太阳能光伏建筑一体化的现状与展望

　　1,前言
　　能源的紧缺提出了对可再生能源的需求，而太阳能作为一种可以在任何太阳存在的地方都可以使用的能源受到广泛的关注，它的使用已经从最初在边远地区和缺电地区的使用，逐渐的转移到发达国家城市的使用；从简单的使用和安装太阳电池板，到现在能够把太阳电池板和建筑进行比较好的结合，使得太阳能光伏发电得到更广阔的发展空间，“光伏发电与建筑物集成化”（Building- integrated photovoltaics）的概念在1991年被正式提出[1]。

　　由于太阳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[2]。它具有调峰、环保的功能。另外也可以用太阳光伏发电的玻璃幕墙代替普通的幕墙玻璃，这样即可以做建材又可以发电，进一步降低光伏发电的成本，非常独特，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。比如说将单晶、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，它可以节省了蓄电池的费用；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，国家鼓励发展可再生能源，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。我国并网光伏分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。


　　2 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[3-4]。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或建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器及逆变器与公共电网相连接，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[5]，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），无需额外用地或加建其他设施，节省了土地资源这对于人口密集、土地昂贵的城市建筑有尤为重要；（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[6-7]；（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，并且降低空调负荷[8-10]；（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[11-13]，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可持续发展的方向努力。西方发达国家已经充分观注到化石能源的短缺和由此带来的环境污染对世界经济发展所带来的压力，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。

　　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。

　　而我国的香港、深圳等城市也在公共建筑上安装光伏示范系统，如香港科技园、深圳园博会等。其中深圳园博会光伏功率达到1MW规模，是目前我国最大的光伏并网发电系统。

　　国外著名BIPV光伏建筑

　　3 我们的工作
　　林洋新能源有限公司于2006年中期，从美国GT Solar公司引进了BIPV光伏玻璃幕墙生产线一条。目前可以生产尺寸大小：长宽3.3m×2.5m、厚度4~20mm的双面玻璃光伏组件。目前该型BIPV光伏玻璃幕墙生产线全世界只有两条，另外一条在英国。

 


　涂助焊剂设备

　　林洋新能源有限公司于2007年初开始研究大面积低弯曲超薄型双面照光太阳能电池的制作方法。我们在一薄型P硅片上，使用N杂质扩散工艺制备N型表面掺杂层，用以形成发射区或表面场。利用丝网印刷工艺将含铝浆料按预设图形压印在硅片表面上，再在其后的烧结工艺中将铝作为掺杂物质扩散进硅片中，以此制备成预设的P型掺杂区域，用以形成发射区或表面场。硅片的表面可以是制成绒面状的或没有制成绒面状的，并在正反两表面都覆盖有氮化硅或氧化硅等一层或复层介电物质用以形成减反射和钝化膜。金属电极的制备工艺采用成熟的丝网印刷技术将相应的金属浆料按预设图形分别压印在硅片的正反表面上，再在其后的烧结工艺中形成导电电极并和硅片表面预设区域形成电导接触。这种新型制作方法只在电池背面的局部区域使用了金属化，可实现电池的双面照光，减少大面积超薄型硅片的弯曲，并利用氮化硅或氧化硅薄膜对电池的背表面作钝化而提高了高转换效率。

　　双面照光太阳电池组件可以作为一种新型建筑材料用于光伏建筑一体化，具有采光面积大、发电功率峰值分布较宽、外形新颖美观等优点。


　　4 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％。

　　近几年在一些发达国家“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应超过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，这将给中国的新能源产业，尤其是太阳能光伏发电产业打开国内市场的大门。

　　从发展观念和经济实力分析来看，在太阳能光伏示范推广方面，上海、江苏和广东有望像发展经济和高技术产业一样走在国内的前面。在世界自然基金会和上海市经委的支持下，上海交通大学崔容强教授根据上海的情况，因地制宜的制定了“上海十万个太阳能屋顶计划”。

　　2008北京 奥运会 、2010年上海世博会及2010年广州亚运会等，都应该成为我国太阳能利用大规模示范的理想场所，若干个5-10MW的光伏发电规模无论如何应该能在3-5年内能够实现。通过大规模的工程示范，既可充分展示我国太阳能技术的水平，也能从中发现与发达国家的发展差距，为大规模利用太阳能积累实际经验和技术数据，这对我国太阳能企业的发展是非常重要的。



　　参 考 文 献

　　[1]J.Benemann,O.Chehab ,E.Schaar-Gabriel. Building-integrated PV modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2001（67）: 345
　　[2] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术.北京：化学工业出版社，2005，9
　　[3]A.S.Bahaj.Photovoltaic roofing:issues of design and integration into buildings.Renewable energy,2003（28）：2195
　　[4]C.Roecker,P.Affolter,J.Bonvin,J.B.Gay.PV Building elements. Solar Energy Materials and Solar Cells,1995（36）:381
　　[5] R.J.Spiegel, D.L.Greenberg, E.C.Kern, D.E.House. Emission reduction data for grid connected photovoltaic power system. Solar Energy,2000（68）:475
　　[6]T.H.Lin. Climatic context and energy conservation design of architecture,1997: 97
　　[7]C.L.Chenga,C.Y.Chanb,C.L.Chen.Empirical approach to BIPV evaluation of solar irradiation for building applications. Renewable Energy,2005( 30):1055
　　[8]H.Yang,J.Burnett,J.Ji.Simple approach to cooling load component calculation through PV.Energy Building ,2000（31）:285
　　[9]Y.P.Wang,W.Tian,J.Ren,L.Zhu,Influence of a building’s integrated-photovoltaics on heating and cooling loads.Applied energy,2005
　　[10]A.G.Hestnes. Building integration of solar energy systems. Solar Energy，1999（67）:181 [11] G .Kiss, J .Kinkead. Building-integrated photovoltaics: a case study.First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii,1994
　　[12] S.H.Yoo, J.K. Lee. Building envelope system constructed by solar cell.Korean patent 0201540, Korea patent o ce, 1999
　　[13]S.H.Yoo, J.K. Lee.Efficiency characteristic of building integrated photovoltaics as a shading device.Building and Environment, 2002（37）: 615

　　 陈维1，2，沈辉2， 褚玉芳3，云飞1，黄龙星1
　　（1．江苏林洋新能源有限公司；2.中山大学太阳能系统研究所;

　　3.宜春学院物理科学与工程技术学院）