建筑一體化，可以“節能減排〞6.BIPV建筑設計中需注意的幾個問題6.1光伏組件的力學性能作為普通光伏組件，只要通過IEC61215的檢測，滿足抗130km/h(2，400Pa)風壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求。用做幕墻面板和采光頂面板的光伏組件，不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物平安性能要求，因此需要有更高的力學性能和采用不同的結構方式。例如尺寸為1200mm×530mm的普通光伏組件一般采用3.2mm厚的鋼化超白玻璃加鋁合金邊框就能到達使用要求。但同樣尺寸的組件用在BIPV建筑中，在不同的地點，不同的樓層高度，以及不同的安裝方式，對它的玻璃力學性能要求就可能是完全不同的。南玻大廈外循環式雙層幕墻采用的組件就是兩塊6mm厚的鋼化超白玻璃夾膠而成的光伏組件，這是通過嚴格的力學計算得到的結果。6.2建筑的美學要求BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，就相當于音樂家的音樂，畫家的一幅名畫，而對于建筑物來說光線就是他的靈魂，因此建筑物對光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃，其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處，這個位置需要光線通透，這時就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，用來滿足建筑物的功能。同時為了節約本錢，電池板反面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。一個建筑物的成功與否，關鍵一點就是建筑物的外觀效果，有時候細微的不協調都是不能容忍。但普通光伏組件的接線盒一般粘在電池板反面，接線盒較大，很容易破壞建筑物的整體協調感，通常不為建筑師所接受，因此BIPV建筑中要求將接線盒省去或隱藏起來，這時的旁路二極管沒有了接線盒的保護，要考慮采用其他方法來保護它，需要將旁路二極管和連接線隱藏在幕墻結構中。比方將旁路二極管放在幕墻骨架結構中，以防陽光直射和雨水侵蝕。普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方，BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在幕墻結構中。6.3建筑結構與光伏組件電學性能的配合在設計BIPV建筑時要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統設備選型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會造成組件間的電壓、電流不同，這個時候可以考慮對建筑立面進行分區及調整分格，使BIPV組件接近標準組件電學性能，也可以采用不同尺寸的電池片來滿足分格的要求，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外，還可以將少數邊角上的電池片不連接入電路，以滿3.4建筑隔熱隔音的要求普通光伏組件并沒有像中空玻璃一樣的隔熱空氣層，只是簡單地安裝在建筑物上或者支撐構件上，和建筑物并沒有形成統一的整體。這時的光伏組件作為BIPV組件來使用往往會將大量的熱量帶入室內，造成耗能和節能相矛盾的情況，同時也不能滿足建筑的隔音要求。這時可以將普通光伏組件做成中空Low-E玻璃的形式，這樣既能隔熱又能隔音。或者采用南玻大廈一樣的雙層外循環系統的幕墻形式。6.4建筑采光的要求普通光伏組件為了提高效率，會將電池片間距縮小到2～5mm。但在BIPV組件中，要考慮到室內的采光要求，這時要調整電池片間距到25mm左右，使組件的透光率在30％左右。6.5光伏組件安裝方便的要求BIPV光伏組件作為建筑物的一局部，它安裝要求比普通組件的安裝要求高很多，難度大很多。一般BIPV組件安裝高度較高、安裝空間較小。考慮到安裝方便，可以將光伏組件做方便拆卸的單元式幕墻形式，這樣既方便了安裝，同時也提高安裝精度。