太阳能光伏技术在建筑中的应用研究

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(汕头大学 医学院 附属肿瘤医院，广东 汕头 515031)

引言

随着全球能源危机的凸显，公众对能源供应和环境保护的意识日益增强，寻找可靠的可再生能源迫在眉睫。太阳能是地球上的主要能量来源，是最具开发前景的可再生能源，是符合可持续发展战略的理想能源，也是发展低碳经济的必然选择。光伏发电技术是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能，它不需燃料，对环境没有污染，是清洁、环保、可持续供给、最具开发前景的可再生能源。

1 太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池将太阳辐射能转换成电能的系统。太阳能电池是太阳能光伏系统中的基本装置，也是发电系统中价值最高的部分。在有太阳光照射的情况下，太阳能电池通过吸收太阳光能产生光电效应，把太阳光能转换成为电能。

通常一个单体太阳能电池只能产生大约0.5 V的电压，远低于实际使用所需的电压，不能直接作为电源使用。作为电源时须将一定数量的单体太阳能电池通过导线串、并联连接和严密封装成组件，形成具有一定输出功率的光伏方阵[1]。太阳能光伏发电系统分为并网光伏发电系统与离网光伏发电系统两大类。并网光伏发电系统所发电能馈入电网，与离网太阳能光伏发电系统相比省掉了蓄电池，节省建设投资与维护费用，是太阳能光伏发电的发展方向。

并网光伏发电系统由光伏方阵、并网逆变器、控制器组成。光伏方阵将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变器直接将电能输入电网。并网光伏发电系统根据设备及安装情况分为集中式和分布式两种形式。集中式并网光伏发电系统是通过构建大型并网光伏电站，将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。分布式并网光伏发电系统原地发电、原地用电，使输电成本和损耗变得最小，在一定距离范围内可以节省常规电网的投资。

离网光伏发电系统由光伏方阵、逆变器、控制器、蓄电池组成。系统以光伏方阵为发电部件，通过控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电。在没有太阳光照射时，通过控制器由蓄电池组给直流负载供电；蓄电池还可直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。控制器具有控制充放电、反向充电保护、过流保护、过载保护、短路保护作用。离网光伏发电系统可作为独立的解决方案，替代柴油发电机，提供可靠的、清洁和成本低廉的电能。在离网光伏发电系统中，蓄电池是仅次于光伏方阵的组成部分，它对系统性能的可靠性影响最大。在光伏发电系统的整个寿命期内，如果考虑更换蓄电池，其成本与光伏方阵的成本相当，所以，发展新的储能技术和先进的控制技术是降低太阳能光伏发电系统成本的重要途径。目前还没有哪种蓄电池能完全适合所有的光伏发电系统，许多因素影响着光伏发电系统中蓄电池的选择和性能。

2 太阳能光伏建筑的优点

太阳能光伏建筑是将太阳能光伏系统与现代建筑完美结合，应用太阳能发电的一种新概念。它通过在建筑结构外表面铺设光伏方阵或将光伏方阵作为建筑构件或建筑材料，利用光伏方阵提供电力，通常是将太阳能光伏发电系统与建筑的屋顶、采光顶、外幕墙、外遮阳等融合为一体。从建筑、技术和经济的角度来看，太阳能光伏建筑有以下优点：

(1)有效地利用建筑物的屋顶和外立面幕墙等部位，无需额外占用建筑空间和土地资源。

(2)就地发电、用电，节省电站送电网的投资。

(3)白天阳光照射时发电，在电网用电高峰期舒缓高峰电力需求。

(4)光伏组件安装在建筑屋顶及外墙直接吸收太阳能，降低墙面及屋顶的温升。

(5)并网光伏发电系统不需要任何燃料，不会产生噪声和污染物，绿色环保。

3 太阳能光伏在建筑中的应用

根据光伏方阵与建筑结合的紧密程度，通常将光伏建筑分为光伏建筑一体化(简称BIPV)和光伏系统附着在建筑上(简称BAPV)两种形式。

3.1 BAPV应用形式

BAPV是直接把封装好的光伏方阵安装在建筑物上，组成光伏发电系统。它的主要功能是发电，作为附着在建筑物上吸收太阳光的发电构件，与建筑物的功能不发生冲突，不会破坏或削弱原有建筑物的功能。

