太阳能光伏发电与建筑一体化毕业论文.doc 16页

'太阳能光伏发电与建筑一体化毕业论文一、光伏产业光伏产业是一种环保型能源产业。就是利用太阳电池，不需要复杂的中间环节，就可以直接把光能转换为电能，将太阳赋予的能量送到每一个地方。与其他常规能源相比，太阳能光伏发电具有明显的优越性：一是高度的清洁性，发电过程中无污染、无噪音、无损耗，对保护环境极其有利；二是绝对的安全性，太阳光一照射太阳电池就能发电，对人、动植物无任何伤害；三是普遍的实用性，凡是能安装太阳电池的地方就能实现“到处阳光到处电”的目标，可广泛用于通信、交通、海事、军事等各个领域，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级电站，小到玩具，都能运用光伏太阳能；四是资源的充足性，太阳的能量几乎是取之不尽的.太阳能光伏建筑发电是新世纪的一种最重要的可再生能源，同时又是高科技在建筑中的应用。人人都应该了解它，熟悉它和利用它。从整体开看，我们要研究光伏太阳能，是因为太阳能是地球上对环境起保护作用的最重要能源，是“取之不尽，用之不竭”的可再生能源，同时又是唯一满足宇宙空间中卫星和航空器所需要的能源。随着能源要求量的不断增加，原有的传统能源（如煤，石油，天然气等矿物化学燃料）不但对环境已产生极其严重的污染，而且在不久的将来就会耗尽。所以我们必须研究和发张可再生能源，尤其是研究和发展太阳能。二、太阳能技术的类型。从应用类型看，太阳能技术可分为太阳能发电、太阳能热利用技术和太阳能空调技术三种类型：16 一是太阳能发电。包括太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能光伏发电技术成熟，不论是离网光伏发电系统还是并网光伏发电系统都有较大规模的应用和实践。太阳能热发电技术目前尚处于商业化前夕，世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。预计2020年前后，太阳能热发电将在发达国家实现商业化，并逐步向发展中国家扩展。二是太阳能热利用技术。在欧洲、澳大利亚等国家的太阳热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系统联合运行在供应生活和洗浴热水的同时，还为建筑供暖。在中国、希腊、以色列等国家的太阳能热水系统主要供应生活和洗浴热水。三是太阳能空调技术。即直接利用太阳能做为空调主机的动力，从而实现正常制冷制热的空调技术。目前，大型的溴化锂吸收式制冷机已实现太阳能利用，其它类型制冷机的太阳能利用技术正在开发研究中。三、光伏发电原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。3.1光吸收和电的产生3.1.1光吸收光投射到光伏材料上存在反射、吸收和透射三种可能。对于光伏元件来说，光的反射和透射都是损失，关键是要有效的吸收投射光，以产生电能供人们使用。在忽视反射的情况下，材料对光的吸收量取决于材料的吸收系数和材料厚度。太阳光在光伏材料中由于被吸收而使光强沿材料厚度方向不断下降。3.1.2电的产生假定吸收光子使光强的减少量完全用于产生电子-空穴对，那么在薄片材料中电子-空穴对的产生量G可以通过薄片的光强变化来计算。电能-电功率的产生3.2电流的产生—光生载流子的收集16 太阳光入射到太阳能电池会产生电子-空穴对，由于光生少数载流子必须在被复合之前就要跨过P-N结才能对外电路做贡献，少数载流子一旦跨过P-N结会被收集。这时，如果外电路与太阳能电池连接就有电流产生并通过外电路收集到太阳能电池产生的光生电流。理想太阳能电池的光生电流就是没有外加偏压时的外电路电流。3.3电压的产生-电功率输出光生载流子本身不能升格为电功率（电能能源），例如检测用的光电二极管可收集到很高的光生电流I，但不能产生任何电功率。为了产生电功率P，必须同时产生电压V和电流I，这就是电功率P=IV。太阳能电池吸收了入射的太阳光子后产生了荷电的载流子，在外电路有电流和电压，通过外电路的负载去做功。3.4光伏材料3.4.1半导体世界上所有的材料物质都可以分为固体、液体和气体，其中固体又可以分为导体和绝缘体。有一种材料，在低温下是绝缘体，但这种材料加入杂质、得到能量或加热时就变成导体，这种材料叫做半导体。现在实际使用的太阳能电池都由半导体材料制成。用于太阳电池的半导体材料有单晶体，多晶体，非晶体三种形式。1）单晶体整块晶片只有一个晶粒，晶粒内的原子有次序的排列着，不存在晶粒边界，单晶体要求严格的精制技术。2）多晶体多晶体的制备不要求那么严格的精制技术。一块晶片含有许多晶粒，晶粒之箭存在边界。由于边界存在很大电阻，晶粒边界会阻止电流流动，或电流流经P-N结时有旁路分流，并在禁带内有多余能级把光产生的一些带电粒子复合掉。3）非晶体原子结构没有长序，材料含有未饱和的或悬浮的键。非晶体材料不能用扩散(加入杂质)的方法改变材料导电类型。但加入氢原子会使非晶体中一部分悬浮键饱和，改变了材料的质量。3.4.2半导体P-N结在一块半导体中，掺入施主杂质(以硅硅为例，在高纯硅的一端掺入一点点硼、铝、镓等杂质就是P16 型半导体。在另一端掺入一点点磷、砷、锑等杂质就是N型半导体），使其中一部分成为N型半导体。其余部分掺入受主杂质而成为P型半导体，单纯的片P型或N型半导体，仅仅是导电能力增强了，但还不具备半导体器件所要求的各种特性。如果在一块N型（或P型）半导体上在制成一层P型(或N型)半导体，于是在P型半导体和N型半导体的交界处就会形成一个P-N结。