光伏发电技术在建筑工程中的应用

王 健 / 曹 磊 （中国建筑设计研究院机电院，北京 100044）

1 引言

全球范围内的能源危机日趋严重，而与能源危机孪生的气候危机的表现则更为直观，气候变暖已威胁到了人类赖以生存的地球的生态环境和人类安全。早在上个世纪90年代，各国的经济学家和科学家就已通过种种数据揭示了能源危机这一人类面临的严重问题，并提出了“新能源”的理念。随后美国、加拿大、日本、欧盟等也都十分重视可再生能源的开发利用，制定并实施了一系列鼓励政策，积极开发如太阳能、风能、海洋能(包括潮汐能和波浪能)等可再生新能源。

进入21世纪，如何发展新能源产业、实现可再生能源的高效、清洁利用已成为世界各国新能源发展的共同目标之一。作为新能源之一的太阳能，利用太阳能发电即光伏发电技术的应用是目前发展最为迅速、并且前景最为看好的可再生能源产业之一。

各国政府对光伏发电都十分重视，美国提出“太阳能先导计划”,意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平；日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。通过各国政府对光伏发电的各种政策性支持，截止到2010年，全球光伏发电累计装机容量达到了40GW，国际能源署预计2020年光伏发电在许多地区能够实现电网平价，到2050年能够提供全球发电量的11%。

当然作为能源大国之一，中国也不甘落后，2009年相继提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策；2010年国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确提出要“开拓多元化的太阳能光伏光热发电市场”；2011年国务院制定的“十二五”规划纲要再次明确了要重点发展包括太阳能热利用和光伏光热发电在内的新能源产业；国家发改委2011年8月1日宣布了新的太阳能光伏发电标杆上网电价，按项目核准期限分别定为1.15元/kWh（含税）和1元/kWh，以刺激太阳能光伏发电的普及。该通知明确了全国光伏上网的基准电价，在此基础上，地方政府可出台地方性的光伏上网电价补贴，补贴部分由地方政府负担。这一系列的政策支持让中国光伏发电发展之路更加宽广。

2 光伏发电的原理和光伏电池的分类

2.1 光伏发电系统原理

光伏电池发电的原理是光生伏打效应(Photovoltaic effect)，即光子能量转换成电能的过程。当太阳光(或其他光)照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子—空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。

2.2 光伏电池及其常见种类

光伏电池(solar cell)是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，又称光伏电池。能产生光伏效应的材料有多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同。

1)硅太阳电池

(1)晶体硅电池

A. 单晶硅太阳能电池（single crystalline silicon solar cell）：是以单晶硅为基

体材料的太阳电池。据数据显示其 光电转换效率实验室测得数据最高为24.7%，商业化后转换效率为17%。

单晶硅太阳能电池

B. 多晶硅太阳电池(polycrystalline silicon solar cell)：是以多晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为20.3%，商业化后转换效率为16%。

多晶硅太阳电池

（2）非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池（a-si太阳电池）（amorphous silicon solar cell）：是薄膜光伏电池的一种，一般采用高频辉光放电技术使分解硅烷气体，沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成，亦称无定形硅太阳电池，简称a-si非晶硅薄膜太阳能电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为12%，商业化后转换效率为6%～8%。

非晶硅太阳电池

2)化合物电池

多元化合物薄膜太阳能电池（thin film solar cell）：系指用辉光发放电法、化学气相淀积法、溅射法、真空蒸镀法等制得的较大面积的薄膜（硅、硫化镉、砷化镓等）为基体材料的太阳电池称为薄膜太阳电池。

（1）CdTe（碲化镉）太阳电池：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为12%，商业化后转换效率为6%～8%。

（2）CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为19.9%，商业化后转换效率为17%。

CdTe（碲化镉）太阳电池

CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池

3 光伏发电系统

3.1 光伏发电系统构成

太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

1） 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程与普通的火力发电一样，是热—电转换过程。太阳能热发电主要有3种形式：槽式、塔式及碟式。目前可商业化的主要是槽式。太阳能热发电系统的这3种形式都不适合在建筑上做，故不做讨论。

