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建筑一体化
学生毕业设计（论文）
题 目 太阳能光伏建筑一体化
学院
专 业
班级
姓 名
学 号
指导教师
完成日期
目录
摘要1
1引言2
1.12
1.22
2原理及形式2
2.12
2.24
3比较研究6
3.16
3.27
4结论9
5致谢12
6参考文献13
太阳能光伏建筑一体化
摘要：
太阳能光伏建筑一体化（BIPV）技术即将太阳能发电（光伏）产品集成或结合到建筑上的技术。
BIPV即BuildingIntegratedPhotovoltaic，其不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。
光伏与建筑一体化（简称BIPV）是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑，
BIPV是房地产业未来发展的新天地。
光伏建筑一体化赋予了建筑物以新的属性，首先使建筑物具有了能源的功能，建筑物不光是能够供人居住，他们还提供能源。
随着光伏建筑一梯化的进一步发展，今后房产的升值将会逐步地转变到更多地依靠科技价值的含量和提升，和采用更加科学和严格的价格评价体系来，从而告别了房地产只能靠恶性炒作加快升值的时代。
使得建筑行业能够协同采用多门高新技术，丰富建筑物的科技内涵，提高建筑物的使用价值，成为产品附加值高的高产出行业。
所有这些，同时也使建筑工程行业极大地拓展自己的市场，发展空间，成为我国社会和经济发展的支柱型。
关键词：
太阳能；建筑一体化；光伏系统
1引言
1.1BIPV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，需要通过严格的力学计算得到更高的力学性能和采用不同的结构方式。
例如尺寸为1200mmX530mm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pv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。
1.2BIPV的美学要求
BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，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。
BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，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。
普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。
1.3BIPV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。
2原理及形式
2.1光伏建筑一体化的系统工作原理
光伏建筑一体化主要是光伏发电系统通过光伏组件用于建筑屋顶（光电屋顶）、墙面（光电幕墙）、遮阳（光电遮阳板）来获取电能的一种方式，其工作原理如图2.9。
光伏系统工作时，安装在建筑物上光伏组件产生直流电源，通过接线盒与逆变器连接，将直流转换成交流，给建筑物负载供电或给建筑物以外其他负荷供电。
光伏建筑一体化的发电主要有两种方式，一种是独立的供电系统，即所发电能直接用于建筑物内部分负载，过剩时采取蓄电池储存。
图2.1-1光伏建筑一体化原理示意图
2.1.1光伏建筑一体化系统
光伏建筑一体化系统分为独立光伏系统、、并网光伏系统和混合光伏系统。
带有蓄电池的可以独立运行的PV系统是独立光伏系统。
并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网馈送电力的光伏发电系统。
从长远的角度来看，并网光伏发电系统更有优越性。
因此，建筑物光伏市场正在或即将从独立发电系统转向并网发电系统。
混合光伏系统是独立发电+并网发电，又称防灾型。
图2.1-2光伏建筑一体化系统图
2.1.2光伏建筑一体化主要安装类型
