太陽能光伏建筑一體化的現狀與展望

　　1,前言
　　能源的緊缺提出了對可再生能源的需求，而太陽能作為一種可以在任何太陽存在的地方都可以使用的能源受到廣泛的關注，它的使用已經從最初在邊遠地區和缺電地區的使用，逐漸的轉移到發達國家城市的使用；從簡單的使用和安裝太陽電池板，到現在能夠把太陽電池板和建筑進行比較好的結合，使得太陽能光伏發電得到更廣闊的發展空間，“光伏發電與建筑物集成化”（Building- integrated photovoltaics）的概念在1991年被正式提出[1]。

　　由于太陽光伏發電可以和建筑很好的結合，使得其在城市中得到很大的發揮作用。一般來說將太陽電池組件安裝在住房或建筑物的屋頂，引出端經過控制器及逆變器與公共電網連接，由光伏方陣及電網并聯向用戶供電，這就組成了戶用并網光伏系統[2]。它具有調峰、環保的功能。另外也可以用太陽光伏發電的玻璃幕墻代替普通的幕墻玻璃，這樣即可以做建材又可以發電，進一步降低光伏發電的成本，非常獨特，成為城市里一道美麗的風景線。也可以直接用電池組件做建筑材料。比如說將單晶、多晶封裝到瓦狀的電池板中，用來做屋頂
　　光伏發電系統主要有兩種：獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。在近幾年的光伏建筑體系中，并網光伏發電系統是主要的發展方向，它可以節省了蓄電池的費用；通過研究理想的最大功率轉換追蹤控制技術，也將降低太陽電池并網發電的成本。太陽能光伏并網發電正由過去的補充式能源向替代式能源發展。《中華人民共和國可再生能源法》的規定，國家鼓勵發展可再生能源，每個地區的電網公司應當無條件地將當地可再生能源發的電全額高價“收編”到電網，并將其成本在整個電網中平攤，最終由電力消費者擔負。我國并網光伏分額約占總光伏市場的4％左右。光伏建筑的并網發電系統一般都是示范的項目，真正的商業化的運作還極少。


　　2 國內外太陽能光伏建筑一體化的發展情況
　　近年來，光伏建筑物一體化已經成為研究開發的熱點，也出現了大量的成功示范工程并開始大規模采用。光伏發電與建筑相結合具有節約占地，提高發電效率，減少輸電線路的投資和損失，替代或部分替代建筑材料等優點。

　　BIPV系統按照光伏系統和建筑結合形式主要可以分為：（1）光伏屋頂結構（PV-ROOF），太陽能屋頂發電，在整個BIPV中，屋頂發電占3/4。這主要是因為屋頂有更多受光面積，方便太陽電池組件的安裝；（2）光伏幕墻結構（PV- WALL），現代高層建筑，幾乎都是被玻璃幕墻，或者鋁塑幕墻所包裹。所以用太陽能幕墻代替原來的幕墻已經成為BIPV的一道亮麗的風景線[3-4]。BIPV系統一般由光伏陣列（太陽電池組件）、墻面或屋頂和冷卻空氣通道、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、系統控制等。與建筑相結合的光伏系統，可以作為獨立電源供電或者以并網的方式供電。當一個BIPV系統參與并網時，可以不需要蓄電池，但需有與電網聯入裝置，而并網發電是當今光伏應用的新趨勢。將光伏組件安裝在住房或建筑物的屋頂或外墻，引出端經過控制器及逆變器與公共電網相連接，由光伏方陣及電網并聯向用戶供電，這就組成了戶用并網光伏系統。由于其全部或基本不用蓄電池，造價大大降低，并且除了發電以外還具有調峰、環保和代替某些建材的多種功能，因而是光伏發電步入商業應用并逐步發展成為基本電源之一的重要方式。

