太阳能光伏技术在建筑领域的应用问题研究

王祥瑞 修 雪

(1:吉林建筑大学计算机科学与工程学院，长春 130118;2:吉林建筑大学电气与电子信息学院，长春 130118)

0 引言

目前，全世界面临着日益严重的能源危机，人类所能利用的主要能源包括传统能源和新能源两大类.我国用于发电的传统能源主要是煤，新能源主要指像太阳能、风能、潮汐能这样可再生能源.新能源在我国有着非常丰富的资源，洁净环保，最重要的是可以再生，并能替代现有很多常规性能源，且有良好的应用前景.太阳能是人类最有希望的能源之一，太阳能技术也被多数科研院校以及相关部门列为重要的研究课题.应用太阳能发电的光伏技术是目前研究的热点之一.目前光伏产业正在加速发展，在建筑领域开始受到关注，并得到应用.世界上许多国家和地区开始大规模地利用太阳能光伏系统为建筑提供电能.

1 国内外研究现状

1839年，太阳能光伏发电拉开了发展序幕，这要归功于发展硒元素光伏效应的第一人——法国科学家贝克勒尔.在全世界范围内，欧洲国家最重视太阳能光伏技术的研究和开发，其技术水平也走在了世界的前列.各个欧盟成员国在太阳能技术的研发、应用和推广上都付出了努力并取得了较大成功.到2007年11月，整个欧盟地区太阳能光伏发电的总装机容量已达到了4.5GW，欧盟地区即成为世界光伏发电的主要地区，其光伏发电装机总容量已经接近全球的一半.在美国，建筑物的用电量占全国总用电量的2/3，美国政府在经济上采取了有效措施，投入了大量费用研究太阳能光伏技术，为了鼓励这一重点项目的推广，国会批准了对太阳能光伏系统减税的法案，同时制定了一系列的政策.在太阳能光伏建筑的研究、产品的开发应用和材料等方面得到迅猛发展，已处于世界领先水平.亚洲地区纬度跨越较大，各个国家经济技术水平发展不平衡，太阳能光伏技术较为成熟的地区主要集中在日本和韩国等经济发达国家和地区，其中，日本光伏技术的发展最好.日本属于能源消耗和进口大国，其能源消耗的80%依赖于进口，因此非常注重太阳能等可再生能源技术的发展［1］.截止到2004年，日本光伏累计安装量达1 100MW.总之，太阳能光伏技术在全球主要经济发达的国家和地区已得到了广泛的发展和应用，一些发达国家制订了从2010年到2030年光伏发电的发展计划(见表1).

表1 欧美、日本及全球光伏发电发展计划 (MW)

近年来，我国的能源建设和发展也取得了巨大的成就，尤其进入21世纪，国家对新能源和可再生能源在建筑领域的应用十分重视，并大力提倡［2］.建筑领域能源消耗巨大，为了更好地节约能源，在太阳能光伏产品的研发上，我国现已成为世界上太阳能光伏产品的第一大生产国.但仍需清醒地看到我国太阳能光伏产业存在的问题，关键技术主要依靠国外引进，自主研发和创新能力相对薄弱，产业规模发展迅速但产业链发展不够均衡，国内市场尚待培育和发展.

2 太阳能光伏技术的相关问题

太阳蕴藏着的巨大能量是地球上包括人类在内的所有生物赖以生存的条件，太阳向周边辐射能量，而影响太阳能辐射的主要因素包括大气条件和地球相对于太阳位置附近的障碍物等，地球表面包裹着由空气分子、水滴、尘埃、云层等组成的大气层.地球到太阳的距离和地轴的倾斜同样对太阳辐射的能量有影响，每年的6～8月，北半球处于夏季时，地球轴的倾斜式的北半球朝向太阳倾斜，而在冬季由于地球轴的倾斜式北半球远离太阳，因此，在夏季和冬季两个季节太阳辐射的能量差别很大［3］.同时，地形、地貌以及障碍物同样对太阳辐射能量具有重要的影响.按照全年日照时数、年辐射量、接受太阳能辐射量大小角度可以把我国大致分为五类地区(见图1).

