太阳能光伏发电与建筑一体化
摘要： 太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术.针对太阳能利用和建筑一体化这一新的课题，简述了太阳能光伏发电的工作原理，详细阐述了太阳能光伏与建筑集成系统的组成结构及其功能，并对太阳能光伏发电与建筑一体化的优点和存在的问题进行了详尽的分析.同时，根据目前我国太阳能光伏发电和太阳能光热利用技术日趋成熟的现实，提出了太阳能光伏发电与建筑一体化的发展方向，并预测了其未来的发展.
太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术.针对太阳能利用和建筑一体化这一新的课题，简述了太阳能光伏发电的工作原理，详细阐述了太阳能光伏与建筑集成系统的组成结构及其功能，并对太阳能光伏发电与建筑一体化的优点和存在的问题进行了详尽的分析.同时，根据目前我国太阳能光伏发电和太阳能光热利用技术日趋成熟的现实，提出了太阳能光伏发电与建筑一体化的发展方向，并预测了其未来的发展.
1太阳能光伏发电的工作原理
太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池.太阳能电池将光能转变为电能的基本原理是:太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内即产生电子-空穴对，称为"光生载流子"，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电;电性相反的光生载流子被半导体P-N结所产生的静电场分离开;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.这样，光能就成了可以付诸实用的电能.
2太阳能光伏建筑集成系统
太阳能光伏建筑集成技术是在建筑围护结构外表面铺设光伏组件，或直接取代外围结构，将射到建筑表面的太阳能转化为电能，以增加建筑供电渠道，减少建筑用电负荷的新型建筑节能措施.常见的光伏建筑集成系统主要有光伏屋顶、光伏幕墙、光伏遮阳板、光伏天窗等，其中光伏屋顶系统的应用最为广泛，光伏幕墙和光伏遮阳板的发展也非常迅速.目前，国内光伏建筑集成技术主要应用于国家和地方的各示范工程中，尚未实现完全商业化发展.
联网光伏系统是目前太阳能光伏建筑集成系统的首选发电方式.光伏屋顶或光伏幕墙系统产生的直流电，可通过逆变控制器转化为交流电，直接输送给电网，住户使用时再从电网购买.与独立光伏系统相比，并网系统的初投资较小，运行维护费用低，并避免了使用蓄电池带来的环境污染，此外，还可以实现光伏电力随发随用，最大限度地转化太阳能，缩短投资回收期.但是，并网系统对电网质量和逆变控制器精度要求很高，而且需要地方电网企业的配合，因此采用并网型光伏建筑集成系统时，必须经过详细的技术、政策和经济可行性分析.
联网光伏系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器等3大部分构成(见图1).
2.1太阳能电池方阵
太阳能电池方阵是联网光伏系统的主要部件，接收到的太阳光能将由它直接转换为电能.目前工程上应用的太阳能电池方阵多为由一定数量的晶体硅太阳能电池组件，按照联网逆变器输入电压的要求串、并联后固定在支架上组成.住宅联网系统的光伏方阵一般都用支架安装在建筑物的屋顶上，如能在住宅或建筑物建设时就考虑方阵的安装朝向和倾斜角度等要求，并预先埋好地脚螺栓等固定元件，则光伏方阵安装时就将更方便和快捷.
住宅联网光伏系统光伏器件的突出特点是与建筑相结合，目前主要有如下2种形式:
1)建筑与光伏系统相结合.作为光伏与建筑相结合的第一步，是将现成的平板式光伏组件安装在建筑物的屋顶等处，引出端经过逆变和控制装置与电网联接，然后由光伏系统和电网并联向住宅(用户)供电，多余的电力向电网反馈，不足的电力向电网取用.
2)建筑与光伏组件相结合.光伏与建筑相结合的进一步目标，是将光伏器件与建筑材料集成化.建筑物的外墙一般都采用涂料、马赛克等材料，为了美观，有的甚至采用价格昂贵的玻璃幕墙等，其功能是起保护内部及装饰的作用.如果把屋顶、向阳外墙、遮阳板甚至窗户等的材料用光伏器件来代替，则既能作为建筑材料和装饰材料，又能发电，一举两得，一物多用，并可使光伏系统的造价降低，发电成本下降.但这就对光伏器件提出了更高、更新的要求，它应具有建筑材料所要求的隔热保温、电气绝缘、防火阻燃、防水防潮、抗风耐雪、重量较轻、具有一定强度和刚度且不易破裂等性能，还应具有寿命与建材同步、安全可靠、美观大方、便于施工等特点.如果作为窗户材料，还要能够透光.美国、日本、德国等发达国家的一些公司和高校，在政府的资助下，经过几年的努力，已经研究开发出不少这类光伏器件与建筑材料集成化的产品.其中，有的已在工程上应用，有的正在试验示范，目前已研发出的产品有:双层玻璃大尺寸光伏幕墙，透明和半透明光伏组件，隔热隔音外墙光伏构件，光伏屋面瓦，大尺寸、无边框、双玻璃屋面光伏构件，代替屋顶蒙皮的光伏构件，光伏电池不同颜色、不同形状、不同排列的构件，屋面和墙体柔性光伏构件等.
2.2联网逆变器
2.2.1联网逆变器功能
联网逆变器是联网光伏系统的核心部件和关键技术.联网逆变器与独立逆变器的不同之处是，它不仅可以将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且还可对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质(电压波动、高次谐波)等进行控制.它的具体功能如下:
1)自动开关.根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止.
