太陽能光伏—建筑一體化的研究

　　光伏—建筑一體化（BIPV）提出了“建筑物產(chǎn)生能源”的新概念，即建筑物與光伏發(fā)電的集成化，在建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面上布設(shè)光伏陣列產(chǎn)生電力。

　　BIPV系統(tǒng)可以劃分為兩種形式：光伏屋頂結(jié)構(gòu)（PVROOF）和光伏墻結(jié)構(gòu)（PVWALL）。BIPV系統(tǒng)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(gè)完整的BIPV系統(tǒng)，還應(yīng)該有另外一些設(shè)備：負(fù)載、蓄電池、逆變器、系統(tǒng)控制、濾波保護(hù)等裝置。當(dāng)一個(gè)BIPV系統(tǒng)參與并網(wǎng)時(shí)，則不需蓄電池，但需有與電網(wǎng)的聯(lián)入裝置。

　　一光伏—建筑一體化（BIPV）的形式與特點(diǎn)

　　在80年代，光伏地面系統(tǒng)除大量用于偏僻無電地區(qū)、游牧家庭、航海燈塔、孤島居民供電以及某些特殊領(lǐng)域外，已開始進(jìn)入一般單獨(dú)用戶、聯(lián)網(wǎng)用戶和商業(yè)建筑。進(jìn)入90年代后，隨著常規(guī)能源的日益枯竭而引起的發(fā)電成本上升和人們環(huán)境意識的日益增強(qiáng)，一些國家紛紛開始實(shí)施、推廣BIPV系統(tǒng)。

　　光伏與建筑的結(jié)合有兩種方式：一種是建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合；另外一種是建筑與光伏器件相結(jié)合。

　　1建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)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(fù)載等裝置相聯(lián)。光伏系統(tǒng)還可以通過一定的裝置與公共電網(wǎng)聯(lián)接。

　　2建筑與光伏器件相結(jié)合

　　建筑與光伏的進(jìn)一步結(jié)合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護(hù)表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃，目的是為了保護(hù)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(fā)電，可謂物盡其美。對于框架結(jié)構(gòu)的建筑物，可把其整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)做成光伏陣列，選擇適當(dāng)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(jīng)研制出大尺度的彩色光伏模塊，可以實(shí)現(xiàn)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(xiàng)條件：堅(jiān)固耐用、保溫隔熱、防水防潮、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)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(fā)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(kuò)大，光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模也隨之增大，則可從規(guī)模效益上降低光伏組件的成本，有利于光伏產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，所以存在著巨大的潛在市場。

　　從建筑、技術(shù)和角度來看，光伏—建筑一體化有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：①聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(shè)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(fā)電、原地用電，在一定距離范圍內(nèi)可以節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資。對于聯(lián)網(wǎng)戶用系統(tǒng)，光伏陣列所發(fā)電力既可供給本建筑物負(fù)載使用，也可送

　　二BIPV系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　在能源和環(huán)保壓力的促進(jìn)下，太陽能光伏技術(shù)已逐步成為國際走可持續(xù)發(fā)展道路的首選技術(shù)之一。事實(shí)已經(jīng)證明，對于幾kW以下的系統(tǒng)，采用太陽光伏發(fā)電是最為理想的。光伏（PV）技術(shù)除傳統(tǒng)的單獨(dú)用戶及特殊領(lǐng)域應(yīng)用外，正在向高水平和大規(guī)模方向發(fā)展。BIPV的聯(lián)網(wǎng)發(fā)電已成為近年來PV應(yīng)用的主要方向和熱點(diǎn)。聯(lián)合國能源機(jī)構(gòu)最近發(fā)布的調(diào)查報(bào)告顯示，BIPV將成為21世紀(jì)的市場熱點(diǎn)，太陽能建筑業(yè)將是21世紀(jì)最重要的新興產(chǎn)業(yè)之一。各國一直在通過改進(jìn)工藝、擴(kuò)大規(guī)模、開拓市場等，大力降低光伏電池的制造成本和提高其發(fā)電效率。

　　近年來，世界光伏市場發(fā)生了很大變化：由過去的獨(dú)立運(yùn)行（提水、照明等）和通訊設(shè)備、衛(wèi)生保健、導(dǎo)航浮標(biāo)等領(lǐng)域轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑物結(jié)合的常規(guī)供電；開始由作為補(bǔ)充性能源逐步向替代性能源過渡?，F(xiàn)在分別介紹一下不同國家的發(fā)展情況。