太阳能电池的工作原理是，太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。四、光伏建筑一体化的定义　　光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。BIPV即BuildingIntegratedPV，PV即Photovolta-ic。光伏建筑—体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV：BuildingAttachedPV)的形式。光伏—建筑一体化（BIPV）的形式与特点　　在80年代，光伏地面系统除大量用于偏僻无电地区、游牧家庭、航海灯塔、孤岛居民供电以及某些特殊领域外，已开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑。进入90年代后，随着常规能源的日益枯竭而引起的发电成本上升和人们环境意识的日益增强，一些国家纷纷开始实施、推广BIPV系统。五、太阳能与建筑结合的特点太阳能与建筑结合的优点包括：1）能有效地减少建筑能耗；2）电池板和集热器安装在屋顶或屋面上，节省了土地资源；3）就地安装、就地发电上网和供应热水，降低对市政配套的依赖；4）没有噪音，没有排放，不消耗任何燃料，易于接受。5.1太阳能建筑的建筑形式1）采用普通太阳能电池组件或集热器，安装在倾斜屋顶原来的建筑材料之上；2)采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为建筑材料安装在斜屋顶上；3)采用普通太阳能电池组件或集热器，安装在平屋顶原来的建筑材料之上；4)采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为建筑材料安装在平屋顶上；5)采用普通或特殊的太阳能电池组件或集热器，作为幕墙安装在南立面上；6）采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为建筑幕墙镶嵌在南立面上；16 7)采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为天窗材料安装在屋顶上；8）采用普通或特殊的太阳能电池组件或集热器，作为遮阳板安装在建筑上；5.2光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合；另外一种是建筑与光伏器件相结合。5.2.1建筑与光伏系统相结合把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。光伏系统还可以通过一定的装置与公共电网联接。简易的屋顶太阳能实例16 大型屋顶建筑实例中国山东德州建筑实例5.2.2建筑与光伏器件相结合16 建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发电，可谓物尽其美。对于框架结构的建筑物，可把其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可吸收太阳直射光，也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上目的，还可使建筑外观更具魅力。近年来建筑师常用幕墙结构作为建筑的外避面。虽然看起来比较美观，但是幕墙结构会增大建筑的冷发、负荷，进而增加建筑物的能耗。利用光伏板作为建筑的外壁面不仅可以将尽可能多的太阳能转化为电能，还可以有效的阻止部分太阳辐射进入建筑内部，进而减少建筑的冷负荷，降低建筑物的耗能。光伏墙可以视为一个多用途系统，它在输出电力的同时还可以部分替代传统的建筑材料。光伏墙由光伏板、光伏板与墙面间的气流流道、固定支架、空气入口、空气出口以及墙体组成。把光伏器件用做建材，必须具备建材所要求的几项条件：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。若是用于窗户、天窗等，则必须能够透光，就是说既可发电又可采光。除此之外，还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。16 光伏墙壁实例　　用光伏器件代替部分建材，在将来随着应用面的扩大，光伏组件的生产规模也随之增大，则可从规模效益上降低光伏组件的成本，有利于光伏产品的推广应用，所以存在着巨大的潜在市场。六、光伏—建筑一体化的优点1.联网系统光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用。这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。2.可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网。在阴雨天、夜晚或光强很小的时候，负载可由电网供电。由于有光伏阵列和公共电网共同给负载供应电力，增加了供电的可靠性。16 3.夏季，处于日照时，由于大量制冷设备的使用，形成电网用电高峰。而这时也是光伏阵列发电最多的时候。BIPV系统除保证自身建筑用电外，还可以向电网供电，从而缓解高峰电力需求。4.