太陽能光伏技術在建筑中應用

李 蔚 / 馮曉良 / 劉 杰

(中信建筑設計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430014)

1 引 言

太陽能作為可再生能源的一種，因其清潔環保、永不衰竭的特點，被業內人士稱為“黃金電”。太陽能光伏發電是未來太陽能大規模利用的方式，成為太陽能資源利用的熱點研究領域。

我國地處北半球，南北4oN～52.5oN，東西自73oE～135oE。全國各地的年太陽能輻射總量為931～2 334kWh/m2,中值為1 633kWh/m2。

根據《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)5.2.18款說明：年日照時數超過2 200h為太陽能利用條件較好的地區，約占我國國土的2/3。

我國各地區的太陽能資源分布，可劃分為五類地區，參見表1。

我國是太陽能資源相當豐富的國家，表1中1、2、3類地區占全國總面積的2/3以上，可以利用太陽能的良好條件。太陽能光伏發電具有安全可靠、能源質量高、無需消耗燃料、可方便地與建筑物相結合、維護費用低等優點，是未來太陽能大規模利用的重點研究領域。太陽能光伏發電系統如何與建筑有機結合，是光伏技術工程化應用必須要解決的問題。

2 光伏系統的組成及功能

太陽能光伏系統主要由太陽能電池板(組件)、蓄電池、控制器、DC-AC逆變器和各類用電負載等組成。其系統組成框圖如圖1所示。

圖1 光伏系統組成框圖

表1 我國各地區的太陽能資源分布表

太陽能光伏系統各部件的功能如下：

1)太陽能電池板(組件)

太陽能電池板(組件)是太陽能光伏系統將太陽光能轉換成電能的核心部件，由多個太陽能電池經串、并聯組成，其板面為鋼化玻璃封裝，使用溫度為－40℃～＋60℃，使用壽命為20～25年。

2)蓄電池

蓄電池是太陽能光伏系統的儲能部件，它將太陽能電池板所產生的電能儲存起來，當用電負載需求大于太陽能電池板所發的電量時，將存儲的電能反向釋放以滿足負載供電需求。

3)控制器

控制器對蓄電池的充、放電條件和系統的電能輸出加以控制，保證系統正常、可靠地工作。一般需包含蓄電池過充、過放、負載過流和防反充等保護電路。

4)逆變器

如果用戶終端為交流負載，則須使用逆變器設備，將光伏發電系統發出的直流電轉換為交流電供用戶使用。

3 光伏電池性能特點

太陽能電池板由多個光伏電池經串、并聯組成，光伏電池主要包括晶體硅(單晶硅、雙晶硅)電池和非晶硅電池。

1)晶體硅(單晶硅、多晶硅)電池

(1)組件尺寸：最小300mm×300mm

最大2 300mm×3 600mm；

(2)電池片顏色：藍色、青銅色、灰色、黑色、棕色、紅色及其他需求的顏色；

(3)電 池 片 效 率 ： 單 晶 硅15%～21%、多晶硅14%～17%；

(4)常規晶硅組件功率：

150Wp/m2(5% 透 光 率)，140Wp/m2(10%透光率)，130Wp/m2(20%透光率)，120Wp/m2(25% 透光率)，110Wp/m2(30% 透 光 率)，100Wp/m2(35% 透光率)，90Wp/m2(40%透光率)，80Wp/m2(50%透光率)。

2)非晶硅薄膜電池

(1)厚度小，非晶硅薄膜層厚度約為0.3μm，而晶體硅片厚一般為200μm，因而原材料消耗少。

(2)冶煉硅需要消耗電能，晶體硅組件的抵能回收期需2.2年，而薄膜硅只需1.6年。

(3)薄膜硅的高溫性能較好，電壓和輸出功率的溫度變化系數遠小于晶體硅。

(4)具有良好的建筑性能，其顏色均勻，無晶體光電池的分格圖案，并且薄膜具有多種色彩，可為建筑師提供較多的建筑藝術設計選擇。同時，薄膜電池具有透光性，透光率可以在1%～30%范圍內選擇，可一定程度的滿足建筑設計要求。