建材型，指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等；
构件型，指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨蓬构件、遮阳构件、栏版构件等；
与屋顶、墙面结合安装型，指在平屋顶上安装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装等形式。
2.2光伏建筑一体化的形式
2.2.1屋顶一体化方式
将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，也叫以覆盖部分屋面，后者与建筑的整介具有更高的灵活性。
这对于在旧房改造中使用PV板提供了叫能。
PV板与屋顶整合一体化一是可以最大限度的接受太阳光的照射，二是可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏天的热负荷。
PV板与屋顶的构造做法有两种方式，一种是兼为屋顶防水构造层次的部分，这时必须要求PV系统具有良好的防水性能，另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上，后者对于屋顶防水具有保护功能，可以延长防水层的使用寿命。
2.2.2墙面一体化方式
PV板与墙面材料一起进行集成为墙面一体化方式。
现代建筑支撑系统和维护系统的分离使PV板能象木材、金属、石材、混凝土等预制板样成为建筑外围护系统的贴面材料。
PV板墙面一体化主要有PV板外墙装饰板和PV板玻璃幕墙两种方式。
PV板玻璃幕墙是指透光型PV板和玻璃集成制成的光电幕墙。
该组件是由太阳电池芯片和双层玻璃板构成，芯片夹在玻璃板之间，芯片之间和芯片与玻璃板边端之间留有定的间隙，以便透光，芯片而积占总而积的70%，也即透光率为30%,叫以有效的解决幕墙的遮阳，在夏天就像把巨大的遮阳伞有效的降低了建筑的热负荷，同时为室内提供特殊的光照气氛，更因其特殊的颜色和肌理拓展了建筑的表现空间。
现在PV板价格和某些天然石材己经没有差别，我们相信今后随着PV板的发展，成本只会越来越低，这就为PV板在建筑的广泛应用创造了良好条件。
光电屋顶与光电幕墙的出现，为建筑师展示建筑艺术作品多了一种新的选择。
2.2.3建筑构件一体化方式
PV板与建筑的雨篷、遮阳板、阳台、天窗等构件有机整合，在提供电力的同时可以为建筑增加美观的细部。
PV板和遮阳板的结合不仅可以为建筑在夏天提供遮阳，还可以使入射光线变得柔和，避免同眩光，改善室内的光环境，而且可以使窗户保持清洁。
但同时应该注意到高效率的PV系统并非定是高效率的一体化系统，一体化建筑具有美观性之外，还要求一体化进行科学的计算和设计，满足建筑构件所要求的强度、防雨、热工、防雷、防火等
2.2.4光伏LED一体化━光电LED多媒体动态幕墙和天幕。
光伏LED一体化夹层由太阳能电池和LED半导体的透明基板，可放置在幕墙、屋面边框内构成的光电单元，可以模块化。
常规交流供电系统作为LED供电电源，必须将电源转换成低压直流电才能使用，考虑到功率因素的影响和LED供电的特殊性，需要合理设计复杂控制转换电路，不仅增加了照明系统成本，又降低了能源的利用效率。
太阳能光伏发电技术能与LED结合的关键在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。
因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，太阳电池组直接将光能转化为直流电能，通过串、并联的方式任意组合，可得到LED实际需要的直流电，再匹配对应的蓄能电池便能实现LED照明的供电和控制。
无需传统的复杂逆变装置进行供电转换，因而这种系统将获得很高的能源利用效率、较高的安全性、可靠性和经济性。
太阳能电池与半导体照明LED一体化是太阳能电池和LED技术产品的最佳匹配，是集发电、照明、多媒体、建筑节能、动态幕墙和动态天幕。
目前光伏建筑一体化大约有10种型式。
光伏组件与屋顶的结合或集成、光伏组件与幕墙、光伏组件与玻璃窗、光伏组件与遮阳板的集成。