由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，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，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。5.避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。6.由于光伏电池的组件化，光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选择发电容量。7.在建筑围护结构上安装光伏阵列，可以促进PV部件的大规模生产，从而能够进一步降低PV部件的市场价格，这对于BIPV系统的广泛应用有着极大的推动作用七、与建筑结合对太阳能产品的要求除了太阳能产品本身的采集热量供热和发电功能以外，还要考虑隔离室内外、防雨、抗风、隔热、隔噪音、遮阳、美观等功能，甚至还包括使其成为建筑材料替代原有的建筑材料，以及将其制造得更便于安装和维护。比如，将水箱和集热器分离；将太阳能产品制作成建筑材料，并根据建筑的要求对其零配件进行重新设计；制作专用的托架或导轨，方便太阳能产品的安装；根据建筑的色调采用不同颜色的光伏电池组件和集热器；增加太阳能产品的透光性，满足其作为天窗、遮阳板和幕墙的要求；调整太阳能产品的尺寸和形状，满足一些特殊应用场合的要求等.八、光伏建筑一体化对光伏系统及光伏组件的要求8.1光伏组件的力学性能　　作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h(2，400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm16 厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。南玻大厦外循环式双层幕墙采用的组件就是两块6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件，这是通过严格的力学计算得到的结果。8.2建筑的美学要求BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。8.3建筑结构与光伏组件电学性能的配合在设计BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。　　8.4建筑隔热隔音的要求普通光伏组件并没有像中空玻璃一样的隔热空气层，只是简单地安装在建筑物上或者支撑构件上，和建筑物并没有形成统一的整体。这时的光伏组件作为16 BIPV组件来使用往往会将大量的热量带入室内，造成耗能和节能相矛盾的情况，同时也不能满足建筑的隔音要求。这时可以将普通光伏组件做成中空Low-E玻璃的形式，这样既能隔热又能隔音。或者采用南玻大厦一样的双层外循环系统的幕墙形式。8.5建筑的采光要求普通光伏组件为了提高效率，会将电池片间距缩小到2～5mm。但在BIPV组件中，要考虑到室内的采光要求，这时要调整电池片间距到25mm左右，使组件的透光率在30％左右。8.6组件安装方便的要求BIPV光伏组件作为建筑物的一部分，它安装要求比普通组件的安装要求高很多，难度大很多。一般BIPV组件安装高度较高、安装空间较小。考虑到安装方便，可以将光伏组件做方便拆卸的单元式幕墙形式，这样既方便了安装，同时也提高安装精度。8.7系统寿命问题普通光伏组件封装用的胶一般为EVA，由于EVA的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命。EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量，所以设计师在选择BIPV组件时应该尽量避免使用EVA封装的组件。Schott和Schuco现在已经有PVB封装的光伏组件，国内还没有厂家掌握这种技术。PVB已经成熟应用于建筑用夹胶玻璃的制作，用PVB代替EVA制作的光伏组件会有更长的使用寿命。盼望国内光伏组件生产商尽快掌握PVB封装技术。普通光伏系统的大部分连接线都是敞开在大气中，空气对流充分，温度低。BIPV建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中，其温度远远高于普通光伏系统电线所处的环境温度，这对BIPV建筑系统中电线的要求也高很多。普通系统中，一般使用普通的聚氯乙稀铜线就能满足要求。但在BIPV系统中，我们建议使用光伏专用电线：双层交联聚乙烯浸锡铜线。另外考虑到温度对电阻的影响，BIPV建筑系统中选用的电线直径应该要比普通光伏系统大一些。16 建议选择著名国际品牌的连接器；有同事做过对比实验。性能优异的连接器的防水性能和耐老化性能要比一般的连接器好很多。如果连接器的防水性能不好，这可能会导致大楼带电。如果连接器的耐老化性能不佳，这将会导致系统漏电、电线氧化纵观整个光伏产业，在IPD策略方面，有三种策略性措施供我们参考：一是减低光伏电池生产过程中的材料耗损；二是改善光伏电池的转换效率；三是研发新的光伏发电技术。在ISC策略方面，也有三种策略性措施供参考：一是我国从长远眼光看待能源供给，宜实行像重视核能发电一样重视太阳能尤其是光伏电池的能源开发和利用政策；二是以各种形式向社会宣示太阳能发电的优势(包括关于逐步普及太阳能——建筑一体化优势产品的宣示)；三是从国家和地方政府的环保开支中拨出资金在全国既集中力量又分工协作进行第一代、第二代、第三代、第四代光伏电池的深入研发.