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(汕頭大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 附屬腫瘤醫(yī)院，廣東 汕頭 515031)

引言

隨著全球能源危機的凸顯，公眾對能源供應(yīng)和環(huán)境保護的意識日益增強，尋找可靠的可再生能源迫在眉睫。太陽能是地球上的主要能量來源，是最具開發(fā)前景的可再生能源，是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想能源，也是發(fā)展低碳經(jīng)濟的必然選擇。光伏發(fā)電技術(shù)是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它不需燃料，對環(huán)境沒有污染，是清潔、環(huán)保、可持續(xù)供給、最具開發(fā)前景的可再生能源。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)。太陽能電池是太陽能光伏系統(tǒng)中的基本裝置，也是發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。在有太陽光照射的情況下，太陽能電池通過吸收太陽光能產(chǎn)生光電效應(yīng)，把太陽光能轉(zhuǎn)換成為電能。

通常一個單體太陽能電池只能產(chǎn)生大約0.5 V的電壓，遠(yuǎn)低于實際使用所需的電壓，不能直接作為電源使用。作為電源時須將一定數(shù)量的單體太陽能電池通過導(dǎo)線串、并聯(lián)連接和嚴(yán)密封裝成組件，形成具有一定輸出功率的光伏方陣[1]。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能饋入電網(wǎng)，與離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相比省掉了蓄電池，節(jié)省建設(shè)投資與維護費用，是太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展方向。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏方陣、并網(wǎng)逆變器、控制器組成。光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過并網(wǎng)逆變器直接將電能輸入電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備及安裝情況分為集中式和分布式兩種形式。集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過構(gòu)建大型并網(wǎng)光伏電站，將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)原地發(fā)電、原地用電，使輸電成本和損耗變得最小，在一定距離范圍內(nèi)可以節(jié)省常規(guī)電網(wǎng)的投資。

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏方陣、逆變器、控制器、蓄電池組成。系統(tǒng)以光伏方陣為發(fā)電部件，通過控制器給負(fù)載供電，同時給蓄電池組充電。在沒有太陽光照射時，通過控制器由蓄電池組給直流負(fù)載供電；蓄電池還可直接給獨立逆變器供電，通過獨立逆變器逆變成交流電，給交流負(fù)載供電?？刂破骶哂锌刂瞥浞烹?、反向充電保護、過流保護、過載保護、短路保護作用。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可作為獨立的解決方案，替代柴油發(fā)電機，提供可靠的、清潔和成本低廉的電能。在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏方陣的組成部分，它對系統(tǒng)性能的可靠性影響最大。在光伏發(fā)電系統(tǒng)的整個壽命期內(nèi)，如果考慮更換蓄電池，其成本與光伏方陣的成本相當(dāng)，所以，發(fā)展新的儲能技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)是降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的重要途徑。目前還沒有哪種蓄電池能完全適合所有的光伏發(fā)電系統(tǒng)，許多因素影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的選擇和性能。

2 太陽能光伏建筑的優(yōu)點

太陽能光伏建筑是將太陽能光伏系統(tǒng)與現(xiàn)代建筑完美結(jié)合，應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念。它通過在建筑結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)光伏方陣或?qū)⒐夥疥囎鳛榻ㄖ?gòu)件或建筑材料，利用光伏方陣提供電力，通常是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑的屋頂、采光頂、外幕墻、外遮陽等融合為一體。從建筑、技術(shù)和經(jīng)濟的角度來看，太陽能光伏建筑有以下優(yōu)點：

(1)有效地利用建筑物的屋頂和外立面幕墻等部位，無需額外占用建筑空間和土地資源。

(2)就地發(fā)電、用電，節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資。

(3)白天陽光照射時發(fā)電，在電網(wǎng)用電高峰期舒緩高峰電力需求。

(4)光伏組件安裝在建筑屋頂及外墻直接吸收太陽能，降低墻面及屋頂?shù)臏厣?/p>

(5)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要任何燃料，不會產(chǎn)生噪聲和污染物，綠色環(huán)保。

3 太陽能光伏在建筑中的應(yīng)用

根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的緊密程度，通常將光伏建筑分為光伏建筑一體化(簡稱BIPV)和光伏系統(tǒng)附著在建筑上(簡稱BAPV)兩種形式。

