光伏發電技術在建筑工程中的應用

王 健 / 曹 磊 （中國建筑設計研究院機電院，北京 100044）

1 引言

全球范圍內的能源危機日趨嚴重，而與能源危機孿生的氣候危機的表現則更為直觀，氣候變暖已威脅到了人類賴以生存的地球的生態環境和人類安全。早在上個世紀90年代，各國的經濟學家和科學家就已通過種種數據揭示了能源危機這一人類面臨的嚴重問題，并提出了“新能源”的理念。隨后美國、加拿大、日本、歐盟等也都十分重視可再生能源的開發利用，制定并實施了一系列鼓勵政策，積極開發如太陽能、風能、海洋能(包括潮汐能和波浪能)等可再生新能源。

進入21世紀，如何發展新能源產業、實現可再生能源的高效、清潔利用已成為世界各國新能源發展的共同目標之一。作為新能源之一的太陽能，利用太陽能發電即光伏發電技術的應用是目前發展最為迅速、并且前景最為看好的可再生能源產業之一。

各國政府對光伏發電都十分重視，美國提出“太陽能先導計劃”,意在降低太陽能光伏發電的成本，使其2015年達到商業化競爭的水平；日本也提出了在2020年達到28GW的光伏發電總量；歐洲光伏協會提出了“setfor2020”規劃，規劃在2020年讓光伏發電做到商業化競爭。通過各國政府對光伏發電的各種政策性支持，截止到2010年，全球光伏發電累計裝機容量達到了40GW，國際能源署預計2020年光伏發電在許多地區能夠實現電網平價，到2050年能夠提供全球發電量的11%。

當然作為能源大國之一，中國也不甘落后，2009年相繼提出了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》、金太陽示范工程等鼓勵光伏發電產業發展的政策；2010年國務院頒布的《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》明確提出要“開拓多元化的太陽能光伏光熱發電市場”；2011年國務院制定的“十二五”規劃綱要再次明確了要重點發展包括太陽能熱利用和光伏光熱發電在內的新能源產業；國家發改委2011年8月1日宣布了新的太陽能光伏發電標桿上網電價，按項目核準期限分別定為1.15元/kWh（含稅）和1元/kWh，以刺激太陽能光伏發電的普及。該通知明確了全國光伏上網的基準電價，在此基礎上，地方政府可出臺地方性的光伏上網電價補貼，補貼部分由地方政府負擔。這一系列的政策支持讓中國光伏發電發展之路更加寬廣。

2 光伏發電的原理和光伏電池的分類

2.1 光伏發電系統原理

光伏電池發電的原理是光生伏打效應(Photovoltaic effect)，即光子能量轉換成電能的過程。當太陽光(或其他光)照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產生光生電子—空穴對。在電池內建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。若在內建電場的兩側引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能。

2.2 光伏電池及其常見種類

光伏電池(solar cell)是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件，又稱光伏電池。能產生光伏效應的材料有多種，如：單晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同。

1)硅太陽電池

(1)晶體硅電池

A. 單晶硅太陽能電池（single crystalline silicon solar cell）：是以單晶硅為基

體材料的太陽電池。據數據顯示其 光電轉換效率實驗室測得數據最高為24.7%，商業化后轉換效率為17%。

單晶硅太陽能電池

B. 多晶硅太陽電池(polycrystalline silicon solar cell)：是以多晶硅為基體材料的太陽電池。據數據顯示其光電轉換效率實驗室測得數據最高為20.3%，商業化后轉換效率為16%。

多晶硅太陽電池

（2）非晶硅太陽電池

非晶硅太陽電池（a-si太陽電池）（amorphous silicon solar cell）：是薄膜光伏電池的一種，一般采用高頻輝光放電技術使分解硅烷氣體，沉積在玻璃、陶瓷、不銹鋼等非半導體襯底上而形成，亦稱無定形硅太陽電池，簡稱a-si非晶硅薄膜太陽能電池。據數據顯示其光電轉換效率實驗室測得數據最高為12%，商業化后轉換效率為6%～8%。

非晶硅太陽電池

2)化合物電池

多元化合物薄膜太陽能電池（thin film solar cell）：系指用輝光發放電法、化學氣相淀積法、濺射法、真空蒸鍍法等制得的較大面積的薄膜（硅、硫化鎘、砷化鎵等）為基體材料的太陽電池稱為薄膜太陽電池。

（1）CdTe（碲化鎘）太陽電池：據數據顯示其光電轉換效率實驗室測得數據最高為12%，商業化后轉換效率為6%～8%。

（2）CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽電池：據數據顯示其光電轉換效率實驗室測得數據最高為19.9%，商業化后轉換效率為17%。

