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          太陽能光伏—建筑一體化的研究
          發布者:admin    發布時間:2015-7-26

            在21世紀的新能源技術中有兩大能源優先:太陽光伏發電與核聚變。太陽光伏發電是到為止最長壽、最清潔的發電技術。光伏發電對世界能源需求將會做出重大貢獻的兩個領域是提供住戶用電和用于大型中心電站的發電。前者將對建筑的發展產生重大的。太陽光伏發電系統只涉及到半導體封裝器件,不消耗常規能源,無運動機械部件,無污染,無噪聲,維護方便,發電容量可任意選擇。

            光伏—建筑一體化(BIPV)提出了“建筑物產生能源”的新概念,即建筑物與光伏發電的集成化,在建筑物的外圍護結構表面上布設光伏陣列產生電力。

            BIPV系統可以劃分為兩種形式:光伏屋頂結構(PVROOF)和光伏墻結構(PVWALL)。BIPV系統一般由光伏陣列(電池板)、墻面(屋頂)和冷卻空氣流道、支架等組成。

            對于一個完整的BIPV系統,還應該有另外一些設備:負載、蓄電池、逆變器、系統控制、濾波保護等裝置。當一個BIPV系統參與并網時,則不需蓄電池,但需有與電網的聯入裝置。

            一光伏—建筑一體化(BIPV)的形式與特點

            在80年代,光伏地面系統除大量用于偏僻無電地區、游牧家庭、航海燈塔、孤島居民供電以及某些特殊領域外,已開始進入一般單獨用戶、聯網用戶和商業建筑。進入90年代后,隨著常規能源的日益枯竭而引起的發電成本上升和人們環境意識的日益增強,一些國家紛紛開始實施、推廣BIPV系統。

            光伏與建筑的結合有兩種方式:一種是建筑與光伏系統相結合;另外一種是建筑與光伏器件相結合。

            1建筑與光伏系統相結合

            把封裝好的的光伏組件(平板或曲面板)安裝在居民住宅或建筑物的屋頂上,再與逆變器、蓄電池、控制器、負載等裝置相聯。光伏系統還可以通過一定的裝置與公共電網聯接。

            2建筑與光伏器件相結合

            建筑與光伏的進一步結合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃,目的是為了保護和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材,即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶,這樣既可用做建材也可用以發電,可謂物盡其美。對于框架結構的建筑物,可把其整個圍護結構做成光伏陣列,選擇適當光伏組件,既可吸收太陽直射光,也可吸收太陽反射光。目前已經研制出大尺度的彩色光伏模塊,可以實現以上目的,還可使建筑外觀更具魅力。

            把光伏器件用做建材,必須具備建材所要求的幾項條件:堅固耐用、保溫隔熱、防水防潮、適當的強度和剛度等性能。若是用于窗戶、天窗等,則必須能夠透光,就是說既可發電又可采光。除此之外,還要考慮安全性能、外觀和施工簡便等因素。

            用光伏器件代替部分建材,在將來隨著面的擴大,光伏組件的生產規模也隨之增大,則可從規模效益上降低光伏組件的成本,有利于光伏產品的推廣應用,所以存在著巨大的潛在市場。

            從建筑、技術和角度來看,光伏—建筑一體化有以下諸多優點:①聯網系統光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或墻面上,無需額外用地或增建其他設施,適用于人口密集的地方使用。這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要。②可原地發電、原地用電,在一定距離范圍內可以節省電站送電網的投資。對于聯網戶用系統,光伏陣列所發電力既可供給本建筑物負載使用,也可送入電網。在陰雨天、夜晚或光強很小的時候,負載可由電網供電。由于有光伏陣列和公共電網共同給負載供應電力,增加了供電的可靠性。③夏季,處于日照時,由于大量制冷設備的使用,形成電網用電高峰。而這時也是光伏陣列發電最多的時候。BIPV系統除保證自身建筑用電外,還可以向電網供電,從而緩解高峰電力需求。④由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護結構上,吸收太陽能,轉化為電能,大大降低了室外綜合溫度,減少了墻體得熱和室內空調冷負荷,既節省了能源,又利于保證室內的空氣品質。 ⑤避免了由于使用一般化石燃料發電所導致的空氣污染和廢渣污染,這對于環保要求嚴格的今天與未來更為重要。⑥由于光伏電池的組件化,光伏陣列安裝起來很簡便,而且可以任意選擇發電容量。⑦在建筑圍護結構上安裝光伏陣列,可以促進PV部件的大規模生產,從而能夠進一步降低PV部件的市場價格,這對于BIPV系統的廣泛應用有著極大的推動作用。