3.1 BAPV應(yīng)用形式

BAPV是直接把封裝好的光伏方陣安裝在建筑物上，組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。它的主要功能是發(fā)電，作為附著在建筑物上吸收太陽光的發(fā)電構(gòu)件，與建筑物的功能不發(fā)生沖突，不會破壞或削弱原有建筑物的功能。

圖1是BAPV應(yīng)用的一種形式，利用建筑物屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)縱向主支撐型鋼采用H型鋼，構(gòu)造簡單又具有一定的高度，使光伏電池板與建筑有一定的通風(fēng)間距，可保證電池板背面溫度不致過高，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率；橫向承接型鋼采用C型鋼，既簡化了施工工序，又解決了構(gòu)件與線路間的連接問題，方便拆卸，有利于線路的檢修。

圖1 BAPV太陽能光伏在建筑中應(yīng)用形式1

圖2是BAPV應(yīng)用的另一種形式，利用建筑金屬屋面安裝太陽能光伏系統(tǒng)支架與太陽能光伏組件，太陽能光伏系統(tǒng)雖不具有建筑屋頂外圍護結(jié)構(gòu)的功能，但增加了建筑物的美感，且具有發(fā)電功能。

圖2 BAPV太陽能光伏在建筑中應(yīng)用形式2

3.2 BIPV應(yīng)用形式

BIPV是太陽能光伏系統(tǒng)與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝，與建筑物形成完美結(jié)合。光伏方陣代替建筑物傳統(tǒng)的建筑材料成為建筑物的構(gòu)件，作為建筑物采光頂、外幕墻、外遮陽等結(jié)構(gòu)的一部分，既具有發(fā)電功能，又兼顧節(jié)能降耗，同時光伏方陣的顏色與建筑物搭配協(xié)調(diào)，與建筑物完美統(tǒng)一。BIPV是完整意義上的光伏建筑一體化概念。

光伏建筑一體化建筑集發(fā)電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能于一身，應(yīng)用形式主要有光伏幕墻、光伏采光頂、光伏遮陽、光伏雨蓬、光伏欄板等。隨著對建筑節(jié)能的要求進(jìn)一步提高，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化已成為光伏發(fā)電的發(fā)展方向，具有巨大的市場潛力，發(fā)展前景十分廣闊。

3.2.1 光伏幕墻

光伏幕墻(見圖3)是最能體現(xiàn)光伏建筑一體化在建筑中應(yīng)用的一種形式。它通過在玻璃夾層中壓入光伏方陣，組成雙玻璃光伏組件融合到玻璃幕墻中，替代普通玻璃幕墻的玻璃材料，使玻璃幕墻集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一體，為建筑帶來額外的綠色概念，體現(xiàn)建筑的智能化與人性化的特點，代表著建筑光伏一體化技術(shù)在建筑中應(yīng)用的最新發(fā)展方向。光伏玻璃幕墻作為建筑物的外圍護結(jié)構(gòu)，直接吸收太陽能的輻射，可以避免幕墻表面溫度過高，減小室內(nèi)外溫差，有效地降低空調(diào)能耗。但光伏幕墻由于其光伏方陣安裝在垂直幕墻面上，偏離了吸收太陽能的最佳角度，光伏方陣的輸出功率偏低。

圖3 光伏建筑一體化建筑幕墻

3.2.2 光伏采光頂

光伏采光頂(見圖4)是光伏建筑一體化在建筑中應(yīng)用的最佳形式，它克服了光伏幕墻偏離吸收太陽能的最佳角度的不足，將光伏方陣安裝在光照好、周圍無高大建筑物遮擋的地方，并將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑物屋頂結(jié)構(gòu)的一部分，能更有效地收集太陽能，光伏方陣的輸出功率較高。目前，市場上已開發(fā)并生產(chǎn)出透光率更高的光伏玻璃，進(jìn)一步滿足了采光頂?shù)牟晒庖?。光伏采光頂與光伏幕墻相比，能更有效地降低太陽光對建筑物的輻射，實現(xiàn)遮陽、節(jié)能。

3.2.3 光伏遮陽

光伏遮陽是在建筑的遮陽板上安裝高轉(zhuǎn)換率的光伏方陣，遮陽板不但遮擋陽光，而且具有發(fā)電功能。光伏遮陽有自動跟蹤和固定兩種類型，固定光伏遮陽是根據(jù)建筑物的地理位置設(shè)計最佳的朝陽角度，有效地收集太陽能；自動跟蹤光伏遮陽(見圖5)是根據(jù)太陽高度角、方位角的變化，自動跟蹤最佳的朝陽角度，從而最有效地收集太陽能。