(5)尺 寸 ：長1245(mm)× 寬635(mm)× 厚7(mm)；重量 ：12.4 kg。

(6)轉 換 效 率 ：5%～8%；功 率 ：50～70Wp/m 。

4 太陽能電池板的安裝

1)安裝方向

為了使太陽能電池板面更好接收太陽光照射，在安裝時北半球應朝南略偏西，南半球應朝北略偏西。

2)安裝角度

太陽能電池組件的輸出功率與安裝角度和裝飾性外罩有關，如水平放置，將使輸出功率減少15%～20%；再在電池上增加一個裝飾性外罩，輸出功率又將減少5%左右。太陽能電池板面與地面夾角應根據緯度不同進行調整，高緯度地區夾角大一些，低緯度地區夾角小一些，以最大限度地利用太陽光。

以北京、武漢為例，太陽能電池組件的安裝方向為正南方時，其安裝角度如表2所示。

3)占地面積

由于太陽能電池板較大，使用時須預留安裝面積。以武漢為例，目前每100Wp(峰值功率)電池板占地面積約為1.2m2，如果排成陣列，則需預留占地面積約2.2m2。

表2 太陽能電池組件安裝角度

4)基本要求

太陽能電池板安裝時必須避開所有陰影，使太陽光不被遮擋，并且其支架強度應能抵抗當地最大風力和最大雨雪冰雹荷載。

5 光伏系統的建筑應用

5.1 太陽能照明系統

太陽能照明系統是一種常見的光伏系統應用模式，主要由太陽能電池板、蓄電池、逆變器、充放電控制器、節能燈具和燈桿等組成。通常應用于戶外場所(如路燈、草坪燈、庭院燈等)照明和樓道照明(樓道燈)等。

5.2 太陽能、LED光源的結合

應用太陽能光伏系統給傳統的燈具光源供電，并不十分經濟。LED光源功耗低、壽命長、光效高、反應速度快、直流低壓工作安全可靠、環保，是未來替代傳統照明燈具的潛力產品。隨著LED技術的不斷發展和成熟，太陽能發電與LED照明的結合是未來研究的熱點。

5.3 光伏建筑一體化(BIPV)

“光伏發電與建筑物集成化”(Building integrated/attached photovoltaic)的概念早在1991年被正式提出。其目標是將光伏器件與建筑材料集成化，按照光伏組件的安裝方式，可分為建材型、構件型和與屋頂、墻面結合安裝的支架型三種形式。建材型和構件型光伏系統的光伏板組件本身就是建筑的外圍護結構(如屋面、墻面的面板)，同時具有發電的功能和圍護結構的功能，無需另設外圍護結構。光伏建筑一體化系統應在建筑方案設計時一并考慮，與建筑物本身同時規劃、設計、施工和驗收，其圍護結構應同時符合《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ 102－2003)的相關要求。