一类地区:全年日照时数为3 200h～3 300h，年辐射量在670×104KL/cm2～837×104KL/cm2，从分布图可以看出甘肃、宁夏、新疆等地区属于该地区;

二类地区:全年日照时数为3 000h～3 200h，年辐射量在586×104KL/cm2～670×104KL/cm2，从分布图可以看出山西北部、河北西北部、宁夏南部、内蒙古南部属于该地区;

三类地区:全年日照时数为2 200h～3 000h，年辐射量在502×104KL/cm2～586×104KL/cm2，从分布图可以看出山东省、河南省、安徽、辽宁、吉林等地区属于该地区;

四类地区:全年日照时数为1 400h～2 200h，年辐射量在419×104KL/cm2～502×104KL/cm2，从分布图可以看出福建、浙江和广东属于该地区;

五类地区:全年日照时数为1 000h～1 400h，年辐射量在335×104KL/cm2～419×104KL/cm2，从分布图可以看出四川和贵州属于该地区.

由此可见，我国太阳能资源比较丰富的是一～三类地区，相对较差的是四、五类地区.

图1 我国太阳能分布情况

太阳能光伏发电的基本原理如下:当太阳投射到电池上面时，内部产生自由的电子—空穴对，自由电子被p－n结扫向n区，空穴被扫向p区，在p－n结两端形成电压，当我们用金属线将太阳能电池的正极和负极与负载相连时，外电路就形成了电流［4］(见图2).在设计过程中，为了提高光电转换效率，保证一定的输出功率，将由多个电池片串联组成的光伏组件进行串联，形成光伏阵列.由于太阳的光照强度不稳定，随时间变化明显，光伏发电系统受太阳光照强度不稳定，随时间变化明显，光伏发电系统受太阳光照强度变化而变化，并且产生的为直流电，为了进行直流到交流的转换必须加入逆变装置，同时加入相应的控制装置，在光伏阵列吸收太阳能光照后，便可得到稳定可靠可供使用的交流电.

图2 太阳能电池的发电原理

3 太阳能光伏发电技术在建筑领域的应用

在建筑领域，很多能源是有限的、不可再生;而且会产生大量废弃物，污染环境，破坏生态平衡.如果将太阳能光伏技术应用到建筑领域，就可以替代或减少有限的、不可再生的能源消耗，减少废弃物的排放，防止大气污染，进而保护生态环境，同时也能够在边远地区和能源匮乏地区解决基本生活用电需求和减少生态环境破坏，提高居民房屋居住的舒适度、生活品质和建筑本身的科技含量.目前，太阳能光伏技术也广泛应用在通信及工业应用上的微波中继站及卫星通信和卫星电视等系统;在建筑领域主要用于光伏照明等方面.据相关资料显示，应用到建筑领域比较多的是离网光伏发电系统，该系统是根据太阳能光伏发电系统与公共电网连接方式的不同所划分的领域之一，这种系统可以独立供电，而且可以与风力发电系统相结合，为建筑照明和环境照明提供电力.

4 结语

太阳能光伏技术作为人类可信赖、可再生、无污染的清洁能源被应用于很多领域.尤其是在建筑领域的应用，既节能，又环保.太阳能光伏发电技术作为可再生能源的应用，具有较好的应用价值，研究太阳能光伏发电技术也将是一个有应用前景的课题，对未来建筑领域照明技术向节能环保方向发展起着重要的促进作用.

［1］李 芳，沈 辉，许家瑞.光伏建筑一体化的现状与发展［J］.电源技术，2007(8):659－662.

［2］肖 潇，李德英.太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势［J］.节能，2010(2):12－18.

［3］郑瑞澄，路 宾.太阳能建筑应用技术研究现状及展望［J］.建筑科学，2013(10):35－36.

［4］郝国强，李红波，陈鸣波.光伏建筑一体化(BIPV)并网电站的应用与发展［J］.上海节能，2006(6):66－70.