王 健 / 曹 磊 （中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院機(jī)電院，北京 100044）

1 引言

全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，而與能源危機(jī)孿生的氣候危機(jī)的表現(xiàn)則更為直觀，氣候變暖已威脅到了人類(lèi)賴(lài)以生存的地球的生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)安全。早在上個(gè)世紀(jì)90年代，各國(guó)的經(jīng)濟(jì)學(xué)家和科學(xué)家就已通過(guò)種種數(shù)據(jù)揭示了能源危機(jī)這一人類(lèi)面臨的嚴(yán)重問(wèn)題，并提出了“新能源”的理念。隨后美國(guó)、加拿大、日本、歐盟等也都十分重視可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，制定并實(shí)施了一系列鼓勵(lì)政策，積極開(kāi)發(fā)如太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能(包括潮汐能和波浪能)等可再生新能源。

進(jìn)入21世紀(jì)，如何發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)、實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效、清潔利用已成為世界各國(guó)新能源發(fā)展的共同目標(biāo)之一。作為新能源之一的太陽(yáng)能，利用太陽(yáng)能發(fā)電即光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用是目前發(fā)展最為迅速、并且前景最為看好的可再生能源產(chǎn)業(yè)之一。

各國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電都十分重視，美國(guó)提出“太陽(yáng)能先導(dǎo)計(jì)劃”,意在降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達(dá)到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)的水平；日本也提出了在2020年達(dá)到28GW的光伏發(fā)電總量；歐洲光伏協(xié)會(huì)提出了“setfor2020”規(guī)劃，規(guī)劃在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)各國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電的各種政策性支持，截止到2010年，全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了40GW，國(guó)際能源署預(yù)計(jì)2020年光伏發(fā)電在許多地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)，到2050年能夠提供全球發(fā)電量的11%。

當(dāng)然作為能源大國(guó)之一，中國(guó)也不甘落后，2009年相繼提出了《太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》、金太陽(yáng)示范工程等鼓勵(lì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策；2010年國(guó)務(wù)院頒布的《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》明確提出要“開(kāi)拓多元化的太陽(yáng)能光伏光熱發(fā)電市場(chǎng)”；2011年國(guó)務(wù)院制定的“十二五”規(guī)劃綱要再次明確了要重點(diǎn)發(fā)展包括太陽(yáng)能熱利用和光伏光熱發(fā)電在內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)；國(guó)家發(fā)改委2011年8月1日宣布了新的太陽(yáng)能光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，按項(xiàng)目核準(zhǔn)期限分別定為1.15元/kWh（含稅）和1元/kWh，以刺激太陽(yáng)能光伏發(fā)電的普及。該通知明確了全國(guó)光伏上網(wǎng)的基準(zhǔn)電價(jià)，在此基礎(chǔ)上，地方政府可出臺(tái)地方性的光伏上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼，補(bǔ)貼部分由地方政府負(fù)擔(dān)。這一系列的政策支持讓中國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展之路更加寬廣。

2 光伏發(fā)電的原理和光伏電池的分類(lèi)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

光伏電池發(fā)電的原理是光生伏打效應(yīng)(Photovoltaic effect)，即光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。當(dāng)太陽(yáng)光(或其他光)照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過(guò)，從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。

2.2 光伏電池及其常見(jiàn)種類(lèi)

光伏電池(solar cell)是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件，又稱(chēng)光伏電池。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有多種，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅?非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同。

1)硅太陽(yáng)電池

(1)晶體硅電池

A. 單晶硅太陽(yáng)能電池（single crystalline silicon solar cell）：是以單晶硅為基

體材料的太陽(yáng)電池。據(jù)數(shù)據(jù)顯示其 光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)最高為24.7%，商業(yè)化后轉(zhuǎn)換效率為17%。

單晶硅太陽(yáng)能電池

B. 多晶硅太陽(yáng)電池(polycrystalline silicon solar cell)：是以多晶硅為基體材料的太陽(yáng)電池。據(jù)數(shù)據(jù)顯示其光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)最高為20.3%，商業(yè)化后轉(zhuǎn)換效率為16%。

多晶硅太陽(yáng)電池

（2）非晶硅太陽(yáng)電池

非晶硅太陽(yáng)電池（a-si太陽(yáng)電池）（amorphous silicon solar cell）：是薄膜光伏電池的一種，一般采用高頻輝光放電技術(shù)使分解硅烷氣體，沉積在玻璃、陶瓷、不銹鋼等非半導(dǎo)體襯底上而形成，亦稱(chēng)無(wú)定形硅太陽(yáng)電池，簡(jiǎn)稱(chēng)a-si非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。據(jù)數(shù)據(jù)顯示其光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)最高為12%，商業(yè)化后轉(zhuǎn)換效率為6%～8%。