CdTe（碲化鎘）太陽電池

CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽電池

3 光伏發電系統

3.1 光伏發電系統構成

太陽能發電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。

1） 光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成蒸汽，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；后一個過程與普通的火力發電一樣，是熱—電轉換過程。太陽能熱發電主要有3種形式：槽式、塔式及碟式。目前可商業化的主要是槽式。太陽能熱發電系統的這3種形式都不適合在建筑上做，故不做討論。

2） 光—電直接轉換方式。該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉化為電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。它是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管。當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來時，就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。

3.2 光伏發電系統分類

表1 光伏發電系統分類

1）獨立光伏發電系統：一般由光伏組件、太陽能控制器、蓄電池等組成。其系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 獨立太陽能光伏發電系統框圖

獨立光伏發電系統是相對于并網發電系統而言的，屬于獨立的發電系統。獨立系統主要應用于偏遠無電地區，其建設的主要目的是解決無電問題。其供電可靠性受氣象環境、負荷等因素影響很大，供電穩定性也相對較差，很多時候需要加裝能量儲存和能量管理環節。

獨立光伏系統例：獨立光伏路燈系統見圖2。

圖2 獨立光伏路燈系統圖

2）并網光伏發電系統：是太陽能電池板發出的直流電經過逆變器后，將直流電轉變為交流電，最后并入電網中。并網光伏系統由光伏陣列、變換器和控制器組成，變換器將光伏電池所發的電能逆變成正弦電流并入電網中；控制器控制光伏電池最大功率點跟蹤、控制逆變器并網電流的波形和功率，使向電網轉送的功率與光伏陣列所發的最大功率電能相平衡。控制器一般由單片機或數字信號處理芯片作為核心器件構成；電壓型變換器主要是由電力電子開關器件連接電感構成，以脈寬調制形式向電網送電。典型的光伏并網系統結構包括：光伏陣列、直流—直流變換器、逆變器和集成的繼電保護裝置（見圖3）。通過直流—直流升壓斬波變換器，可以在變換器和逆變器之間建立直流環。升壓斬波器根據電網電壓的大小用來提升光伏陣列的電壓以達到一個合適的水平，同時直流—直流變換器也作為最大功率點跟蹤器，增大光伏系統的經濟性能。逆變器用來向交流系統提供功率；繼電保護系統可以保證光伏系統和電力網絡的安全性。

圖3 并網太陽能光伏發電系統框圖

（1）光伏并網發電系統的形式：

A、小型住戶的并網系統；

B、光伏與建筑相結合的并網系統，包括安裝型光伏建筑BAPV和構建型光伏建筑BIPV；

C、大型光伏并網電站。

（2）光伏并網系統應用原則：

光伏系統與公用電網并網時，應先征得當地供電部門同意，且應符合并網技術條件。

A.并網光伏系統應具有自動檢測功能及并網切斷保護功能，并應符合下列要求：

a．光伏系統應安裝電網保護裝置，并應符合GB／T20046-2006《光伏(PV)系統電網接口特性》的相關要求；

b．光伏系統與公共電網之間的隔離開關和斷路器均應具有斷中性線功能，隔離開關和斷路器的相線和中性線應同時分斷和合閘；

c．當公用電網電能質量超限時，光伏系統應自

動與公用電網解列，在公用電網質量恢復正常后的5min之內，光伏系統不得向電網供電。

B.接入公用電網的光伏系統，其總容量控制在上級變電站單臺主變壓器額定容量的30% 以內。

C.逆流光伏系統應按照無功就地平衡的原則配置相應的無功補償裝置，其功率因數應符合現行的《供電營業規則》的相關規定。

（3）計量裝置

在城市中，并網太陽能光伏發電系統的并網點一般在電網的配電側(400V，230V)，也稱作分布式發電系統。其特點為：A.并網點在配電側；B.電流是雙向的，可以從電網取電，也可以向電網送電；C.大部分光伏電量直接被負載消耗，自發自用；D.分“上網電價”并網方式(雙價制)和“凈電表計量”方式(平價制)。它不同于在輸電側(10kV，35kV，110kV)并網的大型太陽能光伏電站。

并網光伏發電可以采用發電、用電分開計價的接線方式，也可以來用“凈電表”計價的接線方式。德國和歐洲大部分國家都采用雙價制，電力公司高價收購太陽能光伏發電的電量(平均0.55歐元／kWh)，用戶用電則僅支付常規的低廉電價(0.06～0.1歐元／kWh)，這種政策稱為“上網電價”政策。在這樣的情況下，光伏發電系統應當在用戶電表之前并入電網。如圖4所示。

圖4 實行上網電價的并網光伏發電系統示意圖

美國和日本采用初投資補貼，運行時對光伏發電不再支付高電價，但是允許用光伏發電的電量抵消用戶從電網的用電量。電力公司按照用戶電表的凈值收費，稱為“凈電表”計量制度。此時，光伏發電系統應當在用戶電表之后接入電網。目前根據我國政府對光伏發電產業的政策，大多數項目采用“凈電表”配電方式，如圖5所示。

圖5 “凈電表”配電方式

3.3 光伏發電系統應用類型分析及確定

1）并網光伏系統和獨立光伏系統比較，見表2。

表2 并網光伏系統和獨立光伏系統比較

2）并網光伏系統和獨立光伏的應用分類如圖6所示。

圖6 光伏發電應用分類

4 光伏建筑一體化

“太陽能光伏建筑一體化”的概念，據查最早是世界能源組織于1986年提出的。那么光伏為什么要與建筑相結合呢?