2） 光—电直接转换方式。该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。它是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来时，就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

3.2 光伏发电系统分类

表1 光伏发电系统分类

1）独立光伏发电系统：一般由光伏组件、太阳能控制器、蓄电池等组成。其系统结构示意图如图1所示。

图1 独立太阳能光伏发电系统框图

独立光伏发电系统是相对于并网发电系统而言的，属于独立的发电系统。独立系统主要应用于偏远无电地区，其建设的主要目的是解决无电问题。其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，很多时候需要加装能量储存和能量管理环节。

独立光伏系统例：独立光伏路灯系统见图2。

图2 独立光伏路灯系统图

2）并网光伏发电系统：是太阳能电池板发出的直流电经过逆变器后，将直流电转变为交流电，最后并入电网中。并网光伏系统由光伏阵列、变换器和控制器组成，变换器将光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。控制器一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成；电压型变换器主要是由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽调制形式向电网送电。典型的光伏并网系统结构包括：光伏阵列、直流—直流变换器、逆变器和集成的继电保护装置（见图3）。通过直流—直流升压斩波变换器，可以在变换器和逆变器之间建立直流环。升压斩波器根据电网电压的大小用来提升光伏阵列的电压以达到一个合适的水平，同时直流—直流变换器也作为最大功率点跟踪器，增大光伏系统的经济性能。逆变器用来向交流系统提供功率；继电保护系统可以保证光伏系统和电力网络的安全性。

图3 并网太阳能光伏发电系统框图

（1）光伏并网发电系统的形式：

A、小型住户的并网系统；

B、光伏与建筑相结合的并网系统，包括安装型光伏建筑BAPV和构建型光伏建筑BIPV；

C、大型光伏并网电站。

（2）光伏并网系统应用原则：

光伏系统与公用电网并网时，应先征得当地供电部门同意，且应符合并网技术条件。

A.并网光伏系统应具有自动检测功能及并网切断保护功能，并应符合下列要求：

a．光伏系统应安装电网保护装置，并应符合GB／T20046-2006《光伏(PV)系统电网接口特性》的相关要求；

b．光伏系统与公共电网之间的隔离开关和断路器均应具有断中性线功能，隔离开关和断路器的相线和中性线应同时分断和合闸；

c．当公用电网电能质量超限时，光伏系统应自

动与公用电网解列，在公用电网质量恢复正常后的5min之内，光伏系统不得向电网供电。

B.接入公用电网的光伏系统，其总容量控制在上级变电站单台主变压器额定容量的30% 以内。

C.逆流光伏系统应按照无功就地平衡的原则配置相应的无功补偿装置，其功率因数应符合现行的《供电营业规则》的相关规定。

（3）计量装置

在城市中，并网太阳能光伏发电系统的并网点一般在电网的配电侧(400V，230V)，也称作分布式发电系统。其特点为：A.并网点在配电侧；B.电流是双向的，可以从电网取电，也可以向电网送电；C.大部分光伏电量直接被负载消耗，自发自用；D.分“上网电价”并网方式(双价制)和“净电表计量”方式(平价制)。它不同于在输电侧(10kV，35kV，110kV)并网的大型太阳能光伏电站。

并网光伏发电可以采用发电、用电分开计价的接线方式，也可以来用“净电表”计价的接线方式。德国和欧洲大部分国家都采用双价制，电力公司高价收购太阳能光伏发电的电量(平均0.55欧元／kWh)，用户用电则仅支付常规的低廉电价(0.06～0.1欧元／kWh)，这种政策称为“上网电价”政策。在这样的情况下，光伏发电系统应当在用户电表之前并入电网。如图4所示。

图4 实行上网电价的并网光伏发电系统示意图

美国和日本采用初投资补贴，运行时对光伏发电不再支付高电价，但是允许用光伏发电的电量抵消用户从电网的用电量。电力公司按照用户电表的净值收费，称为“净电表”计量制度。此时，光伏发电系统应当在用户电表之后接入电网。目前根据我国政府对光伏发电产业的政策，大多数项目采用“净电表”配电方式，如图5所示。