光伏组件与LED组合或集成的幕墙、天幕等10种型式，
3比较研究
3.1非晶硅薄膜电池在光伏建筑一体化的优势
太阳能电池产品主要分为晶体硅电池、薄膜电池两类：
前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种，占据全球该行业绝大多数的市场份额；后者主要包括非晶硅电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池等，转换效率比晶体硅电池低，目前市场份额较小。
从市场前景来看，薄膜电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设等方面的应用，将比传统的晶体硅电池更为广阔。
以上几类光电池，按照各自不同的特点，有各自最为适合的使用范围，单晶硅电池和多晶硅电池可以用于建造独立的光伏电站。
晶体硅太阳能电池仍占有大部分的市场,但其成本下降的空间有限，而薄膜太阳能电池不仅成本下降的空间较大，转换效率也在迅速提升，在电力供应市场和光伏建筑一体化方面,薄膜太阳能电池都占有举足轻重的地位。
3.1.1薄膜（Thinfilm）光伏电池
薄膜光伏电池其薄膜厚度一般在2～3μm。
其中包括硅薄膜型（主要包括多晶硅、非晶硅和微晶硅）、化合物半导体薄膜型：
主要包括非结晶型（a-Si:
H,a-Si:
H:
F,a-Six-Gel-x:
H等）、III-V族（GaAs,InP等）、II-VI族（Cds系）和磷化锌（Zn3P2）等、新材料薄膜型电池（主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池）。
相同条件下非晶硅（a-Si）薄膜电池年发电量多于其它硅电池。
从技术角度上来说，薄膜太阳能电池转换效率目前只能够做到6%，如果提高到9%，其建设成本的优势将会充分发挥。
国内的相关厂商为突破转换率的瓶颈，今年都将积极布局较高效率的堆迭式微晶硅薄膜，期望将转换效率提升至8-10％，这次金融危机发生之前光伏发电度电价在4元以上，金融危机挤掉行业之前的泡沫，尤其是带来了所有与光伏产品有关的原料产品的下降，比如硅料、钢材、水泥、设备等。
目前，光伏发电成本已得到大幅降低到在2.3元左右。
国家实行光电建筑工程补贴后，如果转换效率提升至9％，光伏建筑一体化电价降低到常规发电的上网电价水平之时已不遥远。
将有望成为第一个达到电网等价点的太阳能技术。
由于原材料短缺，在单晶硅和多晶硅太阳能电池的发展速度受到限制的情况下，新型薄膜太阳能电池发展尤为迅速。
太阳能光伏建筑一体化电池发电量的2/3以上将来自薄膜太阳能电池。
CIS、CIGS、CdTe薄膜型电池製程技術相當複雜，設備需自行開發，導致高額成本。
銦（In）及鎵（Ga）元素，在地球上的蘊藏量有限。
將來也有可能和現在的矽材一樣，發生材料短缺。
加之性能長期穩定尚待確認，CdTe薄膜型电池会产生鎘污染等不足之处影响其推广应用。
在光伏建筑一体化市场非晶硅（a-Si）薄膜电池比其它薄膜电池更有应用优势。
预计在未来薄膜电池市场中非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）三种电池将分别占到薄膜光伏市场的70%、20%和10%。
非晶硅（a-Si）在光伏建筑一体化应用上应用优势：
3.1.2非晶硅薄膜电池的结构
目前非晶硅薄膜电池主要有三种结构：
以玻璃为衬底的单结或双结非晶硅电池，以玻璃为衬底的非晶硅和微晶硅双结电池，以不锈钢为衬底的非晶硅和非晶锗硅合金三结电池。
由于各种产品都有其独特的优势，在今后一段时间里这三种电池结构还会同步发展。
硅基薄膜电池的长远发展方向是很明显的，除了要充分利用其独特的优势，主要是克服产品开发、生产和销售方面存在的问题。
硅基薄膜电池要进一步提高电池效率，利用微晶硅电池作为多结电池的底电池可以进一步提高电池效率，降低电池的光诱导衰退。
在提高电池转换效率的同时，增加生产的规模是降低生产成本的重要途径。
随着生产规模的扩大，单位功率的成本会随之降低，相应的原材料价格也随之降低，另外开发新型封装材料和优化封装工艺也是降低成本的重要研究和开发方向。
3.2非晶硅电池在建筑物上运用的优势