● 建筑能耗占到50%，光伏發電與建筑結合可以有效地削減建筑用電；

● 發電上網最為方便，不需要架設輸電線路；

● 發電無需額外占地；

● 光伏發電可以安裝在任何地方而能夠被人們接受（風力發電則不同）；

● 建筑是最能表現擁有者生活態度和生活方式的事物。

這種與建筑相結合的光伏發電技術，由于其自身特點將成為21世紀利用光伏技術的熱點之一，該利用形式目前約占全球并網光伏發電系統的90%。很多發達國家均制定了“太陽能屋頂計劃“，如：英國的“綠色住宅”建筑計劃，美國的“百萬太陽能屋頂計劃”及歐洲的“百萬屋頂計劃”及其框架下的德國“十萬太陽能屋頂計劃”等。我國現有房屋建筑中，可利用的光伏發電系統面積約186億m2，這也為光伏建筑一體化提供了優越條件。

4.1 光伏建筑一體化形式

1）BAPV(Building Attached Photovoltai：c)附著在建筑物上的太陽能光伏發電系統，也稱為“安裝型”太陽能光伏建筑。它的主要功能是發電，與建筑物功能不發生沖突，不破壞或削弱原有建筑物的功能。

安裝型”太陽能光伏建筑

2）BIPV(Building Integrated Photovolt：a與ic)建筑物同時設計、同時施工和安裝并與建筑物形成完美結合的太陽能光伏發電系統，也稱為“構件型”和“建材型”太陽能光伏建筑。它作為建筑物外部結構的一部分，與建筑物同時設計、同時施工和安裝，既具有發電功能，又具有建筑構件和建筑材料的功能，甚至還可以提升建筑物的美感，與建筑物形成完美的統一體。

“構件型”和“建材型”太陽能光伏建筑

（1）建材型：指將太陽能電池與瓦、磚、卷材、玻璃等建筑材料復合在一起成為不可分割的建筑構件或建筑材料，如光伏瓦、光伏磚、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墻、光伏采光頂等；

（2）構建型：指與建筑構件組合在一起或獨立成為建筑構件的光伏構件，如以標準普通光伏組件或根據建筑要求定制的光伏組件構成雨蓬構件、遮陽構件、欄板構件等。

4.2 未來發展趨勢——BIPV(建筑一體化)

無論是“金太陽”計劃，抑或是2009年3月份由財政部、住房和城鄉建設部聯合推動的“太陽能屋頂計劃”，都是加快光伏在建筑領域應用的強大推動力。

國家體育場(鳥巢)100kW并網型太陽能光伏發電系統，經北京奧運會和殘奧會運行發電的考核，發電正常、安全可靠、技術先進、性能優良，充分體現了“綠色奧運、科技奧運、人文奧運”的理念。

太陽能光伏建筑一體化在2010年上海世博會中國館和主題館的應用，可視為中國一系列扶持太陽能光伏應用政策下的典型案例。業界普遍認為，這一工程的建設必將有助于提高中國光伏建筑一體化產品及工程應用的技術水平，推進中國太陽能光伏產業健康快速發展。

完美的BIPV系統可以與建筑維護結構渾然一體，不可分割且不影響維護結構其他功能，如美觀性、安全性、采光性、通風性、舒適性、水密氣密性等。滿足以上要求需要大量的工程經驗，并且是多專業配合的系統設計，至少包括建筑、結構、機械、電氣四大專業，缺一不可；因此，BIPV的設計主要包括兩大項：建筑設計和電氣設計。即首先要滿足建筑的所有要求，第二盡可能使光伏系統獲得最大發電量。

1）建筑要求

建筑的美學要求；建筑結構要求；建筑隔熱隔音防護的要求；建筑采光的要求；

2）如何使光伏系統獲得最大的發電量

（1）光伏組件可能接受到的太陽能

由于太陽能發電的全部能量來自于太陽，因而太陽電池方陣所能獲得的輻射量決定了它的發電量。而太陽輻射量的多少與太陽高度、地理緯度、海撥高度、大氣質量、大氣透明度、日照時間等有關。一年當中四季的變化，一天當中時間的變化，到達地面的太陽輻射直散分量的比例，地表面的反射系數等因素都會影響太陽能的發電，但這些因素對于具體建筑而言是客觀因素，幾乎只能被動選擇。