非晶硅太陽(yáng)電池

2)化合物電池

多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池（thin film solar cell）：系指用輝光發(fā)放電法、化學(xué)氣相淀積法、濺射法、真空蒸鍍法等制得的較大面積的薄膜（硅、硫化鎘、砷化鎵等）為基體材料的太陽(yáng)電池稱(chēng)為薄膜太陽(yáng)電池。

（1）CdTe（碲化鎘）太陽(yáng)電池：據(jù)數(shù)據(jù)顯示其光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)最高為12%，商業(yè)化后轉(zhuǎn)換效率為6%～8%。

（2）CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽(yáng)電池：據(jù)數(shù)據(jù)顯示其光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)最高為19.9%，商業(yè)化后轉(zhuǎn)換效率為17%。

CdTe（碲化鎘）太陽(yáng)電池

CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽(yáng)電池

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

1） 光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過(guò)程是光—熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一個(gè)過(guò)程與普通的火力發(fā)電一樣，是熱—電轉(zhuǎn)換過(guò)程。太陽(yáng)能熱發(fā)電主要有3種形式：槽式、塔式及碟式。目前可商業(yè)化的主要是槽式。太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的這3種形式都不適合在建筑上做，故不做討論。

2） 光—電直接轉(zhuǎn)換方式。該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。它是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)時(shí)，就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)

1）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)：一般由光伏組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是相對(duì)于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言的，屬于獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立系統(tǒng)主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)，其建設(shè)的主要目的是解決無(wú)電問(wèn)題。其供電可靠性受氣象環(huán)境、負(fù)荷等因素影響很大，供電穩(wěn)定性也相對(duì)較差，很多時(shí)候需要加裝能量?jī)?chǔ)存和能量管理環(huán)節(jié)。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)例：獨(dú)立光伏路燈系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 獨(dú)立光伏路燈系統(tǒng)圖

2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：是太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電經(jīng)過(guò)逆變器后，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，最后并入電網(wǎng)中。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)由光伏陣列、變換器和控制器組成，變換器將光伏電池所發(fā)的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中；控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的波形和功率，使向電網(wǎng)轉(zhuǎn)送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡。控制器一般由單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理芯片作為核心器件構(gòu)成；電壓型變換器主要是由電力電子開(kāi)關(guān)器件連接電感構(gòu)成，以脈寬調(diào)制形式向電網(wǎng)送電。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：光伏陣列、直流—直流變換器、逆變器和集成的繼電保護(hù)裝置（見(jiàn)圖3）。通過(guò)直流—直流升壓斬波變換器，可以在變換器和逆變器之間建立直流環(huán)。升壓斬波器根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小用來(lái)提升光伏陣列的電壓以達(dá)到一個(gè)合適的水平，同時(shí)直流—直流變換器也作為最大功率點(diǎn)跟蹤器，增大光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。逆變器用來(lái)向交流系統(tǒng)提供功率；繼電保護(hù)系統(tǒng)可以保證光伏系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)的安全性。

圖3 并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

（1）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的形式：

A、小型住戶(hù)的并網(wǎng)系統(tǒng)；

B、光伏與建筑相結(jié)合的并網(wǎng)系統(tǒng)，包括安裝型光伏建筑BAPV和構(gòu)建型光伏建筑BIPV；

C、大型光伏并網(wǎng)電站。

（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用原則：

光伏系統(tǒng)與公用電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，應(yīng)先征得當(dāng)?shù)毓╇姴块T(mén)同意，且應(yīng)符合并網(wǎng)技術(shù)條件。

A.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)檢測(cè)功能及并網(wǎng)切斷保護(hù)功能，并應(yīng)符合下列要求：

a．光伏系統(tǒng)應(yīng)安裝電網(wǎng)保護(hù)裝置，并應(yīng)符合GB／T20046-2006《光伏(PV)系統(tǒng)電網(wǎng)接口特性》的相關(guān)要求；

b．光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)之間的隔離開(kāi)關(guān)和斷路器均應(yīng)具有斷中性線功能，隔離開(kāi)關(guān)和斷路器的相線和中性線應(yīng)同時(shí)分?jǐn)嗪秃祥l；

c．當(dāng)公用電網(wǎng)電能質(zhì)量超限時(shí)，光伏系統(tǒng)應(yīng)自

動(dòng)與公用電網(wǎng)解列，在公用電網(wǎng)質(zhì)量恢復(fù)正常后的5min之內(nèi)，光伏系統(tǒng)不得向電網(wǎng)供電。

