光电幕墙演示文稿1

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德国慕尼黑商贸中心的 6座大厦都装光电屋顶，共有7812 个无框架光电板，每个光电板共有84个单晶硅太阳能电池，输 出功率为130w，光电板总和峰值功率为1.016kw，光电板占屋 顶面积58%，发出的直流电经过逆变电器送至2万伏中压电网， 预计寿命20年，可减少2万吨的CO2排放量。（见Phptovoltaics Inside Report 1998 17（9）：3）。现在全世界能源约4/5由含 碳的矿物燃料产生，如果其用量年增长率为3%，预计到2020年 全世界的CO2排放量将增加40%，对人类生成环境将产生灾难 性后果，多次国际会议都在研讨减少CO2排放量和发展绿色能 源问题。光电幕墙（屋顶）的发展理所当然地被列为21世纪重 要绿色能源。 美国制订了百万光电屋顶，幕墙计划（见表二）。德国于 1999年开始10万光电屋顶光电幕墙计划，预计在6-8年完成，每 个系统定为5kw，总容量可达500MW；日本截止于1997年已建 立1600个光电屋顶，容量为37MW。预计到2010年，太阳能电 池产量将达到1800MW/年以上，年产值将超过42亿美元；光伏 系统保有量预计为：美国757MW，欧洲618MW，日本174MW。
表一：太阳能电池的五种应用领域
应用领域
人造卫星的发电系统 发展中国家居家用的太阳能系统
成本效应
佳，最早的太阳能发 电应用 佳，市场呈稳定成长 利润最高的太阳能应 用。 依据电力成本及政府 辅助金而定 太贵，约平常电价三 倍。
标准系统
数百到千瓦 5瓦至5000瓦
市场潜力
量小，但发展稳定 预估世界上有十亿人口没有 电网供应电力 公路的急救电话、公路标志、 微波自动转百度文库装置、电栏杆、 街灯等 美国、日本和德国发展他们 已经宣布的「屋顶方案」， 市场将超过每年1，000万瓦 视石油价格及环保要求而定
图二：世界主要太阳能电池公司1991年~1998年产量 (单位MWP)
25 20 15 10 5 0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Siemens,CzSi Solare x,poly-Si Kyocer a,poly-Si BP Solar,CzSi Sharp，Cz-Si Sanyo，aSi：H Photowatt， poly-Si
丹麦太阳公寓光电屋顶（照片三） 面积970m2，功率106kw
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英格兰迪旦弗尔德商场光电幕墙面积650m2，功率73kw （照片四、五、六）
照片五
照片六
照片四
德国旭格集团总部光电幕墙大楼（照片七）
悉尼奥运会主场馆全景(照片八)
悉尼奥运会主场馆光电塔全景(照片九)
悉尼奥运会主场馆光电塔(照片十)
阳光 栅状电极（负极）
减反射膜 P-N结 N型 层 P型 层 金属电极（正极）
图四 硅太阳电池结构
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这是一种N+/P型光电电池，它的基本材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下，上表 面是N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个PN结，在n型层上面制作金属栅 线，作为正面栅状电极（负极）在整个背面也制作金属膜，作为背面金属电极（正极）， 这样就形成晶体硅光电电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减 反射膜。 当N型半导体和P型半导体紧密接触时，在交界处形成PN结：N型半导体的电子和P 型半导体的空穴，都会向对方扩散，从而形成一个内建电场。当光照射到PN结时，如果 光子的能量大于禁带宽度（对硅而言，其数值为1.1ev），满带中的电子就会被激发到导 带中去，形成由N区流向P区的内光致电流，光致电流使 N和P区分别积累了负电荷和正 电从而在PN结上形成附加的电势差，这就是光生伏打效应（PV），如果将PN结两端与 外电路相连，负载便会有电流通过，示意图见图五：
• 表二 美国百万屋顶计划的内容与指标
年代
1997 1998 1999 2000 2005 2010
指标 参加城市数 太阳能建筑物（千个） 屋顶当量系统（kw） 光伏总容量（Mw） 单位成本（美元/Wp） 总的CO2的减少（千吨）
10 2 1 1 6.5 2 25 8.5 1 6.5 5.7 13 50 23.5 1 15 4.9 39 75 51 2 55 4.3 111 200 376 3 270 2.9 1037 325 1014 4 610 2.0 3510
