重要能源的巧妙利用——光伏建筑
2011-11-17 16:16:54 来源：中房网
【摘要】：近年来建筑节能技术已成为全世界关注的热点，也是当前国内外节能领域的一个热点研究课题。各发达国家在经历了1937年世界性石油危机和世界经济遭受严重打击之后，已清楚地认识到节能的重要性。据估算，我国建筑总能耗占社会总能耗的25%，同时它的增长速度远高于当前我国能源的增长率。
基础篇
主题馆和中国馆鸟瞰效果图
安装于世博场馆的光伏阵列
近年来建筑节能技术已成为全世界关注的热点，也是当前国内外节能领域的一个热点研究课题。各发达国家在经历了1937年世界性石油危机和世界经济遭受严重打击之后，已清楚地认识到节能的重要性。据估算，我国建筑总能耗占社会总能耗的25%，同时它的增长速度远高于当前我国能源的增长率。为了子孙后代可持续利用国家自然资源，必须提倡建筑节能。它不仅能缓解能源紧张、社会经济发展与能源供应不足的问题，而且能降低污染物排放，有效保护环境。因此，研发太阳能在建筑中综合利用的技术，探究太阳能技术与建筑的有机结合将具有积极而深远的意义。
一、概念
光伏建筑一体化，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合，这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用；另一类是光伏方阵与建筑的集成，这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。
2008年奥运会体育赛事的国家游泳中心和国家体育馆等奥运场馆中，采用的就是光伏方阵与建筑结合的太阳能光伏并网发电系统，这些系统年发电量可达70万千瓦时，相当于节约标煤170吨，减少二氧化碳排放570吨。
“光伏建筑一体化”概念的是在2006年9月30日深圳太阳能学会年会上首次提出，并有8个单位作报告，介绍他们在建筑物的设计中，用电池片取代房瓦和外墙装修的人造石板，并统一安排建筑物和光伏发电系统一体化设计，使光伏系统合理分布在房顶和墙体中，取得了显著降低光伏建筑造价的效果。当时的说法是，可以在一体化设计中，消化掉光伏系统增加的成本。这是一个意义重大的概念突破。
在这次会议上，建筑领域的代表，介绍了光伏建筑相关的另一个重要概念，“零能耗建筑”，一旦光伏建筑的发电量达到能够满足住户生活需求。则称之为“零能耗建筑”。届时，住房建设的申请只有达到了零能耗才会得到批准。
二、特点
1.能够满足建筑美学的要求；
2.能够满足建筑物的采光要求；
3.能够满足建筑的安全性能要求；
4.能够满足安装方便的要求；
5.能够具有寿命长的优势；
6.具有绿色环保的效果。
三、优点
光伏建筑一体化(BIPV)是应用太阳能发电的一种新概念，在建筑围护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力。建筑能耗大约占各国总能耗的1/3，光伏与建筑结合可以有效地减少建筑能耗，不论从建筑、技术或经济角度出发，太阳能光伏与建筑一体化均有诸多优点：
1.结构简单，体积小且轻。在美国生产的一种太阳能电池功率40kW，质量8kg，功率质量比可达5kW/kg。而一台40kW的柴油发电机组，质量约为2000kg。光伏方阵一般可以安装在闲置的屋顶或阳台上就地供电，可以有效利用围护表面(屋顶和墙面)，无需额外用地或加建其他设施，节省了土地资源，这对于人口密集、土地昂贵的城市尤为重要。
2.可原地发电、原地使用，不需要另外架设输电线路，避免了长距离输配电所造成的线路损耗。这种分散供电的模式具有很多优点，将会改变目前单一的集中供电模式。不需要长距离输送电力的输配电设备，也避免了线路损耗。
3.夏天是用电的高峰期，在天气炎热时，空调、制冷等设备的利用率高，耗电量大。夏天的太阳辐射强度大，太阳电池方阵所发的电能也多，正好能起到电网调峰作用。由于光伏阵列安装在屋顶和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，因此，可以改善室内温度，并且降低空调负荷。
4.利用太阳能光伏发电，减少了一般由于化工燃料发电所带来的严重空气污染，光伏发电不产生任何废弃物，无转动部件，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。