            二BIPV系統的發展趨勢

            在能源和環保壓力的促進下,太陽能光伏技術已逐步成為國際走可持續發展道路的首選技術之一。事實已經證明,對于幾kW以下的系統,采用太陽光伏發電是最為理想的。光伏(PV)技術除傳統的單獨用戶及特殊領域應用外,正在向高水平和大規模方向發展。BIPV的聯網發電已成為近年來PV應用的主要方向和熱點。聯合國能源機構最近發布的調查報告顯示,BIPV將成為21世紀的市場熱點,太陽能建筑業將是21世紀最重要的新興產業之一。各國一直在通過改進工藝、擴大規模、開拓市場等,大力降低光伏電池的制造成本和提高其發電效率。

            近年來,世界光伏市場發生了很大變化:由過去的獨立運行(提水、照明等)和通訊設備、衛生保健、導航浮標等領域轉向并網發電和與建筑物結合的常規供電;開始由作為補充性能源逐步向替代性能源過渡,F在分別介紹一下不同國家的發展情況。

            1美國

            1993年6月,美國能源部和國立再生能源實驗室簽定五年合同,實施“PV:BONUS”計劃,耗資2 500萬美元發展與建筑相結合的光伏產品,即建筑幕墻光伏器件和大型屋頂光伏組件等。

          為了促進美國光伏產業的快速,降低光伏發電成本以及節約能源和保護環境,美國前總統克林頓1997年6月26日在聯合國環境與發展特別會議上宣布美國將實施“百萬太陽能屋頂”計劃,到2010年要在全國范圍的住宅、商業建筑、學校和聯邦政府辦公樓屋頂上安裝100萬套太陽能系統,包括光伏系統和太陽能集熱器,可以供應電力和熱水。為此,1998財政年度美國政府的光伏經費增加了30%。

            2日本

            日本很重視光伏與建筑相結合的技術。20世紀90年代,政府資助一些大學、研究所和公司進行開發研究。如三洋電氣公司推出了幾種非晶硅電池與建筑材料相結合的產品(三洋公司在非晶體太陽電池技術方面是世界一流的):一種是做成曲線形瓦片形狀,每片面積為305平方厘米、輸出功率2.7 WP,價格比較昂貴;另一種是90cm×35cm的平板非晶硅電池組件,組件背面有“腳”便于安裝,一般用做屋頂材料。三洋電氣公司還推出了半透明和不透明的非晶硅玻璃組件,用于商業建筑物的垂直幕墻。其半透明組件的透光率為30%,既可作為窗戶采光用,又可用于發電(德國也有類似產品)。以上光伏組件已安裝在三洋電氣公司、Fsukasa電力公司等辦公樓建筑物上。

            1997年,通產省又宣布執行“七萬屋頂”計劃,安裝了37 MWP屋頂光伏系統。該計劃使日本成為該年度世界最大的光伏組件市場。日本政府計劃到2000年安裝400 MW、2010年安裝4 600 MW光伏發電系統。