图5 “净电表”配电方式

3.3 光伏发电系统应用类型分析及确定

1）并网光伏系统和独立光伏系统比较，见表2。

表2 并网光伏系统和独立光伏系统比较

2）并网光伏系统和独立光伏的应用分类如图6所示。

图6 光伏发电应用分类

4 光伏建筑一体化

“太阳能光伏建筑一体化”的概念，据查最早是世界能源组织于1986年提出的。那么光伏为什么要与建筑相结合呢?

● 建筑能耗占到50%，光伏发电与建筑结合可以有效地削减建筑用电；

● 发电上网最为方便，不需要架设输电线路；

● 发电无需额外占地；

● 光伏发电可以安装在任何地方而能够被人们接受（风力发电则不同）；

● 建筑是最能表现拥有者生活态度和生活方式的事物。

这种与建筑相结合的光伏发电技术，由于其自身特点将成为21世纪利用光伏技术的热点之一，该利用形式目前约占全球并网光伏发电系统的90%。很多发达国家均制定了“太阳能屋顶计划“，如：英国的“绿色住宅”建筑计划，美国的“百万太阳能屋顶计划”及欧洲的“百万屋顶计划”及其框架下的德国“十万太阳能屋顶计划”等。我国现有房屋建筑中，可利用的光伏发电系统面积约186亿m2，这也为光伏建筑一体化提供了优越条件。

4.1 光伏建筑一体化形式

1）BAPV(Building Attached Photovoltai：c)附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统，也称为“安装型”太阳能光伏建筑。它的主要功能是发电，与建筑物功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物的功能。

安装型”太阳能光伏建筑

2）BIPV(Building Integrated Photovolt：a与ic)建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统，也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。它作为建筑物外部结构的一部分，与建筑物同时设计、同时施工和安装，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，甚至还可以提升建筑物的美感，与建筑物形成完美的统一体。

“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑

（1）建材型：指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等；

（2）构建型：指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨蓬构件、遮阳构件、栏板构件等。

4.2 未来发展趋势——BIPV(建筑一体化)

无论是“金太阳”计划，抑或是2009年3月份由财政部、住房和城乡建设部联合推动的“太阳能屋顶计划”，都是加快光伏在建筑领域应用的强大推动力。

国家体育场(鸟巢)100kW并网型太阳能光伏发电系统，经北京奥运会和残奥会运行发电的考核，发电正常、安全可靠、技术先进、性能优良，充分体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念。

太阳能光伏建筑一体化在2010年上海世博会中国馆和主题馆的应用，可视为中国一系列扶持太阳能光伏应用政策下的典型案例。业界普遍认为，这一工程的建设必将有助于提高中国光伏建筑一体化产品及工程应用的技术水平，推进中国太阳能光伏产业健康快速发展。

完美的BIPV系统可以与建筑维护结构浑然一体，不可分割且不影响维护结构其他功能，如美观性、安全性、采光性、通风性、舒适性、水密气密性等。满足以上要求需要大量的工程经验，并且是多专业配合的系统设计，至少包括建筑、结构、机械、电气四大专业，缺一不可；因此，BIPV的设计主要包括两大项：建筑设计和电气设计。即首先要满足建筑的所有要求，第二尽可能使光伏系统获得最大发电量。

1）建筑要求

建筑的美学要求；建筑结构要求；建筑隔热隔音防护的要求；建筑采光的要求；

2）如何使光伏系统获得最大的发电量

（1）光伏组件可能接受到的太阳能

由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，因而太阳电池方阵所能获得的辐射量决定了它的发电量。而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影响太阳能的发电，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素，几乎只能被动选择。