5.光伏发电系统易安装、易运输、建设周期短，一个6.5MK的太阳能光伏发电站占地仅4000m2，不足10个月即可运行发电。由于是模块化安装，使用规模小到用作太阳能计算器的几毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免浪费。
6.如把光伏电池阵列作为建筑物的玻璃幕墙，可减少建筑物的整体造价。推动光伏组件的应用和批量生产，进一步降低其市场价格。当然，对光伏器件来说，同时还应具有建材所要求的绝热保温、电气绝缘、防水防潮，且具有一定强度及刚度，若作为窗户材料，还要有一定的透明度等。
7.降价速度快，偿还时间短。发电成本1950年为1.5美元/(kw•h)，1987年35美分/(kw•h)，1992～1993年为24美分/(kw•h)。2003年为14美分/(kw•h)。我国太阳能电池价格与国际相近。
8.太阳能无处不有，应用范围广。我国广大地区13平均接受太阳辐射能4～6kW·h/m2，且太阳能电池在－45℃～＋60℃范围内都能工作，尤其适合为制成太阳能屋顶和幕墙的生态能源房。
四、发展现状
国外对太阳能光伏建筑一体化系统的研究已有较长时间。国外的光伏建筑发展是从示范到推广，从屋顶光伏到与建筑集成，并进而将光伏组件作为一种新型的建筑材料发展。目前，太阳电池组件功率为200～300W，有向大尺寸发展趋势。作为光伏建筑材料，主要是作为光伏屋面和光伏幕墙，而这必须要按建筑特点与形式特殊设计制造。从发展来看，光伏建筑在太阳能建筑中魅力无比，一些设计师将太阳电池巧妙地、有机地与各类建筑融为一体。从国外的光伏建筑工程可发现一些特点：一是尽量满足最佳朝向和角度(如屋顶或向南墙面)，以得到最大的发电收益；二是尽可能展示或突出太阳电池，为了具有观赏性甚至进行夸张设计。通过若干年的实践，已经出现了专业型的太阳能建筑设计与建造专业公司(主要从事绿色建筑)。
近年来，世界光伏市场发生了很大变化：由过去的独立运行(提水、照明等)和通讯设备、卫生保健、导航浮标等领域转向并网发电和与建筑物结合的常规供电；开始由作为补充性能源逐步向替代性能源过渡。现在分别介绍一下不同国家的发展情况。
1.美国
美国是世界上能量消耗最大的国家，国会先后通过了“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”和“节约能源房屋建筑法规”等鼓励新能源利用的法律文件。在经济上也采取有效措施，不仅在太阳能利用研究方面投入大量经费，而且由国会通过一项对太阳能系统买主减税的优惠办法。因此，美国太阳能建筑的发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的研究、设计优化，还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用，以及真正形成商业运作的房地产开发，美国均处于世界领先地位，并在国内形成了完整的太阳能建筑产业化体系。
1993年6月，美国能源部和国立再生能源实验室签订五年合同，实施“PV：BONUS”计划，耗资2500万美元发展与建筑相结合的光伏产品，即建筑幕墙光伏器件和大型屋顶光伏组件等。
为了促进美国光伏产业的快速，降低光伏发电成本以及节约能源和保护环境，美国前总统克林顿1997年6月26日在联合国环境与发展特别会议上宣布美国将实施“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要在全国范围的住宅、商业建筑、学校和联邦政府办公楼屋顶上安装100万套太阳能系统，包括光伏系统和太阳能集热器，可以供应电力和热水。为此，1998财政年度美国政府的光伏经费增加了30%。
2.日本
日本很重视光伏与建筑相结合的技术。20世纪90年代，政府资助一些大学、研究所和公司进行开发研究。如三洋电气公司推出了几种非晶硅电池与建筑材料相结合的产品(三洋公司在非晶体太阳电池技术方面是世界一流的)：一种是做成曲线形瓦片形状，每片面积为305平方厘米、输出功率2.7WP，价格比较昂贵；另一种是90cm×35cm的平板非晶硅电池组件，组件背面有“脚”便于安装，一般用做屋顶材料。三洋电气公司还推出了半透明和不透明的非晶硅玻璃组件，用于商业建筑物的垂直幕墙。其半透明组件的透光率为30%，既可作为窗户采光用，又可用于发电(德国也有类似产品)。以上光伏组件已安装在三洋电气公司、Fsukasa电力公司等办公楼建筑物上。
1997年，通产省又宣布执行“七万屋顶”计划，安装了37 MWP屋顶光伏系统。该计划使日本成为该年度世界最大的光伏组件市场。日本政府计划到2000年安装400MW、2010年安装4600MW光伏发电系统。