光伏建筑一體化(BIPV)是將光伏系統應用于建筑的一種新能源利用形式，其載體是建筑，客體是光伏系統。為此，在選擇光伏組件時，除滿足電氣性能外，還應符合如下要求：

1)顏色和質感：需與整體建筑相協調，使建筑更富生機，更環保。

2)強度與抗變形的能力：光伏組件的玻璃需要加厚，使其具有抗風壓的能力；同時也要有一定的韌性，在風荷載作用時能有抗變形的能力，從而不會影響到光伏組件的正常工作。

3)透光率：在光伏組件與建筑物集成時(如光電幕墻或光電采光頂)，若需要制作光伏組件，則采用雙層玻璃封裝，并通過調整電池片之間的空隙來達到透光率要求。

4)尺寸和形狀：BIPV形式不同，對光伏組件的尺寸形狀要求也不同，所以需要結合建筑的不同要求，進行專門的設計與生產。

6 BIPV的建筑設計

在BIPV建筑設計時應盡量不影響原有建筑的外觀效果、結構安全、使用功能和壽命，主要從以下四個方面考慮：

1)對建筑物地區的氣候條件及太陽能資源情況進行分析，充分考慮經濟性，決定是否適合選用BIPV；

2)選用某建筑物作為BIPV建筑時，對該建筑物的周邊環境條件，接收太陽能的具體情況，是否被其他建筑物遮擋等進行分析；

3)BIPV的設計要與建筑物的外裝飾協調；

4)要分析光伏組件安裝后，對當前建筑物的熱環境有何影響。

光伏建筑一體化選用形式見表3。

表3 光伏一體化的形式

光伏建筑一體化工程中，采用合一式光電組件面板兼作玻璃墻面板時，面板和支承結構的設計應符合《玻璃幕墻工程設計規范》(JGJ 102-2003)。

BIPV的結構設計主要涉及以下兩個方面：

1)光伏組件的結構安全。如高層建筑屋頂的光伏組件能否承受較大的風力、地震力、積雪荷載等，組件受力變形時是否會影響到光伏電池片的正常工作。屋頂的光伏組件在20年一遇的冰雹撞擊下，不應破損。

2)固定光伏組件的連接方式的安全性。光伏組件安裝連接時，應充分考慮在使用期內的多種最不利

7 BIPV的結構設計

情況，對連接件固定點進行相應的結構計算。支承結構應與主體結構或基礎可靠連結，要對連結件進行承載力計算，并核算主體結構能否承受光伏系統傳來的支承反力。

8 光伏陣列的發電量計算

8.1 計算公式

光伏幕墻與屋面產生的電能可按式(1)計算：

式中Ps—年產電能(MJ)

H—所在地區每m2太陽能與年總輻射能(MJ/m2)；

A—光電幕墻或屋面面積；

η—光伏電池效率，可按表4取值。

表4 光伏電池效率表

K—修正參數 ；K=K1·K2·K3·K4·K5·K6，其中 ：

K1—光伏電池長期運行性能參數，K1=0.8；

K2—灰塵引起的透明度參數，K2=0.9；

K3—光伏電池升溫導致性能下降的參數，K3=0.9；

K4—導電損耗修正參數，K3=0.95；

K5—逆變器效率參數，K4=0.85；

K6—光伏電池陣列朝向和傾角修正系數，按表5取值。

表5 光伏電池陣列朝向和傾角修正系數

8.2 計算示例

已知：(1)室內用電負荷：設備一臺，日均耗電640Wh；8W日光燈6盞，平均每天照明3h；功率為60W的彩電一臺，平均每天收看2h。

(2)選用單晶硅光伏電板，與地面成60°角，朝南(北京地區)。

請設計滿足上述用電需求的光伏電池板。

解：①負荷用量

日耗電量：

以全年工作280d計算，年耗電量：

②光伏幕墻年發電量應滿足室內用電要求：

北京地區：H =5 000MJ/m2=5 000×106J/m2

單晶硅：η=0.14

③采用1 000mm×760mm光伏電池板，4塊，實際面積為：

1.0 m×0.76×4 =3.04m2＞2.73m2

可以滿足設計要求。

9 光伏系統的應用現狀及前景展望

9.1 應用現狀

近年來，我國光伏產業呈現快速增長態勢，出現了一批具有國際競爭力和國際知名度的光電生產企業，初步形成規模化、國際化、專業化的產業鏈條。但目前國內市場需求不足以及過度依賴國際市場的局面，在一定程度上影響了產業發展。同時，歐債危機、歐盟反傾銷增稅等，給光伏產業帶來不利影響。

為加快推進我國光電建筑應用，2009年3月財政部與住房和城鄉建設部聯合發布了《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》及《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》。2013年8月發改委發布了《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》，進一步完善了光伏發電項目的價格政策，給太陽能光伏產業帶來了新的發展契機。

目前，光伏系統仍以硅基光伏電池為主，但光伏電池轉換效率低、光伏發電系統成本較高，制約著光伏產業的發展。今后的目標是發展高效廉價的硅基電池，并通過創新技術研發新型實用電池，推動光伏產業的規模化應用。

9.2 發展前景

以光伏建筑一體化(BIPV)為主要應用方式的光伏技術，有著巨大的市場潛力，發展前景廣闊。隨著光伏技術的創新發展和不斷成熟，光伏建筑一體化(BIPV)將會得到大規模應用。

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