九、光伏建筑一体化建筑存在的问题虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、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并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存有两大问题一是太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。二是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，比常规发电成本每度1元翻倍。三是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24小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。十、太阳能利用与建筑一体化的发展动态 绿色健康住宅根据国家有关部门的要求，已进入了试点应用研究的重点阶段，而作为可再生能源的太阳能热利用技术也同时进入了快速发展时期，太阳能热水器真成为广大民众绿色家电的首选。建设部相继召开了“太阳能与建筑结合应用研讨会”，国家有关部门对这项课题十分重视并抓得很紧，建设部、科技部、经贸委先后分别下发了《建设部建筑节能“十五”计划纲要》、《科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》、《新能源和可再生能源产业发展“十五”16 规划》、《关于组织实施资源节约与环境保护重大的通知》等文件，强调并提出课题开发应用的目标，明确了发展的重点和重点支持的具体项目。为此，中国建筑标准设计研究所承担了编制建筑工程行业标准、建筑施工工法、标准设计图集等“太阳能供热制冷成套技术开发与示范”的课题，为太阳能与建筑一体化事业的健康稳步发展，也为我们设计单位承担这项课题的专项设计提供有利条件。福州康安康合太阳能公司2002年在“湖前兰庭”9幢别墅做了第一个太阳能与建筑一体化示范工程，接着又在福州武警消防大厦、泉州“中远名城”，马尾“时代广场”商住楼等多处做了多例大型的太阳能集中供热系统工程，已全部通过验收投入使用，节能效果显著。据了解，目前太阳能利用与建筑一体化这项新课题主要是科研、院校在研究开发，一些能源技术开发公司承担施工安装，福州康安康合太阳能技术开发公司经过多年的研究、试验和开发，拥有“太阳能吸热瓦片”、“真空管太阳能中央热水器”、“不对称太阳能集热板”等多项国家实用型专利，该公司利用多项成果，专业从事太阳能集中供热建设，在解决太阳能与建筑一体化上取得很大突破，已经设计、安装了上述介绍的几项大工程，积累了很多的实践经验，取得了可喜的成绩十一、上海世博会上展示的光伏建筑一体化建筑上海世博会上，展示了多种太阳能光伏建筑一体化建筑，起到了示范效应，能使人们逐渐意识到未来城市建设的生态建筑理念。(1)英国零碳馆的屋顶上，片片深色的太阳能电池板本身就是屋顶建材，通过吸收太阳能所产生的能量不仅用于发电、供暖，还与被动风能和地源热能共同带动室内通风，调节屋内的温度和湿度。(2)法国阿尔萨斯的水幕太阳墙，在法国阿尔萨斯案例馆，“水幕太阳能墙”外层同样覆盖太阳能电池板，能把照射到墙体外层的太阳光转换成电，正好能维持“水幕太阳能墙”不断运作，为建筑带来冬暖夏凉的感觉。(3)德国弗莱堡的生态建筑，(4)中国馆、主题馆、世博中心和城市未来馆四座标志性建筑上采用太阳能光伏建筑一体化技术。上海世博会上光伏建筑的太阳能发电规模达到4.68兆瓦，年均发电可达406万千瓦时，减排二氧化碳总量逾3400吨。世博园里的光伏建筑一体化并网电站，在世界同类电站尤其是中心城区的电站中，总容量位居前列。16 在世博园内刷新了我们对建筑的概念：通过太阳能光伏组件与建筑材料合为一体，建筑物的门窗、外墙和屋顶皆能通过日照产生无污染的“绿电”，整座建筑成了无污染的“发电机”。从这种途径获得的清洁电能不仅可供建筑本身使用，还可以输入城市电网，进入千家万户。致谢16 首先感谢我的辅导老师曹志伟，从论文选题研究方法楷体报告，写作进度直至论文撰写，都给与我严格的督促检查，给与我精心指导，鼓励我克服困难，多次帮我修改论文，并提出宝贵的意见。我在学校的三年时间，他不仅在专业理论上，还有日常生活上都给与我帮助，使我能够顺利的毕业。在此表示衷心的感谢，感谢你们无私的教育精神。参考文献16 [1]争鸣，刘建政，孙晓瑛，等．太阳能光伏发电及其应用[M]．北京：科学出版社，2006[2]玉文，吴达成，王斯成，等．中国光伏产业发展研究报告(2006-2007)(下)[J]．太阳能，2008(8)：6-13．[3]俊峰，王斯成，张敏吉，等．中国光伏发展报告[M]．北京：中国环境科学出版社，2007：24-25．[4]李蔚.太阳能光伏技术与建筑应用《湖北省建设领域节能减排》论坛资料汇编,2008[5]仲继寿.太阳能建筑发展的中国之路.中国可再生能源学会第八次全国代表大会暨可再生能源发展战略论坛论文集,2008太阳能光伏建筑一体化 杨洪星，周伟 中国建筑工业出版社2009[6]曾祖勤太阳能光伏发电技术2005[7]张雪松 太阳能光电板在建筑一体化周的应用2005[8]苑金生 太阳能光伏器件与建筑一体化 上海建材 期刊论文[9]李芳,沈辉,许家瑞,陈维.光伏建筑一体化的现状与发展[J]电源技术,2007,(08)[10]姜志勇.光伏建筑一体化(BIPV)的应用[J].建筑电气,2008,(06)16'