浅析太阳能光伏发电技术在建筑中的发展与应用

摘要:作为当前最理想的可再生能源,太阳能因其在任何有太阳存在的地方都可以使用而备受人们关注,同时它还具有取之不尽、用之不竭以及安全环保等优点,是今后代替不可再生能源的主要能源。依靠光伏发电技术,能使建筑提高对太阳能的利用效率,并有效的减少对其他不可再生能源的消耗。目前随着建筑行业对太阳能光伏技术的大力提倡,太阳能光伏技术的发展水平将达到更高的层次,其市场前景也将更加宽广。

0序言

能源是发展国民经济、提高人民生活质量的重要的物质基础。随着人类社会的不断发展,人们对能源的需求不断增加,导致人类面临着能源紧缺、环境恶化、生态破坏、温室效应等一系列的严峻问题。为适应人类可持续发展,世界各国大力开发可再生能源,力图摆脱依赖常规能源的现状。作为当前最理想的可再生能源,太阳能因其在任何有太阳存在的地方都可以使用而备受人们关注,同时它还具有取之不尽、用之不竭以及安全环保等优点,是今后代替不可再生能源发展的战略性领域。

太阳能光伏发电技术将太阳能与建筑完美的结合在一起。它是将太阳能光伏发电组件安装在建筑物的维护结构外表面来获得电力的一种新型的建筑节能手段。由于其构件造价低、能够调节电网峰谷和可以与建材结合使用等多种功能,而逐渐步入商业应用领域并逐步被更多的人接受。

1.太阳能光伏发电技术简介

1.1光伏发电简介

太阳能光伏发电的基本原理是光生伏打效应,简称光伏效应,即在太阳光照射下,半导体材料内部产生光生电子一空穴对,并在内建电场作用下,光生电子和空穴被相互分离,产生出光生电压”当电池外部接通电路时,该电压便能产生电流,从而获得功率输出(图1)。

图1 光伏效应示意图

图1 光伏效应示意图

1.2光伏电池

太阳能光伏电池,简称光伏电池,是光伏效应的发生器。不同类型的光伏电池主要在内部结构和原材料上有所区别, 目前常用的商用光伏电池可以分成两个基本类型:晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池。

晶体硅电池是典型的P一N结太阳能电池,转换效率稳定,且使用寿命较长,是目前市场上主要的光伏电池,约占总量的85%。晶体硅电池主要包括单晶硅电池(图 2)和多晶硅电池(图 3)。

图2 单晶硅电池 图3 多晶硅电池

图2 单晶硅电池                                                                    图3 多晶硅电池

 

薄膜光伏电池是指运用新的制作方法在衬底上形成的膜状光伏电池,其厚度仅为晶体硅电池的1/100。薄膜光伏电池的平均转换效率和使用寿命虽然不及晶体硅电池,但是成本更低,更适合工业生产,近几年所占市场份额有所增加。薄膜光伏电池的种类很多,主要有硅系薄膜电池(图 4)和无机化合物薄膜电池(图 5)两大类型。

图4 硅系薄膜电池 图5 无机化合物薄膜电池

图4 硅系薄膜电池                                                     图5 无机化合物薄膜电池

1.3光伏组件

在实际使用中,无论是晶体硅光伏电池还是薄膜光伏电池都需要制作成光伏组件(图6)。典型的光伏组件是规则的矩形,包括光伏电池、面板、背板、边框和接线盒等组成部分。

图6 光伏组件构造示意图

图6 光伏组件构造示意图

2.太阳能光伏建筑一体化

2.1概念阐述

光伏发电系统最核心的部件是太阳电池组件,太阳电池组件通常是一个平板状结构,经过特殊设计和加工,完全可以满足建筑的基本要求。因此,光伏发电系统与一般建筑的结合成为了太阳能利用的新形式。

光伏建筑一体化是将太阳能光伏发电系统与建筑有机结合,利用太阳能发电组件替代建筑物的某一部分,把建筑、技术和美学融为一体,改变了传统太阳能发电设备对建筑外观所造成的影响。通常将应用了光伏建筑一体化的建筑称为光伏建筑。