B.接入公用電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，其總?cè)萘靠刂圃谏霞?jí)變電站單臺(tái)主變壓器額定容量的30% 以?xún)?nèi)。

C.逆流光伏系統(tǒng)應(yīng)按照無(wú)功就地平衡的原則配置相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其功率因數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行的《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定。

（3）計(jì)量裝置

在城市中，并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)一般在電網(wǎng)的配電側(cè)(400V，230V)，也稱(chēng)作分布式發(fā)電系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：A.并網(wǎng)點(diǎn)在配電側(cè)；B.電流是雙向的，可以從電網(wǎng)取電，也可以向電網(wǎng)送電；C.大部分光伏電量直接被負(fù)載消耗，自發(fā)自用；D.分“上網(wǎng)電價(jià)”并網(wǎng)方式(雙價(jià)制)和“凈電表計(jì)量”方式(平價(jià)制)。它不同于在輸電側(cè)(10kV，35kV，110kV)并網(wǎng)的大型太陽(yáng)能光伏電站。

并網(wǎng)光伏發(fā)電可以采用發(fā)電、用電分開(kāi)計(jì)價(jià)的接線方式，也可以來(lái)用“凈電表”計(jì)價(jià)的接線方式。德國(guó)和歐洲大部分國(guó)家都采用雙價(jià)制，電力公司高價(jià)收購(gòu)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的電量(平均0.55歐元／kWh)，用戶(hù)用電則僅支付常規(guī)的低廉電價(jià)(0.06～0.1歐元／kWh)，這種政策稱(chēng)為“上網(wǎng)電價(jià)”政策。在這樣的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在用戶(hù)電表之前并入電網(wǎng)。如圖4所示。

圖4 實(shí)行上網(wǎng)電價(jià)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

美國(guó)和日本采用初投資補(bǔ)貼，運(yùn)行時(shí)對(duì)光伏發(fā)電不再支付高電價(jià)，但是允許用光伏發(fā)電的電量抵消用戶(hù)從電網(wǎng)的用電量。電力公司按照用戶(hù)電表的凈值收費(fèi)，稱(chēng)為“凈電表”計(jì)量制度。此時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在用戶(hù)電表之后接入電網(wǎng)。目前根據(jù)我國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的政策，大多數(shù)項(xiàng)目采用“凈電表”配電方式，如圖5所示。

圖5 “凈電表”配電方式

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用類(lèi)型分析及確定

1）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和獨(dú)立光伏系統(tǒng)比較，見(jiàn)表2。

表2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和獨(dú)立光伏系統(tǒng)比較

2）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和獨(dú)立光伏的應(yīng)用分類(lèi)如圖6所示。

圖6 光伏發(fā)電應(yīng)用分類(lèi)

4 光伏建筑一體化

“太陽(yáng)能光伏建筑一體化”的概念，據(jù)查最早是世界能源組織于1986年提出的。那么光伏為什么要與建筑相結(jié)合呢?

● 建筑能耗占到50%，光伏發(fā)電與建筑結(jié)合可以有效地削減建筑用電；

● 發(fā)電上網(wǎng)最為方便，不需要架設(shè)輸電線路；

● 發(fā)電無(wú)需額外占地；

● 光伏發(fā)電可以安裝在任何地方而能夠被人們接受（風(fēng)力發(fā)電則不同）；

● 建筑是最能表現(xiàn)擁有者生活態(tài)度和生活方式的事物。

這種與建筑相結(jié)合的光伏發(fā)電技術(shù)，由于其自身特點(diǎn)將成為21世紀(jì)利用光伏技術(shù)的熱點(diǎn)之一，該利用形式目前約占全球并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的90%。很多發(fā)達(dá)國(guó)家均制定了“太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃“，如：英國(guó)的“綠色住宅”建筑計(jì)劃，美國(guó)的“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”及歐洲的“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”及其框架下的德國(guó)“十萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”等。我國(guó)現(xiàn)有房屋建筑中，可利用的光伏發(fā)電系統(tǒng)面積約186億m2，這也為光伏建筑一體化提供了優(yōu)越條件。

4.1 光伏建筑一體化形式

1）BAPV(Building Attached Photovoltai：c)附著在建筑物上的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，也稱(chēng)為“安裝型”太陽(yáng)能光伏建筑。它的主要功能是發(fā)電，與建筑物功能不發(fā)生沖突，不破壞或削弱原有建筑物的功能。