图1是BAPV应用的一种形式，利用建筑物屋面安装光伏发电系统。光伏发电系统纵向主支撑型钢采用H型钢，构造简单又具有一定的高度，使光伏电池板与建筑有一定的通风间距，可保证电池板背面温度不致过高，以免降低光电转换效率；横向承接型钢采用C型钢，既简化了施工工序，又解决了构件与线路间的连接问题，方便拆卸，有利于线路的检修。

图1 BAPV太阳能光伏在建筑中应用形式1

图2是BAPV应用的另一种形式，利用建筑金属屋面安装太阳能光伏系统支架与太阳能光伏组件，太阳能光伏系统虽不具有建筑屋顶外围护结构的功能，但增加了建筑物的美感，且具有发电功能。

图2 BAPV太阳能光伏在建筑中应用形式2

3.2 BIPV应用形式

BIPV是太阳能光伏系统与建筑物同时设计、同时施工和安装，与建筑物形成完美结合。光伏方阵代替建筑物传统的建筑材料成为建筑物的构件，作为建筑物采光顶、外幕墙、外遮阳等结构的一部分，既具有发电功能，又兼顾节能降耗，同时光伏方阵的颜色与建筑物搭配协调，与建筑物完美统一。BIPV是完整意义上的光伏建筑一体化概念。

光伏建筑一体化建筑集发电、隔音、隔热、安全和装饰功能于一身，应用形式主要有光伏幕墙、光伏采光顶、光伏遮阳、光伏雨蓬、光伏栏板等。随着对建筑节能的要求进一步提高，太阳能光伏发电系统与建筑一体化已成为光伏发电的发展方向，具有巨大的市场潜力，发展前景十分广阔。

3.2.1 光伏幕墙

光伏幕墙(见图3)是最能体现光伏建筑一体化在建筑中应用的一种形式。它通过在玻璃夹层中压入光伏方阵，组成双玻璃光伏组件融合到玻璃幕墙中，替代普通玻璃幕墙的玻璃材料，使玻璃幕墙集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一体，为建筑带来额外的绿色概念，体现建筑的智能化与人性化的特点，代表着建筑光伏一体化技术在建筑中应用的最新发展方向。光伏玻璃幕墙作为建筑物的外围护结构，直接吸收太阳能的辐射，可以避免幕墙表面温度过高，减小室内外温差，有效地降低空调能耗。但光伏幕墙由于其光伏方阵安装在垂直幕墙面上，偏离了吸收太阳能的最佳角度，光伏方阵的输出功率偏低。

图3 光伏建筑一体化建筑幕墙

3.2.2 光伏采光顶

光伏采光顶(见图4)是光伏建筑一体化在建筑中应用的最佳形式，它克服了光伏幕墙偏离吸收太阳能的最佳角度的不足，将光伏方阵安装在光照好、周围无高大建筑物遮挡的地方，并将光伏发电系统作为建筑物屋顶结构的一部分，能更有效地收集太阳能，光伏方阵的输出功率较高。目前，市场上已开发并生产出透光率更高的光伏玻璃，进一步满足了采光顶的采光要求。光伏采光顶与光伏幕墙相比，能更有效地降低太阳光对建筑物的辐射，实现遮阳、节能。

3.2.3 光伏遮阳

光伏遮阳是在建筑的遮阳板上安装高转换率的光伏方阵，遮阳板不但遮挡阳光，而且具有发电功能。光伏遮阳有自动跟踪和固定两种类型，固定光伏遮阳是根据建筑物的地理位置设计最佳的朝阳角度，有效地收集太阳能；自动跟踪光伏遮阳(见图5)是根据太阳高度角、方位角的变化，自动跟踪最佳的朝阳角度，从而最有效地收集太阳能。