2.2国外光伏建筑一体化的发展与现状

光伏建筑一体化的概念最早于1991年被正式提出,距今己有20年的历史, 光伏建筑一体化在发展之初,有明显的产业化特征,光伏板通常采用实用性为主的应用方式。这个阶段可以看作是光伏建筑一体化的起步阶段,光伏发电系统与建筑结合的形式是将光伏板作为一种附件安装在建筑上,如光伏屋顶、光伏遮阳板、光伏雨棚等(图 7)。

图7 “屋顶计划”中的住宅

图7 “屋顶计划”中的住宅

1996年建成的西班牙庞贝.法布拉图书馆(图 8)被认为是世界上第一座真正意义上的光伏建筑一体化案例,其原因是光伏组件担当了建筑外表皮的作用,成为了建筑的一部分。

图8 庞贝·法布拉图书馆

图8 庞贝·法布拉图书馆

相比较庞贝.法布拉图书馆略带实验性和示范性的操作方式,建成于1998年的英国Doxfoul国际商务园区太阳能办公楼(图 9)是第一座不折不扣的经过深思熟虑而建造的光伏建筑一体化案例。

从此借助光伏技术发展的巨大推动力和设计理念的变革,光伏系统与建筑的整合方式进入了新阶段,光伏建筑一体化呈现出更多的建筑化特征。光伏系统不再局限于应用在某个建筑部位,而是更加主动的参与建筑形式和空间的塑造,甚至直接作为建筑创作的设计理念。例如建成于2002年的美国加州ColoradoCourt集合公寓(图 10)中,多晶硅光伏板以一种图形构成的方式安装在建筑南立面。

图9 英国Doxfoul国际商务园区太阳能办公楼 图10 英国加州Colorrado Court 集合公寓

图9 英国Doxfoul国际商务园区太阳能办公楼                                                  图10 英国加州Colorrado Court 集合公寓

2.3我国光伏建筑一体化的发展与现状

2.3.1我国光伏建筑一体化的发展与现状

我国光伏建筑一体化应用相对于国外发展来说,还处于一个比较落后的地位。但随着节能减排工作的开展与深人,我国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模,但应用主要集中于边远地区居民的供电。

2008年北京奥运会期间,奥运场馆大量利用了太阳能技术,除太阳能灯外,奥运村、丰台体育中心、国家游泳中心等奥运场馆采用了太阳能热水,国家体育馆、五棵松篮球馆、奥运大厦和丰台垒球馆(图11)则都采用太阳能光伏发电。光伏组件主要为常规硅太阳电池,应用于场馆的顶部、场馆的售票处、部分场馆的玻璃幕墙、场馆通道顶部等。此外,另有非晶硅薄膜太阳电池安装于奥运中心体育场的旋转坡道屋面上。

2010年上海世博会是又一次大规模的光伏建筑一体化应用,其三大主要场馆均整合了光伏发电系统。中国国家馆屋顶采用了间隔铺设的光伏屋顶,在建筑的最高顶面四个角的部分采用与屋顶一体化组件,在顶面四周采用透光式光伏组件。主题馆的光伏应用同样在屋顶,屋面形态采用菱形与三角形结合的立体构图。在屋顶采用与屋顶一体化组件,替代部分屋顶材料构成有规律性的图案。

图11 丰台垒球馆图 12 中国国家馆屋顶

图11 丰台垒球馆图                                                                                                                       12 中国国家馆屋顶

除了国家大型建设项目以外,一些新近建成的项目也在积极应用光伏建筑一体化。如深圳的万科集团总部(图12)和建科大楼(图 13)。前者由史蒂芬霍尔设计,抛开独特的建筑形式和空间不谈,这座建筑是按照高节能标准设计完成,并获得了美国LEEO铂金认证”这座建筑在屋顶安装了光伏发电组件。建科大楼同样是以绿色节能为设计理念的建筑,在建筑屋顶和遮阳百叶都应用了光伏发电系统。

图12深圳万科总部大楼 图13 建科大楼

2.3.2我国光伏建筑经济性分析

目前光伏建筑一体化的造价成本较高。由于一体化的程度不同光伏系统的实际造价差别较大,晶体硅电池的光伏系统造价约4000一6000元/平米,薄膜电池的光伏系统造价约2000一3000元/平米。而建筑幕墙中造价较高的玻璃幕墙约1000一2000元/平米,双层呼吸式玻璃幕墙造价约3000元/平米左右,可见二者存在较大的差距”但是毕竟光伏建筑所生电力可以用于日常消耗,从而减少建筑的运行成本。因此对于光伏建筑来说,不能片面的比较造价成本,需要综合分析。