光电幕墙及光电屋 顶
——龙文志 龙文志—— 龙文志
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一 前言 光电幕墙（屋顶）是将传统幕墙（屋顶）与光生伏打效应（光电原理）相结 合的一种新型建筑幕墙（屋顶）。主要是利用太阳能来发电的一种新型的绿色的 能源技术。 能源是人类生存和发展的基础，传统的能源是以消耗地球的有限资源，同时又污 染人类生存环境为代价来生产，20世纪七十年代全球的能源危机，使世界很多国 家清醒地认识到：太阳能是一种绿色（清洁，无污染）丰富的自然能源，争相加 以开发和研究，因而太阳能电池从人造卫星发电开始向地面发电普及和应用， （见表一）
悉尼奥运会主场馆光电塔夜晚照明(照片十一)
悉尼奥运会主场馆光电塔瞬时功率和总发电量(照片十二)
墨尔本河岸的光电照明(照片十三)
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澳大利亚悉尼奥运会主场馆左右两侧有光电雨蓬，右侧外围有19个光电塔(照片八、照 片九) ，为主场馆外围在夜间提供足够的照明。每个光电塔有80 个兰色的光电板组成，每个 光电板有36个硅光电池，每个光电板的表面朝北，能使太阳的照射面积最大(照片十) 。当光 线照射时，每个光电池独立产生电能，光电电池方阵、蓄电池和6个逆变器共同组成电力照明 系统，将直流电转换为240伏交流电，白天，光线照射，光电池发电，向蓄电池充电；夜晚， 蓄电池向照明灯提供电能，每个光电塔发电量能够保证奥运会主场馆夜间的照明(照片十一) 。 光电塔上，有瞬时功率和建塔以来的总发电量的测量及显示(照片十二) ，从左边的瞬时功率 测量表可看出：晴天无云，瞬时功率为120kw；晴天有云，瞬时功率在120kw～40kw之间；阴 天，瞬时功率在40kw～10kw之间；多云下雨，瞬时功率为10kw；夜晚，即使有月亮，瞬时功 率也为0；拍照时，正值阴天下小雨，照片十二左边瞬时功率测量表的指针正好指向10kw。光
工业应用 已发展国家建立建筑物整体性的太 阳能系统（Building Intergrated Photovoltaiacs） 中央电力供应站
5瓦特至1，500瓦
2，000瓦至300，000瓦
一百万瓦至上千百万瓦
• • 据不完全统计，1999年，全世界太阳能电池的年产量已超过二亿峰瓦（MWP） （见图一、图二），但其年产量与世界能源总需求相比仍然相差甚远，为了在21世纪能 得到突破性发展，一些国家正在围绕制约太阳能电池地面大规模普及应用的一些根本问 题进行研究，其中一个问题就是接收面积问题，因为太阳能是分散的，为了提供所需的 能源，必须有足够的接受面积。据测算：为了满足2000年全球电力的需求，以太阳能电 池转换率10%计算，需要的面积为840km×840km=640000km2，这相当于德国和意大 利两个国家的面积。
我国是1958年开始研究太阳能电 池，1971年3月发射的我国第二颗人 造卫星上开始空间应用，一直工作8 年直到卫星坠毁。太阳能电池的地面 应用开始1973年，1983~1986年间， 我国先后从国外引进7条生产线，使 太阳能电池具备了工业化生产能力。 截止1998年底，全国安装的太阳能电 池保有量为10MW，光电幕墙（屋顶） 到目前尚未有工程实例，由于悉尼的 奥运村采用了光电屋顶，预计北京的 奥运建筑正在探讨光电幕墙和光电屋 顶的使用计划。 我国拥有丰富的太阳能资源，陆 地表面每年接受的太阳辐射能为： 50*1018千焦（KJ），相当于 1700亿 吨标准煤，每年日照时间大于 2000h （小时），辐射总量高于586KJ/m2的 太阳能资源丰富地区和较丰富地区占 全国总面积的 2/3（表三，图三）尽 管目前我国光电幕墙（屋顶）市场正 在方兴未艾，但它具有强大的潜市场， 我们有理由预计，中国的光电幕墙， 光电屋顶及光电工程的在廿一世纪将 会得到迅猛的发展。
表三我国太阳辐射资源带 资源带号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 名称 资源丰富带 资源较富带 资源一般带 资源贫乏带 指标 ≥6700MJ/ （m2·a） 5400~6700MJ/ （m2·a） 4200~5400MJ/ （m2·a） ＜4200MJ/ （m2·a）
图三: 中国太阳能资源分布图
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二光电电池基本原理 光电幕墙（屋顶）的基本单元为光电板，而光电板是由若干个光电电池（又名太阳 能电池）进行串、并联组合而成的电池阵列，把光电板安装在建筑幕墙（屋顶）相应的 结构上就组成了光电幕墙（屋顶）。 2.1 光电现象： 1983年，法国物理学家 A. E贝克威尔观察到，光照在浸入电解液的锌电板产生了电 流，将锌板换成带铜的氧化物半导体，其效果更为明显。1954年美国的科学家发现从石 英提取出来的硅板，在光的照射下能产生电流，并且硅越纯，作用越强，并利用此原理 做了光电板，称为硅晶光电电池。 2.2 硅晶光电电池分类： 硅晶光电电池可分为单晶硅电池，多晶硅电池和非硅晶电池。
