太阳能光伏建筑的现状与展望.docx
《太阳能光伏建筑的现状与展望.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能光伏建筑的现状与展望.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
太阳能光伏建筑的现状与展望
太阳能光伏建筑一体化的现状与展望
一、太阳能建筑的定义
太阳能建筑有主动式太阳能建筑和被动式太阳能建筑之分，其中主动式太阳能的实现可以分为三种形式：
1）光→热；2）光→热→电；3）光→电。
1主动式太阳能建筑
1）“光→热”系统
在这里，主动式太阳能建筑需要借助常用能源电能（如泵、鼓风机、引风机等等）运行的系统，这个系统由集热器、蓄热器、收集回路、分配回路组成，通过平板集热器，以水为介质收集太阳热。
吸热升温的水，贮存在地下水柜内，柜外围以石块，通过石块将空气加热後送至室内，用以供暖。
如将蓄热器埋在地层深处，把夏季过剩的热能贮存起来，可供其他季节使用。
主动式太阳能系统按传热介质又可分为空气循环系统、水循环系统和水、气混合系统。
这种形式的主动式太阳能系统主要有：
液体平板型集热系统、空气平板型集热系统、真空管型集热系统、聚集型集热系统和热泵式集热系统。
2）“光→热→电”系统
光→热→电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。
前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。
因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
3）“光→电”系统
“光→电”直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的，光电系统系统结构图如上图1所示。
2被动式太阳能建筑
经过建筑设计师精心设计，能够使得建筑构件本身能够利用太阳能采暖供暖，通过自然通风完成降温制冷的过程，系统运转过程中不需消耗电能，这样的系统称为被动式太阳能系统。
采用这种系统设计的建筑成为被动式太阳能建筑。
用建筑物的一部分实体作为集热器和贮热器，利用传热介质对流分配热能的系统。
被动式太阳能系统利用建筑材料的吸热性、蓄热性和传热介质的对流收集热能，贮存热能，分配热能。
被动式太阳能系统在冬季吸收热能作为供暖的热源，在夏季把建筑物内的热量散发出去，作为调节室内温度的冷源。
被动式太阳能系统的能量利用比较充分，效率较高，经济实惠，且简而易行，发展前途比较广阔。
在中国新疆、内蒙、天津、甘肃等地区已有多处采用。
目前被动式系统有以下五种﹕
1）直接收益式
在房屋的朝阳面设置大面积双层玻璃窗，利用室内的地面和墙体，作为蓄热体吸收太阳能。
蓄热体可用混凝土、砖、石等材料，表面最好用深色。
白天蓄热，夜间利用所蓄热能供暖。
2）水墙式
将朝阳墙面做成装水的墙体，墙外设玻璃幕墙，两者之间留出空气隔层。
在冬季的白天，阳光把水墙加热後向室内散热﹔夜晚关闭活动的隔热保温板，使已蓄热的水墙能保证室内热量不致散失。
夏季还可利用水墙作为隔热墙之用，防止辐射热入室。
3）蓄热墙式
将朝阳墙面做成厚重实墙，外涂黑色，外层设玻璃幕墙，两者之间留出空气隔层。
实墙上留出适当的采光面积，上、下留洞口。
白天室内的冷空气通过下部洞口，进入空气隔层受热上升，经由上部洞口进入室内，如此形成对流循环，室内温度即可不断提高。
夜间将洞口关闭，并下帘幕，使室内热量不致散失。
夏季开启厚墙和玻璃幕墙上的小窗，可通风降温。
4）太阳温室式
在房屋外部建一玻璃温室，与室内有洞口相通。
白天太阳将温室加热後，实墙已蓄热，热量即散入室内。
实墙也可设计成隔热用的水墙。
温室也可以作为一个附加的、阳光充足的空间，作为生活起居之用，可以种菜、栽花或作室内绿化，但在夏季要有遮阳措施。
5）屋顶水池式
在屋顶上用透明材料做成水袋或水池，上盖活动式隔热保温板。
在冬季的白天，将保温板拉开，太阳将水加热，夜间关闭保温板。
水有较大的热容，可持续向室内散热。