2)最大功率点跟踪(MPPT)控制.对跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生的输出电压与电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出.
3)防止单独运转.系统所在地发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地供电的可能，这种情况叫做单独运转.在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于检修人员是很危险的，因此要设置防止单独运行的功能.
4)自动电压调整.在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，有可能超过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，运转过程中要能够自动防止电压上升.
5)异常情况排解与停止运行.当系统所在地电网或逆变器发生故障时，应及时查出异常，安全加以排解，并控制逆变器停止运转.
2.2.2联网逆变器构成
联网逆变器主要由逆变器和联网保护器2大部分构成(见图2).
1)逆变器包括3个部分:①逆变部分，其功能是采用大功率晶体管将直流高速切割，并转换为交流;②控制部分，由电子回路构成，其功能是控制逆变部分;③保护部分，也由电子回路构成，其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用.
2)联网保护器是一种安全装置，主要用于频率上下波动、过欠电压和电网停电等的监测.通过监测如发现问题，应及时停止逆变器运转，把光伏系统与电网断开，以确保安全.它一般装在逆变器中，但也有单独设置的.
2.2.3联网逆变器回路方式
目前，联网逆变器的回路方式主要有电网频率变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式和无变压器方式3种.①电网频率变压器绝缘方式采用脉宽调制(PWM)逆变器产生电网频率的交流电，并采用电网频率变压器进行绝缘和变压.它具有良好的抗雷击和削除尖波的性能.但由于采用了电网频率变压器，因而较为笨重.②高频变压器绝缘方式，它体积小，重量轻，但回路较为复杂.③无变压器方式，它体积小，重量轻，成本低，可靠性能高，但与电网之间没有绝缘.除第一种方式外，后2种方式均具有检测直流电流输出的功能，进一步提高了安全性.无变压器方式由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有优势，因而目前应用广泛.该回路由升压器把太阳能电池方阵的直流电压提升到无变压器逆变器所需要的电压;逆变器把直流转换为交流;控制器具有联网保护继电器的功能，并设有联网所需手动开关，以便在发生异常时把逆变器同电网隔离(见图3).
2.2.4最大功率点跟踪(MPPT)技术
太阳能电池方阵的输出随太阳辐照度和太阳能电池方阵表面温度而变动，因此需要跟踪太阳能电池方阵的工作点并进行控制，使方阵始终处于最大输出，以获取最大的功率输出.采用最大功率点跟踪技术就是要起到这种作用.每隔一定时间让联网逆变器的直流工作电压变动一次，同时测定此时太阳能电池方阵输出功率，并同上次进行比较，使联网逆变器的直流电压始终沿功率变大的方向变化.
3太阳能光伏建筑一体化的优点
1)绿色能源.太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境.太阳能是最清洁并且是免费的，在开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用，同时它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭.
2)不占用土地.光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要;夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用.
3)太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力.
4)建筑节能.光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用.因此，发展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排".
4太阳能光伏建筑一体化的特点及存在的问题
虽然太阳能光伏建筑一体化具有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区尚未出现.这是由于太阳能光伏建筑一体化还存在一些问题.
1)一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高.
2)太阳能发电的成本高.目前太阳能发电的成本是每度2.5元，而常规发电成本只有1元.
3)太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性.这是由于太阳并不是一天24h都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性和如何储电也是亟待解决的问题.
4)光伏建筑一体化系统的关键技术之一是设计良好的冷却通风，这是因为光伏组件的发电效率随其表面工作温度的上升而下降.理论和试验证明，在光伏组件屋面设计空气通风通道，可使组件的表面温度降低15℃左右，电力输出提高8.3%左右.
5未来发展
国家发改委发布的《中国可再生能源中长期发展规划》明确提出，到2010年，太阳能发电总容量达到30万kW，到2020年达到180万kW.
《规划》在光伏建筑一体化方面的建设重点包括:在经济较发达、现代化水平较高的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施，首先在公益性建筑物上应用，然后逐渐推广到其他建筑物，同时在道路、公园等公共设施照明中推广使用光伏电源.??十一五??时期，重点在北京、上海、江苏、广东、山东等地区开展城市建筑屋顶光伏发电试点.到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量5万kW.到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万kW.
可以看出，在近期目标中，光伏建筑一体化还不是建设重点，仅仅占了我国太阳能发电总容量的1/6.在2020年的长期目标中，光伏建筑一体化进入商业化大规模推广阶段，大约占我国太阳能发电总容量的56%.
《规划》在大型开阔地建设并网光伏项目的计划包括:建设较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电电站."十一五"时期，在甘肃敦煌和西藏拉萨(或阿里)建设大型并网型太阳能光伏电站示范项目;在内蒙古、甘肃、新疆等地选择荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地，建设太阳能热发电示范项目.到2010年，建成大型并网光伏电站总容量2万kW、太阳能热发电总容量5万kW.到2020年，全国太阳能光伏电站总容量达到20万kW，太阳能热发电总容量达到20万kW.
就近期目标而言，大型开阔地并网光伏项目仅仅开始示范，只占了我国太阳能发电总容量的7%.目前，太阳能热发电的技术还不够成熟，2020年以前沙漠光伏电站可能占有更大的份额，并将成为我国未来主力能源之一.
6结束语
绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视.太阳能发电作为一种取之不尽、用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展.
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