　　建筑能耗大約占各國總能耗的1/3，光伏與建筑結合可以有效地減少建筑能耗[5]，不論從建筑、技術或經濟角度出發，太陽能光伏與建筑一體化均有諸多優點：（1）可以有效利用圍護表面（屋頂和墻面），無需額外用地或加建其他設施，節省了土地資源這對于人口密集、土地昂貴的城市建筑有尤為重要；（2）可原地發電、原地使用，可節約電站送電網的投資和減少輸電、分電損耗[6-7]；（3）通常夏季由于空調、制冷等設備的使用，形成用電高峰，而這時也是光伏方陣發電最多的時期，BIPV系統除保證自身建筑內用電外，還可以向電網供電，從而舒緩高峰電力需求，解決電網峰谷供需矛盾，具有極大的社會效益；（4）由于光伏陣列安裝在屋頂和墻面上，并直接吸收太陽能，避免了墻面溫度和屋頂溫度過高，因此可以改善室內溫度，并且降低空調負荷[8-10]；（5）利用太陽能光伏發電減少了一般由于化石燃料發電所帶來的嚴重空氣污染，這對于環保要求更高的今天和未來極為重要；（6）在建筑圍護結構上安裝光伏陣列[11-13]，可推動光伏組件的應用和批量生產，進一步降低其市場價格；（7）如把光伏電池陣列墻作為建筑物的玻璃幕墻，可減少建筑物的整體造價。當然，對光伏器件來說，同時還應具有建材所要求的絕熱保溫、電氣絕緣、防水防潮且具有一定強度及剛度，若作為窗戶材料，還要有一定的透明度等。

　　《京都協定書》的簽訂標志人類正向可持續發展的方向努力。西方發達國家已經充分觀注到化石能源的短缺和由此帶來的環境污染對世界經濟發展所帶來的壓力，都在大力開發潔凈的可再生能源。然而真正開始光伏發電的產業化發展的歷史并不算太長，產業基礎相對其他成熟能源工業非常薄弱，因此，為了扶持和促進光伏產業的發展，很多國家都制定了相關的激勵政策用于鼓勵產業界以及科技界對光伏產業的投入。在太陽能光伏利用方面，發達國家以光伏建筑一體化并網發電為基本形式，對太陽能的推廣十分奏效。

　　德國政府于2000年首先頒布《可再生能源法》，2001年光伏發電在德國國內的安裝量達到2000年的230%，2003年又公布《可再生能源促進法》，由此引發了德國光伏發展的新一輪高峰期，2004年德國光伏發電總量達到501GWh，可再生能源發電占總發電量的9.3%。德國、日本光伏推廣模式都非常成功，值得借鑒。這兩個國家發展的基本思路是將晶體硅太陽電池作為主導產品，并采用屋頂計劃和并網發電的基本形式，發展的主要推動力是政府的光伏發電補貼政策和銀行貸款的激勵機制。如德國政府帶頭利用太陽能，像柏林的議會大廈、柏林火車站等許多公共設施與場所，都大量采用光伏發電設備。

　　而我國的香港、深圳等城市也在公共建筑上安裝光伏示范系統，如香港科技園、深圳園博會等。其中深圳園博會光伏功率達到1MW規模，是目前我國最大的光伏并網發電系統。

　　國外著名BIPV光伏建筑

　　3 我們的工作
　　林洋新能源有限公司于2006年中期，從美國GT Solar公司引進了BIPV光伏玻璃幕墻生產線一條。目前可以生產尺寸大小：長寬3.3m×2.5m、厚度4~20mm的雙面玻璃光伏組件。目前該型BIPV光伏玻璃幕墻生產線全世界只有兩條，另外一條在英國。

 