夏季的白天大部分阳光被保温板所反射，其余被水吸收，水袋或水池起隔热作用﹔夜间打开保温板，使之散热、降温。
二、光伏发电与建筑基础啊BIPV
“光伏发电与建筑物集成化”（Building-IntegratedPhotoVoltaics）的概念在1991年被正式提出。
由于太阳能光伏发电可以和建筑很好的结合，使得其在城市中得到很大的发挥作用。
一般来说将太阳电池组件安装在住房或建筑物的屋顶，引出端经过控制器及逆变器与公共电网连接，由光伏方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。
它具有调峰、环保的功能。
另外也可以用太阳光伏的玻璃幕墙（中国2011年的十大太阳能电池中就有中电48所研发的“彩色”单晶硅太阳能电池片）代替普通的幕墙玻璃，这就即可以做建材又可以发电，进一步降低光伏发电的成本，成为城市里一道美丽的风景线，也可以直接用电池组件做建筑材料，比如将单晶、多晶封装到瓦状的电池板中，用来做屋顶。
光伏发电系统主要有两种：
独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
在近几年的光伏建筑体系中，并网光伏发电系统是主要的发展方向，它可以节省蓄电池的费用；通过研究理想的最大功率转换追踪控制技术，也将降低太阳电池并网发电的成本。
太阳能光伏并网发电正由过去的补充式能源向替代式能源发展。
《中华人民共和国可再生能源法》的规定，国家激励发展可再生能源，每个地区的电网公司应当无条件地将当地可再生能源发的电全额高价“收编”到电网，并将其成本在整个电网中平摊，最终由电力消费者担负。
我国并网光伏份额约占总光伏市场的4%左右。
光伏建筑的并网发电系统一般都是示范的项目，真正的商业化的运作还极少。
三、国内外太阳能光伏建筑一体化的发展情况
近年来，光伏建筑物一体化已经成为研究开发的热点，也出现了大量的成功示范工程并开始大规模采用。
光伏发电与建筑相结合具有节约占地，提高发电效率，减少输电线路的投资和损失，替代或部分替代建筑材料等优点。
BIPV系统按照光伏系统和建筑结合形式主要可以分为：
（1）光伏屋顶结构（PV-ROOF），太阳能屋顶发电，在整个BIPV中，屋顶发电占3/4。
这主要是因为屋顶有更多受光面积，方便太阳电池组件的安装；
（2）光伏幕墙结构（PV-WALL），现代高层建筑，几乎都是被玻璃幕墙，或者铝塑幕墙所包裹。
所以用太阳能幕墙代替原来的幕墙已经成为BIPV的一道亮丽的风景线。
BIPV系统一般由光伏阵列（太阳电池组件）、墙面或屋顶和冷却空气通道、支架等组成。
对于一个完整的BIPV系统，还应该有另外一些设备负载、蓄电池、逆变器、系统控制等。
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。
当一个BIPV系统参与并网时，可以不需要蓄电池，但需有与电网联入装置，而并网发电是当今光伏应用的新趋势。
将光伏组件安装在住房和建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器及逆变器与公共网相连接，由光伏方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网光伏系统。
由于其全部或基本不用蓄电池，造价大大降低，并且除了发电以外还具有调峰、环保和代替某些建材的多种功能，因而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。
建筑能耗大约占各国总能耗的1/3，光伏与建筑结合可以有效地减少建筑能耗，不论从建筑、技术或经济角度出发，太阳能光伏与建筑一体化均有诸多优点：
（1）可以有效利用围护表面（屋顶和墙面），无需额外用地或建其他设施，节省了土地资源，这对人口密集、土地昂贵的城市建筑有尤为重要的作用；
（2）可原地发电、原地使用，可节约电站送电网的投资和减少输电、分电损耗；
（3）通常夏季由于空调、制冷等设备的使用，形成用电高峰，而这时也是光伏方阵发电最多的时期，BIPV系统除保证自身建筑内用电外，还可以向电网供电，从而舒缓高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；