圖4 光伏建筑一體化采光頂節(jié)點

圖5 自動跟蹤光伏遮陽

4 光伏方陣封裝材料的選擇

光伏方陣在長期室外環(huán)境下的性能可靠性主要取決于封裝。封裝材料的首要性能是把光伏方陣聯(lián)結(jié)合層壓在一起，其他的性能包括高透明性、好的粘結(jié)性，還應(yīng)有足夠的機械變形性，以承受組件中不同物質(zhì)之間因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力等。高性能和低成本是光伏方陣封裝材料發(fā)展的兩個重要方向[2]。以PDMS為代表的有機硅材料由于其無機有機雜化的結(jié)構(gòu)特點，在光伏方陣封裝中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，將是今后光伏方陣封裝材料發(fā)展的一個重要品種。

光伏建筑一體化在幕墻與采光頂?shù)膽?yīng)用通常采用雙玻璃光伏組件，在兩片玻璃中間用PVB膠片復(fù)合光伏方陣組成復(fù)合層，密封在雙層鋼化玻璃中。PVB膠片為半透明膜片，對無機玻璃有很好的粘結(jié)力，具有透明、耐熱、耐濕、耐寒、抗紫外線、機械強度高等特性，能吸收沖擊能量，不產(chǎn)生破碎片，是制造夾層玻璃的最佳粘合材料。雙玻璃光伏組件滿足建筑用安全玻璃的要求，能延長光伏方陣的使用壽命。雙玻璃光伏組件向光一面采用超白鋼化玻璃制作，通過調(diào)整光伏方陣的排布或采用穿孔硅電池片來達(dá)到特定的透光率，以滿足透光、采光要求[3]。由PVB膜夾層而成的雙玻璃光伏組件是在建筑夾層玻璃的基礎(chǔ)上衍生出來的新型建筑材料，不但符合建筑對玻璃的安全性要求，還能起到發(fā)電的作用，是光伏建筑一體化應(yīng)用的理想選擇。

5 光伏蓄電池的選擇

在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常要使用儲能裝置。發(fā)展新的儲能技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)是減少太陽能光伏系統(tǒng)全面成本的重要途徑[4]。當(dāng)前在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的蓄電池有鉛酸、鋰離子、鎳鎘、鎳氫蓄電池等品種。鉛酸蓄電池的電極主要由鉛及其氧化物制成，其電解液為硫酸溶液。無論是能量密度、循環(huán)壽命還是高倍率放電等特性，鉛酸蓄電池都得到了普遍認(rèn)可，具有較高的性價比和可靠性，是目前應(yīng)用最廣泛的品種。

6 結(jié)語

我國太陽能資源非常豐富，開發(fā)利用的潛力非常大。由于光伏方陣的成本占整個系統(tǒng)投資的一半以上，價格高昂這個問題一直制約著光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用。光伏市場發(fā)展的主要目標(biāo)是提高太陽能發(fā)電的經(jīng)濟性，加快技術(shù)進(jìn)步，擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，促進(jìn)光伏規(guī)?；l(fā)展。隨著國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、產(chǎn)能方面的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)競爭越來越激烈，光伏方陣價格的下降使得光伏發(fā)電的成本得到整體下降，將促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

新頒布的GB 50300—2013《建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》將建筑光伏的竣工驗收列入“建筑節(jié)能”分部，建筑光伏項目的施工、驗收納入到建筑工程的驗收范圍，這將規(guī)范太陽能光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高樹鵬.光伏建筑一體化技術(shù)與工程應(yīng)用[J].中國建材科技，2014(1)：24-26，88.

[2] 劉峰，張俊，李承輝，等.光伏組件封裝材料進(jìn)展[J].無機化學(xué)學(xué)報，2012，28(3)：429-436.

[3] 鄭鴻生，肖堅偉.采用PVB膜制作的雙玻璃光伏組件在BIPV上的應(yīng)用[J].陽光能源，2008(1)：34-36.

[4] 陳維，沈輝，鄧幼俊，等.太陽能光伏應(yīng)用中的儲能系統(tǒng)研究[J].蓄電池，2006，43(1)：21-27.