绿色建筑建筑产生能源.docx

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绿色建筑建筑产生能源

建筑产生能源

摘要：

本文结合具体实例简单介绍了光伏发电系统，建筑与光伏系统的组合方式，光伏一体化建筑的优点及缺点，以及在设计时应该注意的问题。

关键词：

光伏发电、光伏一体化建筑

一、光伏一体化建筑国内外发展现状

太阳能发电是21世纪科学技术的前沿阵地，世界各地的政府都支持太阳光发电事业。

欧盟可再生能源白皮书和“起飞运动”是欧洲太阳能发电的里程碑；德国政府的“十万个光伏屋顶计划”和德国新的“可再生能源法”保证私人的太阳光发电系统用不完的电，可以上电力网卖给国家电力公司；美国政府的“克林顿总统百万太阳光发电屋顶计划”即在2001年前将要为100万个美国家庭的每一户安装3~5KW太阳光发电屋顶；日本政府在“阳光规划”执行后，2000年又推出《新阳光规划》，对光伏屋顶系统实行强有力的补贴政策，使居民光伏屋顶系统最近5年平均年增产率为96.7%，成为目前世界光伏发电的最大市场。

中国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模。

据统计，截止1997年底，我国已完成并正常使用的太阳能光伏发电系统装机容量为10～15MW，主要用于边远地区居民的供电。

随着光伏发电领域的转变，我国的BIPV系统的研究与开发已取得了很大的发展。

“九五”期间我国在深圳、北京分别成功建成17KWp、7KWp光伏发电屋顶并实现并网发电。

在世界银行捐赠及双边或多边技术合作的支持下，预计我国光伏市场年销售量将以20％的年增长速度发展，到2010年可望超过10MW。

二、光伏发电系统简介

1.光伏发电原理

光伏发电，其基本原理就是“光生伏特效应”。

指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。

有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

普通的晶体硅太阳电池由两种不同导电类型（P型和N型）的半导体构成，分为两个区域：

一个是正电荷区，一个是负电荷区。

其P型区和N型区相结合的部位有一个特殊的薄层，这个薄层就称为PN结。

由于一边缺少电子另一边缺少空穴，电子和空穴就会自发的相对扩散，这样的扩散同样使得在接触点向两边的扩散区域存在一个电场，随着扩散的进行，这个电场越来越强，直到这个电场的强度足以和扩散的动力相平衡，这样就形成了稳定的结区，我们称他为PN结。

所以PN结具有单向导电性。

受到阳光照射时　PN结两侧的空穴往P型区移动，电子往N型区移动，从而在PN结两侧集聚形成电位差。

注：

P型半导体：

也称为空穴型半导体。

即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。

N型半导体：

也称为电子型半导体。

即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。

当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

这个过程就是光子能量转换成电能的过程。

2.太阳能光伏发电系统

（1）独立光伏发电系统

基本原理是在太阳光照射下，将光伏电池板产生的电能通过控制器直接给负载供电，或者不满足负载要求的情况下将多余的电力给蓄电池充电进行能量储存。

当日照不足或者在夜间时，则由蓄电池直接给直流负载供电或者通过逆变器给交流负载供电。

即在自己的闭路系统内部形成电路

太阳能电池方阵——将多个太阳能电池组件组装在一起，其功率满足系统负载的需要，这样的发电装置集合称为“光伏方阵”。

蓄电池组——蓄电池组的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

控制器——能自动防止蓄电池过多充电和过多放电的设备。

由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过多充电或过多放电的充放电控制器是必不可少的设备。

逆变器——将直流电转换成交流电的设备。

由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

（2）光伏并网发电系统

并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，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交流电，产生的电流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。

优点：

并入电网发电是应该大力发展的发电系统，它相对于独立发电系统省略了蓄电池蓄能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由蓄电池带来的运行费用，同时也处理了蓄电池带来的间接污染。

另外，此系统能使光伏电池始终运行在最大功率点，由电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电效率，并且使电网获得收益，缓解了电网的传输和分配负担。

三、光伏发电系统与建筑结合的形式

1.建筑附加光伏（BAPV）

BAPV（BuildingAppliedPhotovoltaic），即把光伏系统安装在建筑物的屋顶或者外墙上，建筑物作为光伏组件的载体，起支撑作用。

也就是光伏系统本身不作为建筑的构成，拆除后建筑物可以继续使用。

1）光伏系统与建筑屋顶相结合

将建筑屋顶作为光伏阵列的安装位置有其特有的优势，日照条件好，不易受到遮挡，可以充分接受太阳辐射，光伏系统可以紧贴建筑屋顶结构安装，减少风力的不利影响，并且，太阳光伏组件可以替代隔热层遮挡屋面。

此外，与建筑屋顶一体化的大面积光伏组件由于综合使用材料，不但节约了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低，有效地利用了屋面的复合功能。

2）光伏系统与建筑墙体相结合

对于多、高层建筑来说，建筑外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。

为了合理的利用墙面收集太阳能，可采用各种构造和材料，将光伏系统布置于建筑墙体上不仅可以利用利用太阳能生产电力，满足建筑的需求，而且还能有效的降低建筑墙体的温度，从而降低建筑物室内空调冷负荷。

2．建筑集成光伏（BIPV）

BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic）建筑与光伏组件的结合，即光伏组件与建筑材料集成化，光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏阵列成为建筑不可分割的一部分。