（4）由于光伏阵列安装在屋顶和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，因此可以改善室内温度，并且降低空调符合；
（5）利用太阳能光伏发电减少了一般由于化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要；
（6）在建筑围护结构上安装光伏阵列，可推动光伏组件的应用和批量生产，进一步降低其市场价格；
（7）如把光伏电池阵列墙作为建筑物的玻璃幕墙，可减少建筑物的整体造价。
当然，对光伏器件来说，同时还应具有建材所要求的绝热保温、电气绝缘、防水防潮且具有一定强度及刚度，若作为窗户材料，还要有一定的透明度等。
《京都协定书》的签订标志人类正向人类可持续发展的方向努力。
西方发达国家已经充分关注到化石能源的短缺和由此带来的压力，都在大力开发洁净的可再生能源。
然而真正开始光伏发电的产业化发展的历史并不算太长，产业基础相对其他成熟能源工业非常薄弱，因此，为了扶持和促进光伏产业的发展，很多国家都制定了相关的激励政策用于鼓励产业界以及科技界对光伏产业的投入。
在太阳能光伏利用方面，发达国家以光伏建筑一体化并网发电为基本形式，对太阳能的推广十分奏效。
（1）国外太阳能建筑光伏一体化的现状
德国政府于2000年首先颁布《可再生能源法》，2001年光伏发电在德国国内的安装量达到2000年的230%，2003年又公布《可再生能源促进法》，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰期，2004年德国光伏发电总量达到501GWH，可再生能源发电占总发电量的9.3%，德国、日本光伏推广模式都非常成功，值得借鉴。
这两个国家发展的基本思路是将晶体硅太阳电池作为主导产品，并采用屋顶计划和并网发电的基本形式，发展的主要推动力是政府的光伏发电补贴政策和银行贷款的激励机制。
如德国政府带头利用太阳能，像柏林的议会大厦、柏林火车站等许多公共设施与场所，都大量采用光伏发电设备。
（2）国内太阳能建筑光伏一体化的现状
纵观我国太阳能发电行业的发展可分为三个时期。
第一个时期为2001年以前。
我国早在1958年就研制成功了第一块单晶硅太阳能电池。
1971年，卫星太阳能电池诞生。
1979年，我国成立了中国太阳能学会。
1997年，国家制定新能源可再生能源产业发展规划（1998~2015）。
1995年起，我国实施全球环境基本资助的项目“光明工程”。
这一阶段，我国的太阳能电池主要是应用于航天事业，对太阳能的利用主要是太阳能发热。
第二个时期是2001年到2008年，2001年无锡尚德的成立是新世纪光伏产业崛起的标志事件。
以欧洲光伏发电市场的旺盛需求为契机，无锡尚德迅速发展壮大，2005年在纽交上市。
从800万美元的注册资金到市值百亿美元，无锡尚德用了不到十年的时间。
2003年，尚德电池年产量为30兆瓦，2010年预计1000兆瓦，相当于年增长率为65%。
2004年，尚德跨入世界十强，2008年，排名全球第三。
鉴于这个财富神话，国内的电池组件行业迅猛发展。
2008年全球太阳能电池10大供应商中，中国厂商占据了四个席位，电池产量已达到2600MW，超过全球的32.9%。
中国已成为全球第一大太阳能电池生产国。
在这一时期，与世界其他各国相比，中国的太阳能发电行业滞后，根据各国光伏发展规划，美国、欧洲和日本到2010年的光伏安装量分别为5GW、10GW和8GW；到2020年的规划分别为36GW、41GW和30GW。
相比之下，中国光伏发电的近中期目标制定偏低，分别为0.25GW和1.6GW。
2008年中国光伏安装量只有40MW，仅占全球量的0.73%，占国内太阳能电池产量的1.54%。
但是，国内企业对太阳能发电系统的核心技术已经有所掌握，无论从技术的成熟程度还是从人员的设计经验，都已经具备了直接建设高压并网光伏发电系统的条件。
中国第一大漠太阳能电站，于2008年年底在腾格里大沙漠建成发电。