1998年，日本三家公司(清水建筑、夏普、川崎制铁)合作研制一种新型建筑材料，即把太阳能电池安装在建筑材料里，并按需要做成三种，用做屋顶和外墙。
3.德国
1990年首先开始实施“一千屋顶计划”，在私人住宅屋顶上推广容量为1～5kWp的户用联网光伏系统。
在光伏器件与建筑相结合方面，ASE所属几家公司分别推出了多种光伏组件，其中有大尺寸(1.5m×2.5m)的无边框非晶硅组件，每块组件功率可达360Wp，可用于垂直外墙和倾斜屋顶；也推出了尺寸为1m×0.6m的非晶硅不透明组件，可分别用于屋面、垂直幕墙和窗户。
目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。
4.印度
印度近年来大力推广太阳能，已取得了很大成绩。在发展家，印度的光伏产业及应用市场居领先地位；据报道，目前已成为继美国之后的第二大单晶硅太阳能电池生产国。全国已有40万套光伏系统用于多种应用领域。并且，政府正在组织一些研究和生产机构开展光伏器件与建筑相结合的研究开发。
1997年12月18日印度政府宣布，到2002年要在全国范围内推广150万套太阳能屋顶。
5.其它国家
此外，法国、澳大利亚、英国等发达国家也拥有相当先进的太阳能建筑应用技术。著名的集热蓄热墙采暖方式即是法国人菲利克斯•特朗勃的专利，法国的奥代洛太阳房是该采暖理论转化为实际应用的第一个样板房。英国利物浦附近的沃拉西的圣乔治郡中学，则是直接受益式太阳房最大和最早的样板之一。尽管英国的太阳能资源并不丰富，该所中学安装的常规采暖系统却从未使用过。
最后值得一提的是近几年来在发达国家已有相当发展水平的“零能房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、无污染，它代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势。由于许多国家的政府(如美国、德国)都制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20%的计划，相信这种“零能房屋”将会有十分良好的发展前景。
五、国内市场现状
据统计，截止1997年底，我国已完成并正常使用的太阳能光伏发电系统装机容量为10～15MW，主要用于边远地区居民的供电。随着光伏发电领域的转变，我国的BIPV系统的研究与开发已取得了很大的发展。“九五”期间我国在深圳、北京分别成功建成17kWp、7kWp光伏发电屋顶并实现并网发电。
2008年，我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一，连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。然而，我国光伏产品长期依赖海外市场，已成为障碍我国光伏产业健康发展的隐患，开启国内市场是发展光伏产业的必然选择。
2010年7月初，据有关部门表示，国家能源局已确定将2011年的光伏装机容量增加到2GW，是去年年底装机容量的15倍。
能源局确定的上网电价为1.09元/度，采取了甘肃敦煌10兆瓦发电场项目的招标价格。过去几年中，中国光伏组件的产量保持高速增长。从2007年开始，中国已成为光伏组件的最大供应商，然而国内的光伏市场却很小，至2008年底才达到140MW的光伏产品98%以上依靠出口国外。即将公布的《新能源产业振兴规划》将2020年的光伏规划由2007年规划的1.8GW增加到20GW，是原规划的12.5倍。而从我国国情来看，中国适合建光伏电站的地区和省市主要集中在内蒙古，新疆，甘肃，宁夏，青海和陕西等六个常年光照资源丰富的区域。西藏的光照条件在全国范围是最好的，但因为受海拔高度的限制，并不适合建设大规模电站。
从目前我国光伏企业的状况来看，大企业对国外市场的依赖度非常高，这些企业之所以能够发展壮大，与国外市场的培育密不可分，如果国外的市场有什么变化，这些企业会受到重大影响。我国的光伏发电的安装量还很少，预计在短期内我国的光伏市场不会迅速发展起来，这与我国的光伏技术水平和具体国情都有关系。除了那些大企业，还有一些规模相对较小的光伏企业，这些企业则对国内市场比较关注。有些公司跟通信企业合作，为它们设计和建造备用电源，有些则积极参与我国和国外一些组织在我国实旌的各种项目，如“送电到乡”、“光明工程”等。总而言之，目前光伏发电的应用领域非常有限，光伏市场也存在着很大的不确定性。
评论