（1）材料和制造工艺成本低。
每平米的造价约低40%左右。
这是因为生产工艺更简化，能耗更低，硅薄膜仅有数千埃厚度，昂贵的纯硅材料用量很少。
同时衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。
（2）易于形成大规模生产能力。
这是因为核心工艺适合制作持大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。
（3）品种多，用途广。
薄膜的a-Si太阳电池易子实现集成化。
器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。
灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合用于建筑物的安装。
（4）具备弱光发电的性能，这是由于光吸收系数高，暗电导，非晶硅材料的价带电子的能级较低，在太阳辐射强度很低时就具备了发电性能，也就是，该性能使得非晶硅薄膜电池受风沙、雨雪等天气的影响很小，年发电天数达320天左右，日发电最长时间可以从早上6点延续到晚上7点。
日发电达到13小时左右。
（5）非晶硅薄膜电池具有透光性，透光度可从5%到75%，当然，随着透光性的增加，光电池的转化效率会随着下降，运用到建筑上的最理想的透光度为25%。
（6）由于a-Si材料的先带隙比单晶硅和多晶硅宽，因此a-Si太阳电池的功率输出不明显依赖电子度。
在实际工程运用之中，承受的工作度晶体硅要高。
上图为晶体硅电池与非晶体硅电池受度的影响功率下降的分布示意图。
取在标注条件检测均为100W的电池，a-Si（amorphousSilicon）非晶硅电池使用度上升到70℃[时，功率下降仅为10W左右，而晶体硅电池则在相同状况下的功率下降接近30W。
（7）非晶硅电池工作中不受环境的影响，而晶体硅电池如果其中一小部分被遮挡，会产生孤岛效应，这将极大的降低整个组件的功率输出。
（8）非晶硅电池的板块能更好的配合建筑分格。
下图为非晶硅薄膜电池与其它电池在建筑外立面的建筑效果（右侧为非晶硅薄膜电池，左侧为晶体硅电池）的比较。
晶体硅外观效果零碎，杂乱。
非晶硅和建筑物能很好和建筑物融为一体，不影响建筑的宏观效果。
4结论
光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源。
生物质能源实质上都是太阳能通过植物叶绿素细胞转化成“物质能”储存在有机质里，并同时吸收大气中的二氧化碳，然后通过燃烧和其他技术途径使这些太阳能和二氧化碳重新释放出来。
植物生长过程中所吸收的二氧化碳与作业燃料利用过程中所释放出来的二氧化碳是相等的，植物从生长到燃烧后变成灰土，整个循环过程的碳是零排放的。
而且能源产出率比目前太阳能电池能值产出率要高，能源密集型的玉米为目前太阳能电池2.7倍；人工林木材为目前太阳能电池5.12倍；水电站（河流能）为目前太阳能电池24.4倍。
目前太阳能电池能值产出率与自然其它直接利用太阳能方式相比要低数倍、甚至数十倍，这是制约当前BIPV大规模应用的关键。
从仿生学角度来看，光伏建筑一体化和光伏电站向大自然学习高效直接利用太阳能，避免使用化石燃料转化的火力电能，这不仅能挽救日益恶化的碳循环，而且也是将太阳能利用效率提高数十倍的有效途径。
2009年4月28日，中国十三家光伏企业发起的《洛阳宣言》：
“要在2012年达到光伏发电成本每度电1元钱”。
2009年3月22日开标的敦煌10MW光伏电站特许权招标项目，爆出了0.69元/度的最低价，投标者次低价为1.09元，最高价只有1.67元，平均价在每度电1.5元以下，价格低得超出了大多数人的想象，引起了市场和政府部门对光伏成本究竟是多少的关注。
提高效率降低成本是关键：
光伏成本的下降，并不是在金融海啸引起的经济不景气状况下的权宜之计。
成本、只有成本，才是光伏产业发展的真正动力。
无论是景气也好，不景气也好，光伏产业中各个环节的价格必须不断下降，美国科学家特拉斯维布拉德福德在新出版的《太阳革命》一书中预言:
“太阳能将在未来二十年内成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源”。