我国已初步建立起了较为完善的太阳能推广服务体系，具备了生产、组装太阳能系统的能力。
2008年全球金融危机爆发，油价下跌，需求锐减使得多晶硅的价格从每公斤400美元降至70美元，这使得电池的价格迅速下落，光电成本下降，是光电上网成为可能。
第三个时期是2009年至2020年。
2009年被行业内称为是太阳能发电元年。
2009年3月，财政部起动“太阳能屋顶计划”，同年7月，推行“金太阳示范工程”，对太阳能发电给予财政补贴。
另一方面，发改委在积极的制定上网电价。
一时间，光伏市场沸腾了。
电力巨头首先抢占光照资源丰富的地区优势，签订长期大型的并网项目。
行业中上游的多晶硅、电池厂商纷纷独自或者绑定电力集团投资电站。
发力下游市场，为产品打开国内市场。
西部地区抓住这个机会，积极的招商引资，寻求新的经济增长点。
2009年，建成投产的光伏发电项目就达到49兆瓦，在建的项目还有1366兆瓦，金太阳示范工程项目合计640兆瓦，合计2055兆瓦，还有很多项目协议商定阶段。
2010年是太阳能发电行业非常关键的一年，发改委将公布上网电价。
电价一旦确定，会有更多的投资注入这个行业，兴建大批的并网电站。
届时，目前在建的电站逐渐建成并网，投入运行。
2011年以后，电价以及补贴政策的修改将会极大的影响到已经并网的电站的盈利。
电站必须考虑到未来的效益而尽可能降低初期投资，或者采用技术手段提高发电效率。
据行业内分析，储能技术的突破还需要十年时间。
2020年，储能瓶颈问题的解决是太阳能发电获得更大发展空间，发电量达到2000万千瓦至3000万千瓦，与风电等可再生能源消费达到能源消费总量的10%左右，达到先进国家利用水平。
至今为止，虽然太阳能光伏发电已经进入快速发展的阶段，但是显然力度还是非常的是够的，这需要中国政府采取与欧洲、日本等一样的扶持政府，使得中国广大地区形成“十万屋顶”、“百万屋顶”、“千万屋顶”“亿万屋顶”太阳能光伏建筑一体化的项目，这样才能从根据现在能源匮乏的问题，不过显然还需要相当一段时间，毕竟中国还是一个发展中国家，想要与发达国家一样给予大量资金显然还是不太现实的。
四、太阳能光伏建筑一体化发展缓慢的原因分析
太阳能光伏发电本身在电网技术、经济、政策和环境效益等方面也有明显的瓶颈。
1）发电能力直接取决于环境的稳定性。
太阳能光伏系统的发电能力究其根本取决于日照、地理气象、昼夜变化等环境因素，因此，该产业对环境的要求便极为严格。
如若理想的气象条件出现大幅变化，当城市的光伏屋顶发电达到一定规模时，该地太阳能光伏电网将为光伏发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压，于是，电网会将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。
这就为其产业稳定性运行带来一定的
麻烦。
此外，昼夜变化，东西部时差也不同程度的对电网运行有一定影响。
2）发电成本居高不下，太阳能光伏发电产业举步维艰。
过去30多年里，尽管光伏发电成本下降了，但仍然远高于常规电力。
截至目前，国内发电成本最低的拉萨，发电成本为0.65元/kwh左右；发电成本最高的贵阳，其发电成本为1.352元/kwh左右，而如果要在一座别墅屋顶上安装一个每年可以发电3000kwh的小型“太阳能发电厂”，预计要花费15万元～20万元左右，可见其发电成本之高。
3）太阳能光伏发电市场和原料均在国外，成为限制其产业发展的又一弊端。
中国光伏发电市场发展缓慢，目前太阳能光伏产业两头在外,即上游的多晶硅材料和最下游的应用都在国外。
国内生产的太阳能电池98%用于出口，相当于大量输出国内紧缺的能源，因此严重制约着中国太阳能光伏产业的发展。
4）产品质量、技术存在一定差距，已成为不争的事实。
众所周知，太阳能光伏发电产业包含一部分多晶硅行业，而这部分行业要想站稳脚跟，除了产品质量要好外，还要有成本效应，这就需要实现一体化的生产。
而制约国内多晶硅产业发展的最大瓶颈在于，核心技术的缺失导致企业的成本过高，产品的质量也无法保障，因此很难与国际巨头进行竞争。