图4 光伏建筑一体化采光顶节点

图5 自动跟踪光伏遮阳

4 光伏方阵封装材料的选择

光伏方阵在长期室外环境下的性能可靠性主要取决于封装。封装材料的首要性能是把光伏方阵联结合层压在一起，其他的性能包括高透明性、好的粘结性，还应有足够的机械变形性，以承受组件中不同物质之间因热膨胀系数不同而产生的应力等。高性能和低成本是光伏方阵封装材料发展的两个重要方向[2]。以PDMS为代表的有机硅材料由于其无机有机杂化的结构特点，在光伏方阵封装中表现出优良的性能，将是今后光伏方阵封装材料发展的一个重要品种。

光伏建筑一体化在幕墙与采光顶的应用通常采用双玻璃光伏组件，在两片玻璃中间用PVB胶片复合光伏方阵组成复合层，密封在双层钢化玻璃中。PVB胶片为半透明膜片，对无机玻璃有很好的粘结力，具有透明、耐热、耐湿、耐寒、抗紫外线、机械强度高等特性，能吸收冲击能量，不产生破碎片，是制造夹层玻璃的最佳粘合材料。双玻璃光伏组件满足建筑用安全玻璃的要求，能延长光伏方阵的使用寿命。双玻璃光伏组件向光一面采用超白钢化玻璃制作，通过调整光伏方阵的排布或采用穿孔硅电池片来达到特定的透光率，以满足透光、采光要求[3]。由PVB膜夹层而成的双玻璃光伏组件是在建筑夹层玻璃的基础上衍生出来的新型建筑材料，不但符合建筑对玻璃的安全性要求，还能起到发电的作用，是光伏建筑一体化应用的理想选择。

5 光伏蓄电池的选择

在离网光伏发电系统中，通常要使用储能装置。发展新的储能技术和先进的控制技术是减少太阳能光伏系统全面成本的重要途径[4]。当前在太阳能光伏发电系统中应用的蓄电池有铅酸、锂离子、镍镉、镍氢蓄电池等品种。铅酸蓄电池的电极主要由铅及其氧化物制成，其电解液为硫酸溶液。无论是能量密度、循环寿命还是高倍率放电等特性，铅酸蓄电池都得到了普遍认可，具有较高的性价比和可靠性，是目前应用最广泛的品种。

6 结语

我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。由于光伏方阵的成本占整个系统投资的一半以上，价格高昂这个问题一直制约着光伏发电的推广应用。光伏市场发展的主要目标是提高太阳能发电的经济性，加快技术进步，扩大产业规模，促进光伏规模化发展。随着国内光伏产业在技术、产能方面的发展，产业竞争越来越激烈，光伏方阵价格的下降使得光伏发电的成本得到整体下降，将促进光伏发电技术在建筑中的进一步推广应用。

新颁布的GB 50300—2013《建筑工程施工质量验收统一标准》将建筑光伏的竣工验收列入“建筑节能”分部，建筑光伏项目的施工、验收纳入到建筑工程的验收范围，这将规范太阳能光伏技术在建筑中的应用。

参考文献：

[1] 高树鹏.光伏建筑一体化技术与工程应用[J].中国建材科技，2014(1)：24-26，88.

[2] 刘峰，张俊，李承辉，等.光伏组件封装材料进展[J].无机化学学报，2012，28(3)：429-436.

[3] 郑鸿生，肖坚伟.采用PVB膜制作的双玻璃光伏组件在BIPV上的应用[J].阳光能源，2008(1)：34-36.

[4] 陈维，沈辉，邓幼俊，等.太阳能光伏应用中的储能系统研究[J].蓄电池，2006，43(1)：21-27.