安裝型”太陽(yáng)能光伏建筑

2）BIPV(Building Integrated Photovolt：a與ic)建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工和安裝并與建筑物形成完美結(jié)合的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，也稱(chēng)為“構(gòu)件型”和“建材型”太陽(yáng)能光伏建筑。它作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，與建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工和安裝，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能，甚至還可以提升建筑物的美感，與建筑物形成完美的統(tǒng)一體。

“構(gòu)件型”和“建材型”太陽(yáng)能光伏建筑

（1）建材型：指將太陽(yáng)能電池與瓦、磚、卷材、玻璃等建筑材料復(fù)合在一起成為不可分割的建筑構(gòu)件或建筑材料，如光伏瓦、光伏磚、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墻、光伏采光頂?shù)龋?/p>

（2）構(gòu)建型：指與建筑構(gòu)件組合在一起或獨(dú)立成為建筑構(gòu)件的光伏構(gòu)件，如以標(biāo)準(zhǔn)普通光伏組件或根據(jù)建筑要求定制的光伏組件構(gòu)成雨蓬構(gòu)件、遮陽(yáng)構(gòu)件、欄板構(gòu)件等。

4.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)——BIPV(建筑一體化)

無(wú)論是“金太陽(yáng)”計(jì)劃，抑或是2009年3月份由財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合推動(dòng)的“太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，都是加快光伏在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的強(qiáng)大推動(dòng)力。

國(guó)家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)100kW并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)北京奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)運(yùn)行發(fā)電的考核，發(fā)電正常、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良，充分體現(xiàn)了“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”的理念。

太陽(yáng)能光伏建筑一體化在2010年上海世博會(huì)中國(guó)館和主題館的應(yīng)用，可視為中國(guó)一系列扶持太陽(yáng)能光伏應(yīng)用政策下的典型案例。業(yè)界普遍認(rèn)為，這一工程的建設(shè)必將有助于提高中國(guó)光伏建筑一體化產(chǎn)品及工程應(yīng)用的技術(shù)水平，推進(jìn)中國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

完美的BIPV系統(tǒng)可以與建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)渾然一體，不可分割且不影響維護(hù)結(jié)構(gòu)其他功能，如美觀性、安全性、采光性、通風(fēng)性、舒適性、水密氣密性等。滿(mǎn)足以上要求需要大量的工程經(jīng)驗(yàn)，并且是多專(zhuān)業(yè)配合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，至少包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣四大專(zhuān)業(yè)，缺一不可；因此，BIPV的設(shè)計(jì)主要包括兩大項(xiàng)：建筑設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。即首先要滿(mǎn)足建筑的所有要求，第二盡可能使光伏系統(tǒng)獲得最大發(fā)電量。

1）建筑要求

建筑的美學(xué)要求；建筑結(jié)構(gòu)要求；建筑隔熱隔音防護(hù)的要求；建筑采光的要求；

2）如何使光伏系統(tǒng)獲得最大的發(fā)電量

（1）光伏組件可能接受到的太陽(yáng)能

由于太陽(yáng)能發(fā)電的全部能量來(lái)自于太陽(yáng)，因而太陽(yáng)電池方陣所能獲得的輻射量決定了它的發(fā)電量。而太陽(yáng)輻射量的多少與太陽(yáng)高度、地理緯度、海撥高度、大氣質(zhì)量、大氣透明度、日照時(shí)間等有關(guān)。一年當(dāng)中四季的變化，一天當(dāng)中時(shí)間的變化，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射直散分量的比例，地表面的反射系數(shù)等因素都會(huì)影響太陽(yáng)能的發(fā)電，但這些因素對(duì)于具體建筑而言是客觀因素，幾乎只能被動(dòng)選擇。

A、光電的能量轉(zhuǎn)換計(jì)算

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光的能直接轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)這一原理制成的完整的發(fā)電系統(tǒng)。簡(jiǎn)言之，光電轉(zhuǎn)換可以用如下公式：

其中：Eq—為多年平均年輻射總量（MJ/ m2），不同傾角數(shù)值要調(diào)整；

η1—為光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率；

g—為單位面積發(fā)電量（kWh/m2）。

根據(jù)氣象方面的知識(shí)，當(dāng)傾角等于緯度時(shí)，投射在光伏電池板上的平均日照強(qiáng)度最高。為了優(yōu)化光伏陣列接收日光的性能，光伏電池板的傾角應(yīng)等于場(chǎng)地所在的緯度。此外，還必須考慮光伏系統(tǒng)應(yīng)用的季節(jié)性，如果為滿(mǎn)足冬季負(fù)載，陣列傾斜角度應(yīng)等于緯度加11o45′；如果系統(tǒng)的主要負(fù)載在夏天使用，如水泵，則陣列傾角應(yīng)等于緯度減11o45′，全年平均傾角等于緯度加5o。用緯度可確定出全年任何給定位置太陽(yáng)正午時(shí)在地平線上的高度。