照片十四 单晶硅光电电池： 表面规则稳定， 通常呈黑色， 效率约14~17%
照片十五 多晶硅光电池： 结构清晰， 通常呈兰色 效率约12~14 %
照片十六 非硅晶光电电池： 透明，不透明或半透明 透过12%的光时，颜色 为灰色，效率为5~7%
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2.3硅晶光电电池原理 硅晶光电电池的原理是基于光照射到硅半导体PN结而产生的光伏效应（Photovoltraic Effect，缩写为PV），它的外形结构有圆形的和方形的两种，其结构如图（四）所示
E
int
P
N
I
负载
PN结和光生伏打效应（图五）
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2.4光电电池（太阳电池）的效率 太阳电池的效率是指太阳电池的输出功率PM与投射到太阳电池面积上的功率Ps之比，其 值取决于工作点。通常采用的最大值作为太阳电池的效率，即： PM VM×IM η=ηmpp= = Ps Ps 如果太阳电池不工作于最大功率点，则太阳电池的实际效率都低于按此定义的效率值， 实际效率可能更低。 影响太阳电池的效率的因素很多，如日照强度、光谱、温度等，只有当这些因素都确定 时，太阳电池的效率才能被确定。下面分别讨论上述三种因素对太阳电池效率的影响： 日照强度S：其单位是W/m2，在大气层之外其值最大，称为太阳常数。在大气层之外的日 照强度为S≈1.37kw/m2。在地球表面的S值通常在零到1kw/m2之间变化。图六绘出了一 簇以多种不同S值为参数的特性曲线。由图可见，短路电流ISC随着日照度S的变化而有 较大改变，而空载电压VOC仅是随着S的变化而略有变化。如果进行粗略的简化，可以 表示为： （IM为负载最佳工作点的电流） ISC ~ IM ~ S 以及 VOC ~ VM ~ LnS 因此，太阳电池的效率也可以表示为： η=ηmpp ≈ S×LnS ≈ LnS S
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I
SC
/A
1000W/m
2
2 2.00 由上式可以看出，效率η仅 800W/m 是随着日照强度S的变化而微弱 2 600W/m 1.50 地变化，它们的关系是近似的对 2 数关系。当太阳电池的最佳工作 1.00 400W/m 点始终保持在它的最大功率点上 2 200W/m 0.50 时，太阳电池具有相当好的 “部 分负荷特性 ” ，既它带有部分负 V 100 200 300 400 500 600 荷时的效率不见得会比它带有额 图六 不同S对应的曲线簇 定负荷时的效率小。 光线的波长λ或频率f ： 在非单色光的照射下，太阳电池的效率和光谱特性有关。由于地球表面上日照光谱既 取决于测量瞬间的天气条件（云、雾、空气、湿度等）。因为在每一天中对应的时间 不同，太阳光线与地球表面的夹角即日照投射的倾角θ不同，因此地球表面的日照光 谱取决于日照投射的倾角θ。当θ不同的时候，太阳光在大气中所经过的距离不同， 即大气质量 AM不一样，则太阳光谱曲线就不一样。因此，需要给定太阳电池在某一 光谱下的效率时，应该在相应的大气质量下给定。太阳电池的效率还和温度有关。太 阳电池具有负的温度系数，即太阳电池的效率随着温度的上升而下降。图七给出了日 照强度为1kw/m2，而温度变化范围为20~70℃时效率变化的情形。可用下面的公式近 似表示：
图一：全世界1966年~1999年太阳能电池产量 （单位MWP）
250 200 150 100 50 0
99 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 1986 19
Crystalli ne Silicon Amorpous Silicon Compound Smiconduc iors Total Sipment
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我国1995年的发电量约为1亿MW·h，如果全部用太阳能电池发电，其接收面积约为 12500km2，比天津市还要大。以上数值表明，所需的面积是相当可观的，利用建筑幕 墙（屋顶）和太阳能电池相结合是解决接受面积的主要途径，因而光电幕墙（屋顶） 近年来发展相当迅速，已建成的一些实例工程有：
德国慕尼黑银行光电屋顶（照片一） 面积140m2，功率15kw 德国慕尼黑银行光电幕墙（照片二） 面积350m2，功率35kw