　涂助焊劑設備

　　林洋新能源有限公司于2007年初開始研究大面積低彎曲超薄型雙面照光太陽能電池的制作方法。我們在一薄型P硅片上，使用N雜質擴散工藝制備N型表面摻雜層，用以形成發射區或表面場。利用絲網印刷工藝將含鋁漿料按預設圖形壓印在硅片表面上，再在其后的燒結工藝中將鋁作為摻雜物質擴散進硅片中，以此制備成預設的P型摻雜區域，用以形成發射區或表面場。硅片的表面可以是制成絨面狀的或沒有制成絨面狀的，并在正反兩表面都覆蓋有氮化硅或氧化硅等一層或復層介電物質用以形成減反射和鈍化膜。金屬電極的制備工藝采用成熟的絲網印刷技術將相應的金屬漿料按預設圖形分別壓印在硅片的正反表面上，再在其后的燒結工藝中形成導電電極并和硅片表面預設區域形成電導接觸。這種新型制作方法只在電池背面的局部區域使用了金屬化，可實現電池的雙面照光，減少大面積超薄型硅片的彎曲，并利用氮化硅或氧化硅薄膜對電池的背表面作鈍化而提高了高轉換效率。

　　雙面照光太陽電池組件可以作為一種新型建筑材料用于光伏建筑一體化，具有采光面積大、發電功率峰值分布較寬、外形新穎美觀等優點。


　　4 光伏建筑一體化未來展望
　　本世紀, 能源短缺和環境污染兩大問題對世界經濟可持續發展的影響十分突出。大力推廣太陽能、風能等可再生潔凈能源是解決這兩大難題最有效的方法之一。太陽能是清潔、安全、取之不盡的可再生能源，充分開發利用太陽能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策。利用太陽能光伏發電近期可解決特殊應用領域的需要，作為常規能源的補充；遠期將大規模應用，逐步替代常規化石能源。據權威預測，到2030年光伏發電在世界總發電量中將占到5-10％。

　　近幾年在一些發達國家“零能房屋”得到了一定的發展，即完全由太陽能光斷轉換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清潔、無污染，它代表了21世紀太陽能建筑的發展趨勢，許多國家的政府（如美國，德國）都指定了太陽能在國家總能源消耗中的所占比例應超過20％的計劃。發達國家光伏項目的成功實施也為我國的光伏發展提供了許多值得借鑒的經驗，對德國和日本等國的可再生能源的政策和技術進行深入的了解，對我國太陽能光伏產業的發展具有十分重要的意義。由于目前國內還不能有償并網，導致我國的太陽能光伏發電市場發展遠遠落后于德國、日本、美國等發達國家。2006年1月1日，《中華人民共和國可再生能源法》正式實施。該法案將太陽能發電并網合法化，并規定了電網必須收購太陽能電力，這將給中國的新能源產業，尤其是太陽能光伏發電產業打開國內市場的大門。

　　從發展觀念和經濟實力分析來看，在太陽能光伏示范推廣方面，上海、江蘇和廣東有望像發展經濟和高技術產業一樣走在國內的前面。在世界自然基金會和上海市經委的支持下，上海交通大學崔容強教授根據上海的情況，因地制宜的制定了“上海十萬個太陽能屋頂計劃”。

　　2008北京 奧運會 、2010年上海世博會及2010年廣州亞運會等，都應該成為我國太陽能利用大規模示范的理想場所，若干個5-10MW的光伏發電規模無論如何應該能在3-5年內能夠實現。通過大規模的工程示范，既可充分展示我國太陽能技術的水平，也能從中發現與發達國家的發展差距，為大規模利用太陽能積累實際經驗和技術數據，這對我國太陽能企業的發展是非常重要的。



　　參 考 文 獻

　　[1]J.Benemann,O.Chehab ,E.Schaar-Gabriel. Building-integrated PV modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2001（67）: 345
　　[2] 沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術.北京：化學工業出版社，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

　　 陳維1，2，沈輝2， 褚玉芳3，云飛1，黃龍星1
　　（1．江蘇林洋新能源有限公司；2.中山大學太陽能系統研究所;

　　3.宜春學院物理科學與工程技術學院）