A、光电的能量转换计算

光伏发电是利用太阳能电池将太阳光的能直接转化为电能。发电系统是根据这一原理制成的完整的发电系统。简言之，光电转换可以用如下公式：

其中：Eq—为多年平均年辐射总量（MJ/ m2），不同倾角数值要调整；

η1—为光伏电池的光电转换效率；

g—为单位面积发电量（kWh/m2）。

根据气象方面的知识，当倾角等于纬度时，投射在光伏电池板上的平均日照强度最高。为了优化光伏阵列接收日光的性能，光伏电池板的倾角应等于场地所在的纬度。此外，还必须考虑光伏系统应用的季节性，如果为满足冬季负载，阵列倾斜角度应等于纬度加11º45′；如果系统的主要负载在夏天使用，如水泵，则阵列倾角应等于纬度减11º45′，全年平均倾角等于纬度加5º。用纬度可确定出全年任何给定位置太阳正午时在地平线上的高度。

光伏电池的光—电转换能力不仅与太阳辐照强度有关，还与日光的入射角有关。只有太阳光垂直于光伏组件面板时，光伏阵列的电能输出才可以达到最佳值。光伏电池板以前面所述的方位角和倾角直接朝向太阳，此时的日光入射角称为“标准入射角”。

B、并网光伏发电系统的总效率由光伏方阵的效率、逆变器的效率、线路效率三部分组成。光伏并网发电系统发电量计算公式如下：

式中：P—系统直流总功率；

R—倾斜方阵面上的太阳总辐射量；

ηs—光伏系统发电效率；

Ro—标准日照辐射强度，即1kW/m2。

光伏系统综合发电效率的计算公式如下：

其中，K1—光电电池运行性能修正系数；

K2—灰尘引起光电板透明度的性能修正系数；

K3—光电电池升温导致功率下降修正系数；

K4—导电损耗修正系数；

K5—逆变器效率。

对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳能辐射能与倾角有关，可按下面经验公式计算太阳总辐射量：

S—水平面上太阳能直接辐射量

D—散射辐射量

α—中午时分的太阳高度角

β—光伏阵列倾角

（2）光伏组件本身的性能对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。

（3）减少系统损失：逆变器在并网发电时，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。在设计光伏组件串联数量时，应注意以下几点：

A、 接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。

B、需考虑光伏组件的最佳工作电压（Vmp）和开路电压（Voc）的温度系数，串联后的光伏阵列的Vmp应在逆变器MPPT 范围内，Voc应低于逆变器输入电压的最大值。

（4）并网方式选择：并网发电系统需要收集建设地点和电网的数据，如变电所距光伏电站的距离，可并网点变压器容量等。要尽可能地减少传输损失。

3）归纳设计要点：

（1）满足建筑美学要求；

（2）满足建筑结构要求；

（3）满足建筑功能要求，如保温、隔热、防水等；

（4）尽可能让电池板获取最大太阳辐射量，如朝向、角度等；

（5）考虑避开烟囱等物体的遮挡，带倾角排列的电池方阵要考虑行间距；

（6）想办法降低电池板升温的可能；

（7）使逆变器输出功率最大，电池板串联考虑；

（8）选择并网方案，与建筑供电系统匹配。

5 结束语

太阳能资源是中国分布最广的新能源之一，既可以利用边远的土地资源，又可以利用大量建筑屋顶及外墙，来实现新能源的供应。在全球范围内节能减排的倡导下，光伏技术的应用发展迅猛，虽然目前的政策和价格还不足以让光伏建筑一体化技术得到普及，但随着不可再生能源的日益枯竭，和人们在绿色环保意识上的提高，光伏发电技术市场潜力巨大，光伏建筑一体化也必将在未来社会中展现其生命力。

图8 柏林火车站200kWp BIPV项目

[1] 李安定．太阳能光伏发电系统工程[M]．北京：北京工业大学出版社，2001.

[2] 上海交通大学. DGJ08-2004A-2006 民用建筑太阳能应用技术规程（光伏发电分册）[S].上海市建设和交通委员会，2006.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求[S]. 北京：中国标准出版社，2006.