太阳能建筑一体化技术与应用

太阳能建筑一体化技术与应用
第一部分建筑物光伏一体化技术
光伏建筑一体化（BIPV）提出了“建筑物产生能源”的新概念，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力，光伏建筑一体化必将成为绿色建筑和建筑节能技术的发展趋势。

光伏发电系统和各主要部件：光伏电池、控制器、逆变器以及蓄电池等。

太阳能光伏建筑和其他光伏发电技术的应用发展在中国大陆和中国香港地区受到很大限制，其应用规模与国外先进国家相比相差得很多。

造成这种现象的主要原因是我们的可再生能源政策问题，没有政府补贴和没有优惠上网电价是主要问题所在。

要将太阳能转变为电能，提供给人们使用，必须通过产业光伏效应的装置—太阳能电池来实现太阳能的光电转换。

光伏就是光转变成电的光生伏特的意思。

在光照条件下，光伏材料吸收光能后，在材料两端产生电动势，这种现象叫做光伏效应。

光伏效应的发现和最初期的发展过程
光投射到光伏材料上存在反射、吸收和透射三种可能。

对于光伏元件来说，光的反射和透射都是损失，关键是要有效地吸收投射光，以产生电能供人们使用。

在忽视反射的情况下，材料对光的吸收量取决于材料的吸收系统和材料厚度。

检测用的光电二极管可收集到很高的光生电流I，但不能产生任何电功率。

为了产生电功率P，必须同时产生电压V和电流I，这就是电功纺P=IV。

光伏元件
太阳能电池本质上就是一个二极管，这种二极管具有光伏效应，能把光能直接变换成电能，因此，太阳能电池以称为光伏元件。

光照射在太阳能电池上就会产生电子-空穴对。

器件内部能把这些电子和空穴分开，产生电压和带电的粒子。

当用电负载（如电灯泡等）与太阳能电池两端接头分别连接时就有电压在负载两端出现，有电流通过负载，这就是太阳能电池发电。

电流和电压的乘积就是功率，功率和使用时间和乘积就是功（能）。

现在的发展集中于努力探索可降低成本和获得高效率的薄膜太阳能电池的生产，使太阳能电池物美价廉。

一个太阳能电池就是一个小型发电机。

为了增大功率输出，要把许多个太阳能电池连接起来，装配成一大块的太阳能电池板，简称光伏板。

光伏材料
固体可分为导体和绝缘体。

有一种材料，在低温下是绝缘体，但
这种材料加入杂质、得到能量或加热时就变成导体，这种材料叫做半导体，现在实际使用的太阳能电池都由半导体材料制成。

显示带正电性质（有较高的空穴浓度）的半导材料叫P型半导体，显示带负电性质（有较高的电子浓度）的半导体材料叫n型半导体。

用于太阳能电池的半导体材料有单晶体、多晶体和非晶体三种形式。

（1）单晶体
整块晶片只有一个晶粒，晶粒内的原子有次序的排列着，不存在晶粒边界，单晶体要求严格的精制技术。

（2）多晶体
多晶体的制备不要求那么严格的精制技术。

一块晶片含有许多晶粒，晶粒之间存在边界。

由于边界存在很大电阻，晶粒边界会阻止电流流动，或电流流经p-n结时有旁路分流，并在禁带内有多余能级把光产生的一些带电粒子复合掉。

（3）非晶体
原子结构没有长序，材料含有未饱和的或悬浮的键。

非晶体材料不能用扩散（加入杂质）的方法改变材料导电类型。

但加入氢原子会使非晶体中一部分悬浮键饱和，改善了材料的质量。

太阳能电池实质上就是半导体p-n结二极管。

太阳能电池的分类：
太阳能电池种类繁多，其分类方法大致如下：
从材料来分，有硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铟镓磷太阳
能电池、铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉太阳能电池等。

从内部材料体型来分，有大块晶片太阳能电池和薄膜太阳能电池。

从材料的晶体结构来分，有单晶太阳能电池、多晶太阳能电池和非晶太阳能电池。

从内部和外部结构来分，有普通太阳能电池、聚光型太阳能电池和级联太阳能电池等。

从内部结构的p-n结多少或薄层多少来分，有单结太阳能电池、多结或多层太阳能电池。

从技术方法来分，有网板印刷电极太阳能电池和激光刻槽电极太阳能电池。

从p-n结结构来分，有同质结太阳能电池和异质结太阳能电池。

除了上面的固体太阳能电池之外，还有液体太阳能电池，如电解液、染料太阳能电池等。

光伏建筑一体化
太阳能光伏建筑一体化（BIPV）系统，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电阵列安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。

光伏并网发电和建筑一体化的发展，标志着光伏发电由边远地区向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，人类社会向可持续发展的能源体系过渡。