光伏電池的光—電轉(zhuǎn)換能力不僅與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度有關(guān)，還與日光的入射角有關(guān)。只有太陽(yáng)光垂直于光伏組件面板時(shí)，光伏陣列的電能輸出才可以達(dá)到最佳值。光伏電池板以前面所述的方位角和傾角直接朝向太陽(yáng)，此時(shí)的日光入射角稱(chēng)為“標(biāo)準(zhǔn)入射角”。

B、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由光伏方陣的效率、逆變器的效率、線路效率三部分組成。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算公式如下：

式中：P—系統(tǒng)直流總功率；

R—傾斜方陣面上的太陽(yáng)總輻射量；

ηs—光伏系統(tǒng)發(fā)電效率；

Ro—標(biāo)準(zhǔn)日照輻射強(qiáng)度，即1kW/m2。

光伏系統(tǒng)綜合發(fā)電效率的計(jì)算公式如下：

其中，K1—光電電池運(yùn)行性能修正系數(shù)；

K2—灰塵引起光電板透明度的性能修正系數(shù)；

K3—光電電池升溫導(dǎo)致功率下降修正系數(shù)；

K4—導(dǎo)電損耗修正系數(shù)；

K5—逆變器效率。

對(duì)于某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽(yáng)能輻射能與傾角有關(guān)，可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算太陽(yáng)總輻射量：

S—水平面上太陽(yáng)能直接輻射量

D—散射輻射量

α—中午時(shí)分的太陽(yáng)高度角

β—光伏陣列傾角

（2）光伏組件本身的性能對(duì)于光伏組件而言，光伏方陣的傾角、光伏組件的表面清潔度、光伏電池的轉(zhuǎn)換率、光伏電池的工作環(huán)境狀態(tài)等是我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮的。

（3）減少系統(tǒng)損失：逆變器在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，光伏陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，以便光伏陣列在任何當(dāng)前日照下不斷獲得最大功率輸出。在設(shè)計(jì)光伏組件串聯(lián)數(shù)量時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

A、 接至同一臺(tái)逆變器的光伏組件的規(guī)格類(lèi)型、串聯(lián)數(shù)量及安裝角度應(yīng)保持一致。

B、需考慮光伏組件的最佳工作電壓（Vmp）和開(kāi)路電壓（Voc）的溫度系數(shù)，串聯(lián)后的光伏陣列的Vmp應(yīng)在逆變器MPPT 范圍內(nèi)，Voc應(yīng)低于逆變器輸入電壓的最大值。

（4）并網(wǎng)方式選擇：并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要收集建設(shè)地點(diǎn)和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，如變電所距光伏電站的距離，可并網(wǎng)點(diǎn)變壓器容量等。要盡可能地減少傳輸損失。

3）歸納設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）滿(mǎn)足建筑美學(xué)要求；

（2）滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)要求；

（3）滿(mǎn)足建筑功能要求，如保溫、隔熱、防水等；

（4）盡可能讓電池板獲取最大太陽(yáng)輻射量，如朝向、角度等；

（5）考慮避開(kāi)煙囪等物體的遮擋，帶傾角排列的電池方陣要考慮行間距；

（6）想辦法降低電池板升溫的可能；

（7）使逆變器輸出功率最大，電池板串聯(lián)考慮；

（8）選擇并網(wǎng)方案，與建筑供電系統(tǒng)匹配。

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能資源是中國(guó)分布最廣的新能源之一，既可以利用邊遠(yuǎn)的土地資源，又可以利用大量建筑屋頂及外墻，來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源的供應(yīng)。在全球范圍內(nèi)節(jié)能減排的倡導(dǎo)下，光伏技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展迅猛，雖然目前的政策和價(jià)格還不足以讓光伏建筑一體化技術(shù)得到普及，但隨著不可再生能源的日益枯竭，和人們?cè)诰G色環(huán)保意識(shí)上的提高，光伏發(fā)電技術(shù)市場(chǎng)潛力巨大，光伏建筑一體化也必將在未來(lái)社會(huì)中展現(xiàn)其生命力。

圖8 柏林火車(chē)站200kWp BIPV項(xiàng)目

[1] 李安定．太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M]．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2] 上海交通大學(xué). DGJ08-2004A-2006 民用建筑太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（光伏發(fā)電分冊(cè)）[S].上海市建設(shè)和交通委員會(huì)，2006.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.