6.6光伏系統壽命問題普通光伏組件封裝用的膠一般為EVA，由于EVA的抗老化性能不強、使用壽命達不到50年，不能與建筑同壽命。EVA發黃將會影響建筑的美觀和系統的發電量，所以設計師在選擇BIPV組件時應該盡量防止使用EVA封裝的組件。Schott和Schuco現在已經有PVB封裝的光伏組件，國內還沒有廠家掌握這種技術。PVB已經成熟應用于建筑用夾膠玻璃的制作，用PVB代替EVA制作的光伏組件會有更長的使用壽命。盼望國內光伏組件生產商盡快掌握PVB封裝技術。普通光伏系統的大局部連接線都是敞開在大氣中，空氣對流充分，溫度低。BIPV建筑系統中的連接線大多都在幕墻立柱、橫梁等密閉結構中，其溫度遠遠高于普通光伏系統電線所處的環境溫度，這對BIPV建筑系統中電線的要求也高很多。普通系統中，一般使用普通的聚氯乙稀銅線就能滿足要求。但在BIPV系統中，我們建議使用光伏專用電線：雙層交聯聚乙烯浸錫銅線。另外考慮到溫度對電阻的影響，BIPV建筑系統中選用的電線直徑應該要比普通光伏系統大一些。7太陽能建筑一體化的定義與原那么7.1太陽能建筑一體化的定義太陽能光伏建筑一體化(BIPV)技術即將太陽能發電(光伏)產品集成或結合到建筑上的技術。BIPV即BuildingIntegratedPhotovoltaic，其不但具有外圍護結構的功能，同時又能產生電能供建筑使用。光伏與建筑一體化〔簡稱BIPV〕是“建筑物產生能源〞新概念的建筑，是利用太陽能可再生能源的建筑，太陽能光伏建筑一體化≠太陽能光伏＋建筑。所謂太陽能光伏建筑一體化不是簡單的‘相加’，而是根據節能、環保、平安、美觀和經濟實用的總體要求，將太陽能光伏發電作為建筑的一種體系進入建筑領域，納入建設工程根本建設程序，同步設計、同步施工、同步驗收，與建設工程同時投入使用。同步后期管理，使其成為建筑有機組成局部的一種理念、一種設計、一種工程的總稱。7.2太陽能建筑一體化原那么1.生態驅動設計理念向常規建筑設計的滲透：建筑本身應該具有美學形式，而PV系統與建筑的整合使建筑外觀更加具有魅力。建筑中的pv板使用不僅很好的利用了太陽能，極大的節省了建筑對能源的使用，而且還豐富了建筑立面設計和立面美學。BIPV設計應以不損害和影響建筑的效果、結構平安、功能和使用壽命為根本原那么，任何對建筑本身產生損害和不良影響的BIPV設計都是不合格的設計。2.傳統建筑構造與現代光伏工程技術和理念的融合；引入建筑整合設計方法，開展太陽能與建筑集成技術。建筑整合設計是指將太陽能應用技術納入建筑設計全過程，以到達建筑設計美觀、實用、經濟的要求。BIPV首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，其成功與否關鍵一點就是建筑物的外觀效果。建筑應該從設計一開始，就要將太陽能系統包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以設計，巧妙地將太陽能系統的各個部件融入建筑之中一體設計，使太陽能系統成為建筑組成不可分割的一局部，到達與建筑物的完美結合。3.關注不同的建筑特征和人們的生活習慣；適宜的比例和尺度:PV板的比例和尺度必須與建筑整體的比例和尺度相吻合，與建筑的功能相吻合，這將決定PV板的分格尺寸和形式。PV板的顏色和肌理必須與建筑的其他局部相和諧，與建筑的整體風格相統一例如，在一個歷史建筑上，PV板集成瓦可能比大尺度的PV板更適合，在一個高技派的建筑中，工業化的PV板更能表達建筑的性格。4.保溫隔熱的圍護結構技術與自然通風采光遮陽技術的有機結合；精美的細部設計:不只是指PV屋頂的防水構造，而要更多關注的是具體的細部設計，pv板要從一個單純的建筑技術產品很好的融合到建筑設計和建筑藝術之中。5光伏系統和建筑是兩個獨立的系統，將這兩個系統相結合，所涉及的方面很多，要開展光伏與建筑集成化系統，并不是光伏制作者能獨立勝任的，必須與建筑材料、建筑設計、建筑施工等相關方面緊密配合，共同努力，才能成功。6建筑的初始投資與生命周期內光伏工程投資的平衡；綜合考慮建筑運營本錢及其外部本錢。建筑運營表達在建筑物的籌劃、建設、使用及其改造、撤除等全壽命周期的各種活動中，建筑節能技術、太陽能技術以及生態建筑技術對與建筑運營具有重要影響。不僅要關注建筑初期的一次投資，更應關注建筑的后期運營和費用支出，不但要滿足民眾的居住需求，也要關注住房使用的耗能支出。另外，還應考慮二