从建筑学、光伏技术和经济效益方面的观点来看，光伏发电技术和建筑学相结合的光伏建筑一体化有如下优点：
（1）可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要，也可以在人口稠密的闹市区安装使用；
（2）建筑物光伏发电不需要安装任何额外的基础设施；
（3）能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。

并网光伏发电系统在白天阳光照射时，同时也是用电高峰期时发电，从而舒缓高峰电力需求，多余的电力并入电网；
（4）原地发电、原地用电，有一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。

对于联网户和系统，光伏阵列所发电力既可供给建筑物负载使用，也可送入电网；
（5）光伏组件阵列一般安装在屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑物集成光伏发电系统不仅提供电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升，从而降低了建筑物室内冷负荷；
（6）建筑物光伏板既可以发电，又可以用作普通的建筑材料，起了双重作用，因而减小了光伏系统成本的回收期；
（7）建筑物光伏发电可以提供创新方式改善建筑物的外观审美；
（8）建筑物光伏发电可以把电力维护、控制、其他安装和系统的操作都结合在建筑物内；
（9）并网光伏发电系统没有噪声、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保概念，可以增加楼盘的综合品质；
（10）最后，也是最重要的一点，建筑物光伏发电对人类生态环境保护，具有极其重大的影响。

光伏与建筑相结合的形式
光伏与建筑的结合有两种方式。

一类是建筑与光伏系统相结合。

把封装好的光伏组件平板或曲面板安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，建筑物作为光伏阵列载体，起支撑作用，然后光伏阵列再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相连。

建筑与光伏系统相结合是一种常用的光伏建筑一体化形式，特别是与建筑屋面的结合。

另一类是建筑与光伏组件相结合。

建筑与光伏组件相结合是光伏建筑一体化的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。

光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求，同时还要兼顾建筑的基本功能要求。

用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发民，可谓物尽其美。

（1）建筑与光伏系统的结合
与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源供电或者以并网的方式供电。

当光伏建筑一体化系统参与并网时，可以不需要蓄电池，但需要与电网连入的装置，而并网发电是当今光伏应用的新趋势。

将光伏组件安装在建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器与逆变器与公共电网相连接，需要由光伏阵列及电网并联向用户供电，这就组成了户和并网光伏系统。

由于其不需要蓄电池，造价大大降低，除了发电发外还具有调峰、环保和代替某些建材的功能，是光伏发电步入商
业应用并逐步发展成为基本电源之一的重要方式。

薄膜光伏电池的一个重要优点是适合做成与建筑物结合的光伏发电组件：双层玻璃封装刚性的薄膜光伏电池组件，可以根据需要，制作成不同的透光率，可以部分代替玻璃幕墙，而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜光伏电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。

一方面它具有漂亮的外观，能够发电；另一方面，用于薄膜光伏电池的透明导电薄膜又能很好地阻挡外部红外射线的进入和内部热能的散失，将成为建筑与光伏组件结合的主要方向之一。

（1）光伏组件与玻璃幕墙相结合
（2）光伏组件与遮阳装置相结合
（3）光伏组件与屋顶瓦板相结合
（4）光伏组件与窗户及采光顶相结合
光伏建筑一体化对光伏系统及光伏组件的要求
光伏建筑一体化将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对建筑物的建筑效果与建筑功能带来一些新的影响。

作为与建筑结合或集成的建筑新产品，光伏建筑一体化对光伏系统及光伏组件提出了如下新的要求：
（1）光伏阵列的布置要求。

由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，因而太阳能电池阵列所能获得的辐射量决定了它的发电量。

而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关。

一年当中四季的变化、一天当中时间的变化、
到达地面的太阳辐射直散分量的比例、地表面的反射系统等因素都会影响光伏系统的性能，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素，几乎只能被动选择。

对于光伏组件而言，光伏阵列的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等都是在设计过程中应该考虑的。

对于某一具体位置的建筑来说，与光伏阵列结合或集成的屋顶和墙面，所能接收的太阳辐射是一定的。

为获得更多的太阳辐射，光伏阵列的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南面、东南面等。

在设计光伏建筑一体化系统时还要考虑光伏组件本身的电压、电流是否方便光伏系统的设备类型。

（2）建筑的美学要求。

（3）光伏组件的力学性能。

（4）建筑隔热隔声的要求。

将普通光伏组件做成中空低辐射隔声节能玻璃，这样既能隔热又能隔声，但技术上的难题有待解决。

（5）建筑采光的要求。

（6）光伏组件安装方便的要求。

光伏建筑一体化光伏组件的安装要比普通组件的安装难度大很多。

一般光伏建筑一体化组件安装
高度较高、安装空间较小。

考虑到安装方便，可以将光伏组件
和结构做成单元式结构，方便安装以提高安装精度。

比如可以
采用单元式光伏玻璃幕墙代替明框幕墙和隐框幕墙。

（7）光伏系统寿命问题。

普通光伏组件封装用的胶一般为EV A，由
于EV A的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命。