国内生产线多为1000t左右，多是落后技术，提纯的多晶硅含的硼、磷、铜等杂质较多。
这为太阳能光伏发电产业又一瓶颈。
综上研究，中国太阳能光伏并网发电产业应在稳定系统的上,提高技术水平与产品质量以应对市场变化，政府应该积极思考新能源战略，找准定位，拟定长期稳定的激励政策。
五、光伏建筑一体化未来展望
本世纪，能源短缺和环境污染两大问题对世界经济可持续发展的影响十分突出。
大力推广太阳能、风能等可再生洁净能源是解决这两大难题最有效的方法之一。
太阳能是清洁、安全、取之不尽的可再生能源，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。
利用太阳能光伏发电近期可解决特殊应用领域的需要，作为常规能源的补充；远期将大规模应用，逐步替代常规化石能源。
据权威预测，到2030年光伏发电在世界总发电量中将占到5%~10%。
近几年在一些国家“零能房屋”得到了一定的发展，即完全由太阳能光断转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗。
真正做到清洁、无污染，它代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势，许多国家的政府（如美国、德国）都指定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例超过20%的计划。
发达国家光伏项目的成功实施也为我国的光伏发展提供了许多值得借鉴的经验，对德国和日本等国的可再生能源的政策和技术进行深入的了解，对我国太阳能光伏产业的发展具有十分重要的意义。
由于目前国内还不能有偿并网，导致我国的太阳能光伏发电市场发展远落后于德国、日本、美国等发达国家。
2006年1月1日，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施。
该法案将太阳能发电并网合法化，并规定了电网必须收购太阳能电力，这将给中国新能源产业，尤其是太阳能发电产业打开国内市场的大门。
表1全球光伏历年累计光装量
对于全球的2010~2014年光伏产业前景，EPIA（全称EuropeanPhotovoltaicIndustryAssociation欧洲光伏产业协会）做出预测。
除欧洲以外，日本作为全球第三大市场以484MW的安装量显示了重要的增长潜力，这要得益于有力的政治支持。
美国市场也终于步入轨道，2009年安装了475MW，将成为未来几年的主要市场。
中国和印度也将在未来五年中发展成潜力可观的潜力市场。
Shine（ShineMagazine/光能杂志）认为对于中国的光伏发展可能有些保守，中国光伏市场从无到有，发展凶猛，虽然很可能在两年内都无法出台上网电价政策，但五年已经足够中国形成较为良好的光伏发展机制。
因此中国市场很可能取代日本，与美国一道成为欧洲之外的光伏领导者（如上表1所示）。
加拿大和澳大利亚市场有了重大发展，并正为之不断调整相应政策，巴西、墨西哥、摩洛哥、台湾、泰国、南非和其它一些国家也被视为有希望的国家。
作为新兴市场的中国，EPIA同样根据中国历年的光伏产业发展状况，并且根据中国政府政策相关政策的情况，作下如下预测如表2所示。
表2中国历年光伏安装量及前景预测（截止2014年）
作为最主要的光伏制造商，中国在世界光伏市场中几乎完全缺席。
但是，随着总数达12GW的项目开始筹备，中国将有望迅速成为亚洲和世界的主要市场。
高日照时长和电力需求激增，使得中国光伏潜力巨大，但如何发展主要取决于政府决定。
根据中国2009年能源计划，2020年光伏发电至少达到20GW，但实施细节和路线一直含糊不清，同时FIT仍未公布。
2009年中国安装量约为160MW，2010年有可能在政策推动下达到600MW，而2014年可能介于600MW和2.5GW之间。
（Shine注：
本刊对于12GW的说法不认同，其中存在大量的不具有法律效力和实际操作能力的所谓意向书，地方政府的好大喜功也误导了欧洲人。
同时今年组件销售火爆，国内安装热情不高，因此虽然8月10日280MW开标，但总数仍有可能达不到600MW。
）
升级会员 