            1998年,日本三家公司(清水建筑、夏普、川崎制鐵)合作研制一種新型建筑材料,即把太陽能電池安裝在建筑材料里,并按需要做成三種,用做屋頂和外墻。

            3德國

            1990年首先開始實施“一千屋頂計劃”,在私人住宅屋頂上推廣容量為1~5 kWP的戶用聯網光伏系統。

            在光伏器件與建筑相結合方面,ASE所屬幾家公司分別推出了多種光伏組件,其中有大尺寸(1.5 m×2.5m)的無邊框非晶硅組件,每塊組件功率可達360Wp,可用于垂直外墻和傾斜屋頂;也推出了尺寸為1 m×0.6m的非晶硅不透明組件,可分別用于屋面、垂直幕墻和窗戶。

            目前世界上最大的太陽能屋頂光伏系統安裝在新慕尼黑貿易展覽中心。

            4印度

            印度近年來大力推廣太陽能,已取得了很大成績。在發展家,印度的光伏產業及應用市場居領先地位;據報道,目前已成為繼美國之后的第二大單晶硅太陽能電池生產國。全國已有40萬套光伏系統用于多種應用領域。并且,政府正在組織一些研究和生產機構開展光伏器件與建筑相結合的研究開發。

            1997年12月18日印度政府宣布,到2002年要在全國范圍內推廣150萬套太陽能屋頂。

            5中國

            中國的太陽能光伏技術也具有了一定的規模。據統計,截止1997年底,我國已完成并正常使用的太陽能光伏發電系統裝機容量為10~15MW,主要用于邊遠地區居民的供電。隨著光伏發電領域的轉變,我國的BIPV系統的研究與開發已取得了很大的發展!熬盼濉逼陂g我國在深圳、北京分別成功建成17kWp、7kWp光伏發電屋頂并實現并網發電。在世界銀行捐贈及雙邊或多邊技術合作的支持下,預計我國光伏市場年銷售量將以20%的年增長速度發展,到2010年可望超過10MW.

            最近獲悉,香港特區政府為支持環保,香港工業署日前撥款170萬港元給香港理工大學,建立第一座“光伏建筑”實驗系統,以太陽能為大廈提供部分電力。

            有資料對1984~1994年間的光伏需求進行了統計并對到2010年可以安裝PV的容量進行了預測,結果如表1所示。

            緊緊圍繞降低光伏發電成本的各種研究開發工作一直在發達國家緊張地進行。在光伏系統方面,目前已開發出帶微型逆變器的光伏組件,這將給光伏系統安裝及與建筑集成帶來革命性的變化。

            BIPV的開發是目前世界上大規模利用光伏技術發電的一大研究熱點,西方發達國家都在作為重點項目積極進行。除了在屋頂安裝光伏電池板外,已推出了把光伏電池裝在瓦片內的產品。

            在飛速發展的智能建筑(IB)中,樓宇自動化系統(BAS)是一個重要組成部分。對于BIPV系統,其本質上是屬于樓宇設備的范疇,但在目前關于BAS的資料中還沒有被納入其中。筆者認為,BIPV系統應當納入BAS.未雨綢繆,在實際建筑施工中應當預留光伏陣列的鋪設裝置;在綜合布線系統(PDS)中,應當預設光伏設備的接入端口和線路匣,為以后光伏組件與樓宇設備的結合作準備。隨著光伏組件的廣泛應用和價格大幅度下降,未來實現智能化的建筑物必定要配裝BIPV系統,同時這也是對IB的一個重要補充。

            可以預計,光伏與建筑相結合是未來光伏應用中最重要的領域之一,其發展前景十分廣闊,并且有著巨大的市場潛力。

            由于價格、法規等因素,BIPV系統在短期內還難以大規模普及,但隨著常規能源的日益枯竭、人們環保意識的日益提高,以及由此促進的制造工藝的革新和技術的發展,BIPV一定會展現出強大的生命力。


        1. 『上一篇新聞』獨立光伏系統的應用及控制策略探討 2015-9-2
        2. 『下一篇新聞』太陽能光電化學轉換研究的回顧與展望 2015-4-11

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