用PVB代替EV A制作的光伏组件会有更长的使用寿命。

光伏建筑一体化系统的设计
（1）建筑设计
（2）发电系统设计。

光伏建筑一体化发电系统设计包含三部分，分别为光伏阵列设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。

（3）结构安全性的构造设计。

光伏并网发电系统
光伏并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网连接，共同承担供电任务。

当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。

在没有太阳的时候，负载用电全部由电网供给。

因为直接将电能输入电网，光伏独立系统中的蓄电池完全被光伏并网系统中的电网所取代。

免除配置蓄电池，省掉了蓄电池蓄能和释放的过程，可以充分利用光伏阵列所发的电力，从而减小了能量的损耗，降低了系统成本。

但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网对电压、频率等性能指标的要求。

逆变器同时还控
制光伏电池最大功率点跟踪、控制并网电流的波形和功率，使向电网转送的功率和光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。

光伏并网系统能够为电网提供电能，其主要组成有：
（1）光伏阵列，它可以将太阳能转换成直流电能；
（2）逆变器，它是一个电能转换装置，可以将直流电转换为交流电；（3）漏电保护、计量等仪器、仪表，这些也是并网发电的必需设备；（4）交流负载。

并网逆变器
并网逆变器是光伏并网系统的核心部件和技术关键。

并网逆变器与独立系统逆变器不同之处是它不仅可以将光伏板发出的直流电转换为交流电，并且还可以对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功和无功、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制。

另外它还具有如下功能：
（1）自动开关。

根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥光伏阵列输出功率的潜力，在此范围内实现自动开机和关机。

（2）最大功率点跟踪（MPPC）控制。

当光伏板表面温度和太阳辐射照度发生变化时，光伏板产生的电压和电流发生相应变化，
并网逆变器能够对这些变化进行跟踪控制，使列阵经常保持在
最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。

（3）防止孤岛效应。

（4）自动调整电压。

在剩余电力逆流入电网时，因电国逆向输送而
导致送电点电压上升，有可能超过电网的运行范围。

为保持电
网的正常运转，并网逆变器要能够自动防止电压的上升。

根据逆变器在光伏系统中的布置形式，可以将逆变方式分为集中式逆变和分散式逆变。

所谓“风力、光伏互补发电”是指在白天、晚间交替使用太阳能和风力能发电。

一般来说白天晴天，风可能比较小，以太阳能发电为主，以风力发电为辅；而夜间只能靠风力发电，往往风力也比白天大。

从而形成全天的互补发电形式。

风光互补发电虽然能构成一定的互补关系，但仍受气象条件影响较大，如果加装蓄电池则能显著改善其稳定性。

使用蓄电池蓄能虽然可在一定程度上弥补二者供电的不稳定性，但储存的能量毕竟有限，不能长时间持续提供供电，如果遇到连续阴雨天气和连续无风天气，整个供电系统的供电能力将会大大下降。

太阳能光伏建筑发电系统的主要部件
太阳能光伏发电是将太阳光能直接转达化成电能的发电方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。

太阳能光伏发电系统是利用光伏电池板直接将太阳辐射能转化为电能的系统，主要由太阳能电池板、电能储存元件、控制器、电力电子变换器以及负载等部件构成。

太阳能光伏建筑系统的安装
光伏发电系统的规模一旦确定，就可以开始规划系统的布局，选择满足设计要求的设备，有次序地安排系统各个部分施工。

施工管理人员可以根据下列顺序来指定和安装系统组件：
（1）根据设计需要选择适合的太阳能光伏板，然后为光伏阵列选择适当的安装方法与安装场所，包括安装地点（地面、屋顶、建筑立面等）占用面积的选择，建筑体的支撑强度。

如果安装在建筑物屋顶，应考虑屋顶的有效安装面积、屋顶结构及屋顶的密封方法，是否能够满足光伏板的承重等；同时还应考虑电池板安装架设仪器的摆放。

地面安装光伏电池板时应考虑防止雷击的措施；
（2）选择蓄电池的类型，及蓄电池组的安装场所；
（3）选择必要的功率调节元器件、逆变装置、接线盒及控制柜的安装位置；
（4）指定相关的安全装置与开关设备；
（5）进行电力线路系统配置，指定电缆线尺寸与类型；
（6）准备完整的零件与工具一览表，以便订货和核实。

光伏电池板的安装
安装光伏阵列前，应该选择一个建筑工程师，对安装场地进行系统的检查。

例如，决定在屋顶安装电池板时，需要先检查并确定屋顶
能否承受附加的太阳能电池板的重量、要安装的设备重量、堆积的冰雪重量以及安装期间站在屋顶上人的重量等。

安装过程中，太阳能电池板的表面应该有覆盖物，从而减小对电池板电气性能的损伤。

同时，电池板的安装与布线应力求简单，个别电池板的替换应该不需要拆卸整个光伏阵列。