A、光電的能量轉換計算

光伏發電是利用太陽能電池將太陽光的能直接轉化為電能。發電系統是根據這一原理制成的完整的發電系統。簡言之，光電轉換可以用如下公式：

其中：Eq—為多年平均年輻射總量（MJ/ m2），不同傾角數值要調整；

η1—為光伏電池的光電轉換效率；

g—為單位面積發電量（kWh/m2）。

根據氣象方面的知識，當傾角等于緯度時，投射在光伏電池板上的平均日照強度最高。為了優化光伏陣列接收日光的性能，光伏電池板的傾角應等于場地所在的緯度。此外，還必須考慮光伏系統應用的季節性，如果為滿足冬季負載，陣列傾斜角度應等于緯度加11o45′；如果系統的主要負載在夏天使用，如水泵，則陣列傾角應等于緯度減11o45′，全年平均傾角等于緯度加5o。用緯度可確定出全年任何給定位置太陽正午時在地平線上的高度。

光伏電池的光—電轉換能力不僅與太陽輻照強度有關，還與日光的入射角有關。只有太陽光垂直于光伏組件面板時，光伏陣列的電能輸出才可以達到最佳值。光伏電池板以前面所述的方位角和傾角直接朝向太陽，此時的日光入射角稱為“標準入射角”。

B、并網光伏發電系統的總效率由光伏方陣的效率、逆變器的效率、線路效率三部分組成。光伏并網發電系統發電量計算公式如下：

式中：P—系統直流總功率；

R—傾斜方陣面上的太陽總輻射量；

ηs—光伏系統發電效率；

Ro—標準日照輻射強度，即1kW/m2。

光伏系統綜合發電效率的計算公式如下：

其中，K1—光電電池運行性能修正系數；

K2—灰塵引起光電板透明度的性能修正系數；

K3—光電電池升溫導致功率下降修正系數；

K4—導電損耗修正系數；

K5—逆變器效率。

對于某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽能輻射能與傾角有關，可按下面經驗公式計算太陽總輻射量：

S—水平面上太陽能直接輻射量

D—散射輻射量

α—中午時分的太陽高度角

β—光伏陣列傾角

（2）光伏組件本身的性能對于光伏組件而言，光伏方陣的傾角、光伏組件的表面清潔度、光伏電池的轉換率、光伏電池的工作環境狀態等是我們在設計過程中應該考慮的。

（3）減少系統損失：逆變器在并網發電時，光伏陣列必須實現最大功率點跟蹤控制，以便光伏陣列在任何當前日照下不斷獲得最大功率輸出。在設計光伏組件串聯數量時，應注意以下幾點：

A、 接至同一臺逆變器的光伏組件的規格類型、串聯數量及安裝角度應保持一致。

B、需考慮光伏組件的最佳工作電壓（Vmp）和開路電壓（Voc）的溫度系數，串聯后的光伏陣列的Vmp應在逆變器MPPT 范圍內，Voc應低于逆變器輸入電壓的最大值。

（4）并網方式選擇：并網發電系統需要收集建設地點和電網的數據，如變電所距光伏電站的距離，可并網點變壓器容量等。要盡可能地減少傳輸損失。

3）歸納設計要點：

（1）滿足建筑美學要求；

（2）滿足建筑結構要求；

（3）滿足建筑功能要求，如保溫、隔熱、防水等；

（4）盡可能讓電池板獲取最大太陽輻射量，如朝向、角度等；

（5）考慮避開煙囪等物體的遮擋，帶傾角排列的電池方陣要考慮行間距；

（6）想辦法降低電池板升溫的可能；

（7）使逆變器輸出功率最大，電池板串聯考慮；

（8）選擇并網方案，與建筑供電系統匹配。

5 結束語

太陽能資源是中國分布最廣的新能源之一，既可以利用邊遠的土地資源，又可以利用大量建筑屋頂及外墻，來實現新能源的供應。在全球范圍內節能減排的倡導下，光伏技術的應用發展迅猛，雖然目前的政策和價格還不足以讓光伏建筑一體化技術得到普及，但隨著不可再生能源的日益枯竭，和人們在綠色環保意識上的提高，光伏發電技術市場潛力巨大，光伏建筑一體化也必將在未來社會中展現其生命力。

圖8 柏林火車站200kWp BIPV項目

[1] 李安定．太陽能光伏發電系統工程[M]．北京：北京工業大學出版社，2001.

[2] 上海交通大學. DGJ08-2004A-2006 民用建筑太陽能應用技術規程（光伏發電分冊）[S].上海市建設和交通委員會，2006.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T19939-2005光伏系統并網技術要求[S]. 北京：中國標準出版社，2006.