中国光伏发电的成本下降速度可能比预言、预测还要快，光伏电价切切实实地低于常规火力电价已指日可待！
光伏建筑一体化绿色电能引领着新一轮能源革命。
欧洲光伏工业协会（EPIA）近日发布了名为《2014年全球光伏市场展望》的最新报告。
该报告预测了在普通和政策利好两种不同的情形下，全球光伏市场未来五年的发展走势。
EPIA在报告中首先肯定了光伏产业近年来的稳步发展。
尽管经济危机阴霾尚未褪去，2009年光伏市场仍同比增长15%，总装机容量更是增长45%，至22.9吉瓦。
EPIA还修正了对2010年装机规模的预测。
如果在普通情形下，全球新增市场规模将达10.1吉瓦，如果在政策利好的情形下，则可达15.5吉瓦，早前的预测分别只有8.2吉瓦和12.7吉瓦。
EPIA还指出，政策利好情形下，全球2014年光伏装机容量单年可突破30吉瓦。
中国是众所周知的光伏产品制造大国，光伏电池年产量已跃居世界首位。
但长期以来，在世界应用市场上却排不上名次。
2009年，中国首次跻身世界十大光伏市场之列。
根据中国产业协会和政府机构的数据，2009年中国光伏市场规模约为160兆瓦。
EPIA在报告中称，凭借其12吉瓦的超大输电线路工程，中国具备快速成长为亚洲乃至世界主要市场的实力。
根据EPIA的预测，如果2010年政府出台相关鼓励政策，规模可突破600兆瓦。
到2014年，中国光伏发电新增装机容量在600兆瓦和2.5吉瓦之间。
EPIA的报告显示，在晶体硅电池和光伏组件的生产方面，仍是中国大陆和台湾地区的厂商占据主导地位（其市场占有率超过50%）。
欧洲晶体硅电池和光伏组件的市场占有率分别为20%和30%。
日本这两项指标均不超过10%。
而美国两者生产的市场份额不足5%
太阳能光伏建筑一体化技术和成本取得突破性的进展，将彻底消除BIPV使用障碍，绿色BIPV电能替代传统火力电能，必将引领新一轮能源革命。
所以我们既要把发展太阳能光伏建筑一体化新能源作为应对危机的重要举措,又要把太阳能光伏建筑一体化新能源提高到国际竞争的战略制高点的位置。
这最大的历史性机遇与社会发展方向。
“三文件”对太阳能建筑的财政补贴、政策扶持和示范工程建设等的相关鼓励政策，是国家加大对光伏建筑一体化新能源领域投入的开始，在以后可能还会陆续有配套政策出台。
光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源。
从而推进住宅产业化进程，催生BIPV光伏建筑房地产行业，BIPV产品成为设计师、开发商、业主的自然选择，BIPV将像电视、电话那样进入千家万户，家家户户用上光伏太阳能，每家每户是电的消费者，又是发电厂。
我国光伏建筑一体化筑将迎来发展的春天。
太阳能光伏建筑一体化的蓬勃发展是必然的，太阳能光伏建筑一体化方兴未艾，任重道远。
“日出江花红盛火，春来江水绿如兰”，金太阳正在升起，太阳能光伏建筑一体化春天来到了！
5致谢
在此论文完成之际，我要深深地感谢攻读学位期间所有在学习和生活上给予过关心和帮助的人们。
首先，要衷心感谢我的导师。
今天我能够顺利完成论文的写作，无不凝聚着老师们的心血与汗水。
老师在论文的选题，研究方案的确定以及具体的实施过程都给予了周密的指导，他们严谨的治学态度和系统的科研思路让作者受益终生。
同时，他们平易近人、和蔼可亲的生活作风也给我留下了深刻的印象。
感谢同学在写作过程中给予我的建议和帮助，同窗共读的情谊我将永远铭记于心。
在论文完成之际，我心中满是感激之情，感谢父母的养育之恩和无私的支持。
十数载寒窗苦读，我永不忘家人在此间作出的牺牲和无私的奉献。
感激之情，述之不尽，只好言止于此。
参考文献
[1]《太阳能光电板在建筑一体化中的应用》张雪松,2005,56-67
[2]《太阳能的广义性》仇保兴,
[3]《PhotovoltaicsinBuildings》ABRIEFINTRODUCTION,2008
[4]《晶体矽太阳电池》左元准
[5]《中国将成为全球第一个光伏发电大规模商业化运营的国家》史博士
[6]《太阳能利用与建筑学变革》仇保兴
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