　　1美國

　　1993年6月，美國能源部和國立再生能源實(shí)驗(yàn)室簽定五年合同，實(shí)施“PV：BONUS”計(jì)劃，耗資2 500萬美元發(fā)展與建筑相結(jié)合的光伏產(chǎn)品，即建筑幕墻光伏器件和大型屋頂光伏組件等。

為了促進(jìn)美國光伏產(chǎn)業(yè)的快速，降低光伏發(fā)電成本以及節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，美國前總統(tǒng)克林頓1997年6月26日在聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展特別會議上宣布美國將實(shí)施“百萬太陽能屋頂”計(jì)劃，到2010年要在全國范圍的住宅、商業(yè)建筑、學(xué)校和聯(lián)邦政府辦公樓屋頂上安裝100萬套太陽能系統(tǒng)，包括光伏系統(tǒng)和太陽能集熱器，可以供應(yīng)電力和熱水。為此，1998財(cái)政年度美國政府的光伏經(jīng)費(fèi)增加了30％。

　　2日本

　　日本很重視光伏與建筑相結(jié)合的技術(shù)。20世紀(jì)90年代，政府資助一些大學(xué)、研究所和公司進(jìn)行開發(fā)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(jié)合的產(chǎn)品（三洋公司在非晶體太陽電池技術(shù)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(jià)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(yè)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(fā)電（德國也有類似產(chǎn)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(chǎn)省又宣布執(zhí)行“七萬屋頂”計(jì)劃，安裝了37 MWP屋頂光伏系統(tǒng)。該計(jì)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(jì)劃到2000年安裝400 MW、2010年安裝4 600 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)。

　　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(shí)施“一千屋頂計(jì)劃”，在私人住宅屋頂上推廣容量為1～5 kWP的戶用聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)。

在光伏器件與建筑相結(jié)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(dá)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(tǒng)安裝在新慕尼黑貿(mào)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(fā)展家，印度的光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用市場居領(lǐng)先地位；據(jù)報(bào)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(chǎn)國。全國已有40萬套光伏系統(tǒng)用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。并且，政府正在組織一些研究和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)開展光伏器件與建筑相結(jié)合的研究開發(fā)。

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

　　5中國

　　中國的太陽能光伏技術(shù)也具有了一定的規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止1997年底，我國已完成并正常使用的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為10～15MW，主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)居民的供電。隨著光伏發(fā)電領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變，我國的BIPV系統(tǒng)的研究與開發(fā)已取得了很大的發(fā)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(fā)電屋頂并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。在世界銀行捐贈及雙邊或多邊技術(shù)合作的支持下，預(yù)計(jì)我國光伏市場年銷售量將以20％的年增長速度發(fā)展，到2010年可望超過10MW.

　　最近獲悉，香港特區(qū)政府為支持環(huán)保，香港工業(yè)署日前撥款170萬港元給香港理工大學(xué)，建立第一座“光伏建筑”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并對到2010年可以安裝PV的容量進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果如表1所示。

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

　　BIPV的開發(fā)是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的一大研究熱點(diǎn)，西方發(fā)達(dá)國家都在作為重點(diǎn)項(xiàng)目積極進(jìn)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(nèi)的產(chǎn)品。

　　在飛速發(fā)展的智能建筑（IB）中，樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）是一個(gè)重要組成部分。對于BIPV系統(tǒng)，其本質(zhì)上是屬于樓宇設(shè)備的范疇，但在目前關(guān)于BAS的資料中還沒有被納入其中。筆者認(rèn)為，BIPV系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)納入BAS.未雨綢繆，在實(shí)際建筑施工中應(yīng)當(dāng)預(yù)留光伏陣列的鋪設(shè)裝置；在綜合布線系統(tǒng)（PDS）中，應(yīng)當(dāng)預(yù)設(shè)光伏設(shè)備的接入端口和線路匣，為以后光伏組件與樓宇設(shè)備的結(jié)合作準(zhǔn)備。隨著光伏組件的廣泛應(yīng)用和價(jià)格大幅度下降，未來實(shí)現(xiàn)智能化的建筑物必定要配裝BIPV系統(tǒng)，同時(shí)這也是對IB的一個(gè)重要補(bǔ)充。

　　可以預(yù)計(jì)，光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之之一，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場潛力。

　　由于價(jià)格、法規(guī)等因素，BIPV系統(tǒng)在短期內(nèi)還難以大規(guī)模普及，但隨著常規(guī)能源的日益枯竭、人們環(huán)保意識的日益提高，以及由此促進(jìn)的制造工藝的革新和技術(shù)的發(fā)展，BIPV一定會展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。