近几年,我国光伏建筑一体化的快速发展主要应当归功于政府相继出台的光伏建筑一体化扶持政策”毕竟在现有技术条件下,较高的发电成本阻碍了光伏建筑一体化的发展,政府的扶持政策使得发电成本和投资回收期大幅减少,增加了项目的可行性。

2.4太阳能光伏建筑一体化的具体方式

2.4.1光伏与建筑遮阳一体化

建筑外遮阳与光伏一体化,简称光伏遮阳,是光伏建筑一体化最有效的方式。建筑外遮阳的目的是遮蔽直射阳光从而改善建筑热环境,减少建筑运行能耗,是建筑中常用的节能措施。通常建筑外遮阳被放置在太阳辐射量较强的部位,这一点十分符合光伏系统的需求,因此成为光伏系统的最佳载体。

位于清华大学东校区的清华大学环境能源楼(图 14、15)是一座智能化、生态环保和能源高效型的新型办公楼,于2007年建成。为了减少建筑南立面玻璃幕墙的日照辐射,每层退台均悬臂出挑光伏遮阳。

图14 清华大学环境能源楼  图15 遮阳细部构造

图14 清华大学环境能源楼                                                                                                                 图15 遮阳细部构造

2.4.2光伏与建筑屋顶一体化

建筑屋顶是建筑物接收太阳辐射量最大的部位,而且在通常情况下也是受到遮挡最小的部位。因此从能效的角度来看,屋顶是建筑光伏一体化的最佳应用场所。

德国联邦环境局办公楼(图 16、17)由带状办公空间围合成一个巨大的中庭空间而组成。中庭顶部为锯齿形玻璃屋顶,在向阳一侧整合了光伏发电系统。

图 16德国联邦环境局办公楼图17 屋顶折板细部构造

图 16德国联邦环境局办公楼图                                                                                          17 屋顶折板细部构造

2.4.3光伏与建筑幕墙一体化

垂直的墙面并非光伏发电的最佳部位,但是建筑立面往往有更多的表面积可以整合光伏系统。通常光伏系统整合在建筑幕墙之中必须首先满足建筑幕墙的基本原理,而后将某一部分置换成光伏模块,整合而后的光伏幕墙既具备一般的建筑幕墙功能又能有效地发挥光伏系统的作用。

德国Tobias Grau有限公司总部办公楼(图18、19)平面呈H形布局,由两个管形建筑单元平行相连。由于受立面高度所限以及更加直接的整合光伏系统,最终采用了构件式光伏幕墙。每块光伏组件由两块玻璃相夹蓝色的多品硅电池而成,电池片均匀排布,每两块之间留有10mm的间隙。这样使组件允许一部分自然光透射进建筑室内。

图 18德国Tobias Grau 有限公司总部办公楼   图19 建筑南立面

图 18德国Tobias Grau 有限公司总部办公楼                                                                                                      图19 建筑南立面

3.结语

太阳能光伏发电技术具有经济性、节能性、环保性。在建筑节能中有效利用好太阳能有着重要而现实的意义,它与国民经济的发展和生活环境水平的提高有着密切的联系。因此,必将成为我国今后建筑业发展的重要方向。尽管目前光伏技术还有很多问题需要解决,需要发电技术专家、建筑工程的所有者等共同努力探索和实践,并随着科技的不断进步,太阳能光伏技术将取得突破性的进展,成本会大大降低,彻底消除使用障碍,光伏发电将会替代传统火力电能和核能发电而得到广泛的使用,引领新一轮的能源革命,有着非常广阔的发展前景。

参考文献

[1] 杨金焕 于化丛 葛亮著.太阳能光伏发电应用技术[M].电子工业出版社,2009

[2] 杨洪兴 周伟著.太阳能建筑一体化技术与应用[M].中国建筑工业出版社,2008

[3] 滨川圭弘著,张红梅 崔晓华等译.太阳能光伏电池及其应用[M].科学出版社,2008

[4] 克里斯汀.史蒂西著,常玲 刘慧译.太阳能建筑[M].大连理工大学出版社,2009

[5] 克里斯汀.史蒂西著,贾子光 张磊 姜琦译.建筑表皮[M].大连理工大学出版社,2009

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