如光伏玻璃幕墙、光伏瓦和光伏

1）光伏组件与玻璃幕墙相结合

将光伏组件和玻璃幕墙集成化的光伏玻璃幕墙，突破了传统玻璃幕墙单一的维护功能，把以前当做有害因素而屏蔽在建筑物表面的太阳光，转化为能被人们利用的电能，同时这种材料不多占用面积，而且优美的外观具有特殊的装饰效果，更赋予建筑物鲜明的现代科技和时代特色，已经成为光伏建筑一体化应用的一道亮丽风景线

2）光伏组件与遮阳装置相结合

将光伏系统与遮阳装置构成多功能建筑构件，一物多用，即可有效利用空间为建筑物提供遮挡，又可以提供能源，在美学与功能两方面都达到了完美的统一。

3）光伏组件与屋顶瓦板相结合

太阳能瓦是太阳能光伏电池与屋顶瓦板结合形成一体化的产品，这一材料的创新之处在于使太阳能与建筑达到真正意义上的一体化，该系统直接铺在屋面上，不需要在屋顶上安装支架，太阳能瓦由光伏模块组成，光伏模块的形状、尺寸、铺装时的构造方法与平板式的大片屋面一样。

4）光伏组件与窗户及采光顶相结合

光伏组件若是用于窗户、采光等，则必须能够透光，就是说既可发电又可采光，除此之外，还要考虑安全性、外观和施工简便等因素。

四、光伏一体化建筑实例介绍

1.全球单体最大太阳能建筑并网发电—尚德光伏研发中心大楼竣工。

2009年1月8日，全球最大的光伏建筑一体化低能耗生态建筑——尚德光伏研发中心大楼竣工。

该大楼在我国建筑领域首次引进“零能耗”、“功能型”、“生态建筑”概念，全部使用光伏玻璃幕墙等太阳能光伏建筑一体化材料，直接为大楼提供绿色环保的太阳能电力。

整个工程设计容量为1兆瓦，预计全年发电量将达到70万千瓦时，预计将为整体建筑提供80％耗电.以最低使用寿命25年计算，共可产生电量1737.5万千瓦时，对推广绿色能源，缓解峰电压力起到很好的作用。

预计每年可以替代标准煤240吨，减排432吨，25年共替代标煤6000吨。

2.世博太阳能光伏一体化工程

世博园区中国馆和主题馆太阳能光伏建筑一体化（BIPV）工程，总投资约1.8亿元人民币,其中中国馆采取了利用68米平台和60米观景平台铺设单晶太阳能组件的方案，总装机容量达302千瓦。

中国馆的60米观景平台四周将采用特制的透光型“双玻组件”太阳能电池板，用这种“双玻组件”建成的玻璃幕墙，既具有传统幕墙的功能，又能够将阳光转换成清洁电力，一举两得。

主题馆则在屋面铺设了面积约2万6千平方米的多晶太阳能组件，面积巨大的太阳能电池板让主题馆的装机容量达到了2825千瓦，而大菱形平面相间隔的铺设方法也同时保证了屋面的美观。

两座场馆共安装了各类太阳能组件17866块，总安装面积28800平方米，太阳能总装机容量高达3127千瓦。

一旦投入使用，两座“绿色电站”年均发电量约284万度，每年即可节约标准煤约1000吨，年均减排二氧化碳约2500吨、二氧化硫84吨、氮氧化物42吨、烟尘762吨，无愧于“绿色”的称号。

五、光伏一体化建筑的优缺点及设计中需注意的问题

1.光伏一体化建筑的优点

①、联网系统光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用。

这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。

②、可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。

③、建筑物光伏板既可以发电又可以作为普通的建筑材料，起了双重作用，减少了光伏成本的回收期。

④、降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。

⑤、避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。

⑥、可以提供创新方式改善建筑物的外观审美。

2.光伏一体化建筑的缺点

、太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。

一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。

、太阳能发电的成本高，目前太阳能发电的成本是每度2.5元，比常规发电成本每度1元翻倍。

、太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性。

这是由于太阳并不是一天24小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。

3.设计光伏一体化建筑时需要注意的问题

（1）光伏组件的力学性能

作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h（2，400Pa）风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。

用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。

例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。

但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。

（2）建筑的美学要求

BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。

但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。

如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。

同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。

一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。

但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。

比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。

合理设计的BIPV双

玻组件具有美观、遮

阳、采光、发电等多

重效果

（3）建筑结构与光伏组件电学性能的配合

在设计BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。

另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。

结语：

按目前光电转换技术发展水平和生产、运营成本，大面积商业化使用太阳能发电作为建筑用能，特别是空调、采暖用能，还远缺乏市场竞争力；鉴于目前太阳能光伏电池的价格，建筑领域大规模应用太阳能时机尚未成熟。

在这种情况下，我国利用太阳能有两种态度，一种是锦上添花；在发达地区为营造环保和应用高科技术的形象，建造一些太阳能光伏一体化应用示范工程；另一种是雪中送炭：

对不发达地区，尤其是一些电网尚未通达的贫穷地区，由政府补贴，使用光伏一体化建筑，解决那里百姓的无电之苦。

从经济性、社会人文关怀和客观效果而言，后者可能更应当提倡。

参考文献：

《太阳能建筑设计》王崇杰，薛一冰等编著中国建筑工业出版社

《中国光伏产业发展研究报告》

中国可再生能源发展项目办公室主编（2004-2005）.北京.2006.8

《太阳能光伏发电实用技术》王长贵王斯成主编北京化学工业出版社.2005.9

《太阳能光伏发电系统工程》李安定著北京北京工业大学出版社

《中国太阳能建筑应用发展研究报告》

中国建筑工业出版社;第1版（2009年8月1日）

《太阳能建筑一体化技术与应用》中国建筑工业出版社