光伏发电及其在建筑上的应用

吴浩樑

摘要：我国有着丰富的太阳能资源，利用光伏发电把太阳能转换成电实现太阳能的有效利用有着重要意义，本文主要对光伏发电的优势、原理及其在建筑上的应用进行了探讨。

关键词：光伏发电；原理；系统组成；建筑；应用；

引言：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。与此同时，目前我国每年与建筑有关的能耗就达到了总国民能耗的30%，建筑能耗是我国能源消耗的最重要的方面之一。因此通过光伏发技术电把太阳能应用在建筑中有着重要意义。

一、 光伏发电的优势

地球上可开发的太阳能资源约120万亿千瓦，是风能的4万倍，水能的240万倍。我国太阳能资源丰富，是二十一世纪最核心的可再生能源。其具有以下优势：发电质量高、无噪声、无能源消耗、安全可靠；寿命长，25年连续稳定发电，可与电网并网运行；低碳、绿色、环保，减轻企业节能减排压力；体积小、重量轻、对屋面安全和景观无显著不良影响；能抵消白天峰值阶段的电耗，节能效果显著。

二、 全国太阳能资源分析

地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量和全年日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。

我国按日照辐射强度超过9250MJ/m2的西藏西部地区以外的地区分为五类：

一类地区 全年日照时数为3200～3300小时，主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。

二类地区 全年日照时数为3000～3200小时，主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。

三类地区 全年日照时数为2200～3000小时，主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。

四类地区 全年日照时数为1400～2200小时，主要是长江中下游、福建、 浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

五类地区 全年日照时数约1000～1400小时，主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。

三、 光伏发电的原理

光生伏特效应：当光照在半导体材料时，半导体材料的不同部位之间会产生电势差，这种现象称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。当光照射到某些物质上，会引起物质向外发射电子。这光致电变的现象被统称为光电效应。光电效应包括光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。光照射在物体上，物体内的电子逸出物体表面的现象称为光电子发射，称外光电效应。光照在物体上，物体的电导率发生变化的现象称为光电导效应，物体产生光生电动势的现象称为光生伏特效应，光电导效应和光生伏特效应发生在物体内部，统称为内光电效应。光伏电池是一种可将太阳能直接变换为电能的半导体光电器，可将太阳能按比例地变换成电能。

太阳能能将光能转换成电能的工作原理可慨括为下面三个过程：第一，太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子-空穴对，称为“光生载流子”，两者的极性相反，空穴带正电，电子带负电；第二，极性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分离开；第三，光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。

四、光伏发电的系统组成

基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成：

太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。

太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

蓄电池：其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。

逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用逆变器。

五. 光伏发电的系统在公共建筑上的应用

光伏系统可结合建筑效果进行设计，形成光伏建筑一体化BIPV （Building Integrated Photovoltaic）。光伏发电系统作为建筑物外部围护结构的一部分，和建筑物同时设计、施工和安装。光伏发电系统既具有发电功能，又具有建筑物构件和材料功能，甚至提升建筑物的美感，与建筑物形成完美的统一体。

光伏与建筑相结合应用时，通常采用并网发电的方式，这类系统与独立光伏系统相比，具有突出的优点。首先，联网系统的光电池一般安装在闲置率较高的屋顶或者建筑外墙表面，无需占用额外用地或者增加其他设施，光伏电池还可以原地发电，这也节省了电站送电的投资；另外，光伏发电系统还可以和传统电网并联，通过光伏电池发得的电不仅可供自己使用还可以输入电网，并且当在阴雨天气或者夜间等没有阳光的时候，传统电网也可以向建筑内输电，这都极大的增加了光伏发电系统的稳定性。在夏季炎热的时候日照强烈，大量制冷设备的使用形成了电网的用电高峰，这时也是光伏电池发电量的高峰时区，它除了向自身建筑供电外还可以向电网输电来缓解峰值对电网造成的压力；其次，光伏电池板往往铺设在屋顶、外墙等表面，通过将太阳光转化成电能不仅能提供用电需求还能降低维护结构的温度，减少了室内的冷负荷，这也帮助了建筑节能；最后，使用光伏电池不会产生诸如燃烧化石资源所产生的残渣和二氧化硫等有害气体，这对于环保要求非常严格的今天和未来有着重要的意义。

六、结束语

太阳能的开发符合国家环保、节能政策，光伏发电的开发建设可有效减少常规能源尤其是煤炭资源的消耗，保护生态环境，平衡能源的单一供给，利用可再生资源发电代替传统能源。而利用光伏与建筑相结合应用，具有节省光伏板的安装场地、减少电能传输损耗、节约传统能源等优点，是光伏发电发展的重要趋势。

参考文献

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