浅谈太阳能光伏发电技术在建筑电气节能设计中的应用

发表时间：2017-11-06T14:55:25.350Z 来源：《防护工程》2017年第14期 作者： 崔岸伟[导读] 全球范围内的能源危机日趋严重，而与能源危机孪生的气候危机的表现则更为直观。

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摘要：全球范围内的能源危机日趋严重，而与能源危机孪生的气候危机的表现则更为直观，气候变暖已威胁到了人类赖以生存的地球的生态环境和人类安全。早在上个世纪90年代，各国的经济学家和科学家就已通过种种数据揭示了能源危机这一人类面临的严重问题，并提出了“新能源”的理念。随后美国、加拿大、日本、欧盟等也都十分重视可再生能源的开发利用，制定并实施了一系列鼓励政策，积极开发如太阳能、风能、海洋能(包括潮汐能和波浪能)等可再生新能源。 关键词：太阳能光伏；发电技术；建筑电气；设计；分析

1 导言

我国正处于城镇化建设的快速发展时期，已建项目的总建筑面积约为400亿平方米，每年还以十几亿平方米的速度递增。目前，我国建筑能耗约占全社会总能耗的27%左右(根据建设部和国家建材局的统计)。到2020年，全国将新增建筑面积约200亿平方米，建筑能耗占全社会总能耗的比例将更高。在欧美一些发达国家，节能型建筑的比例已达到了40%。而在我们这样一个资源相对匮乏、正在发展中的人口大国，能源的消耗正急剧增加，能源危机迫在眉睫，作为能耗大户的建筑能耗已成为危及社会可持续发展的一个重大问题。为此，中央经济工作会议提出建设“资源节约型”社会的目标，要求各地大力推广“节能省地”型建筑。 2 光伏发电的原理和光伏电池的分类 2.1光伏发电系统原理

光伏电池发电的原理是光生伏打效应(Photovoltaic effect)，即光子能量转换成电能的过程。当太阳光(或其他光)照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子—空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。 2.2光伏电池及其常见种类

光伏电池(solar cell)是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，又称光伏电池。能产生光伏效应的材料有多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同。 2.2.1硅太阳电池 2.2.1.1晶体硅电池

A.单晶硅太阳能电池（single crystalline silicon solar cell）：是以单晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为24.7%，商业化后转换效率为17%。B.多晶硅太阳电池(polycrystalline silicon solar cell)：是以多晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为20.3%，商业化后转换效率为16%。 2.2.1.2非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池（a-si太阳电池）（amorphous silicon solar cell）：是薄膜光伏电池的一种，一般采用高频辉光放电技术使分解硅烷气体，沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成，亦称无定形硅太阳电池，简称a-si非晶硅薄膜太阳能电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为12%，商业化后转换效率为6%-8%。 2.2.1.3化合物电池

多元化合物薄膜太阳能电池（thin film solar cell）：系指用辉光发放电法、化学气相淀积法、溅射法、真空蒸镀法等制得的较大面积的薄膜（硅、硫化镉、砷化镓等）为基体材料的太阳电池称为薄膜太阳电池。

（1）Cd Te（碲化镉）太阳电池：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为12%，商业化后转换效率为6%-8%。

（2）CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为19.9%，商业化后转换效率为17%。 3 光伏建筑一体化设计原则

光伏建筑一体化是将科学技术和美学相结合的一种设计，在建筑设计中要想完美地应用光伏，必须考虑当地气候条件、太阳能倾角、负载水平、光伏元件的特性等诸多因素。在满足除上述因素要求外，另一至关重要的要求是对美学设计的要求，好的美学设计可以使建筑物的文化特征保持住，并能使其功能性得到增强。 3.1光伏建筑一体化设计的影响因素

光伏建筑一体化设计的主要影响因素有：①电池板的倾角。这实际上反映的是当地的地形和气候情况、辐射水平，要进行电池板倾角的计算正是因为这些因素的存在，好的倾角才能获得最大的电能。光伏建筑一体化的整体美观又往往与之存在一定的矛盾。②电学性能的配合。通常，组成建筑外墙的平面大小不一，会导致各组件之间的电流电压不匹配。这时可以对建筑的外平面进行分区，应尽量将各个组件的电特性进行统一，也可以使用不同的电池片来满足分区的要求。③电池板的能耗。因为电池板本身也需要能耗，电池板消耗的能耗越多则它可以输出的电能就会变得很少。④周边环境。当地的平均湿度、温度、距离电网的距离、目前或日后是否会有高大的建筑物遮挡等都属于周边环境。⑤负载用电情况。电池板的规格和数量的选用直接由负载用电量的大小来决定，无人气象站、通信中继站等建筑中的用电量一般波动不大，而民用住宅的用电量变化很大，这要根据情况来定。⑥影响电能输出的一个关键因素是光电转换效率。⑦太阳能电池的强度。建筑物的强度因素在光伏建筑一体化的设计中也要考虑，建筑中以光伏材料作为建材时，应考虑光伏电池的强度。设计过程中，对幕墙面板或采光屋顶的光伏组件及普通光伏组件的强度要求不一样。⑧除了以上的技术因素之外，在光伏建筑一体化的设计中，不仅仅要看建筑物的质量，对外观也有一定的要求。 3.3注意的事项 3.3.1光影效果

现代高层建筑的外墙幕墙一般采用玻璃，采用布纹超白钢化玻璃做为普通的光伏组件，这种玻璃对视线有一定的阻挡，透光性较差。大楼观光处等对光线需求高的地方，要采用的双面玻璃光伏组件是由光面超白钢化玻璃制作而成，也可以采用普通光面钢化玻璃来节约成本。

3.3.2光伏组件的接线盒

一般在电池板的背面放置，光伏组件与建筑物之间会因为有较大的接线盒而会有一定的空隙存在，这会造成一种生硬、不协调的感觉。并联二极管的保护在省去接线盒的情况下便不存在了，这时其他保护方法应实施，也可直接在建筑物的墙体中埋藏接线盒，但此时要做好防晒和防止雨水侵蚀的措施。 3.3设计步骤

进行光伏建筑一体化设计时，需要对很多因素进行考虑，具体设计时就会涉及到设计步骤的问题。一般按照以下顺序对光伏建筑进行设计：①要收集包括建筑物的气候因素、地理位置、负载情况、周边环境等等资料。②光伏电池的规格和数量大小、安装位置、倾角计算。要与建筑物的美观综合考虑，可以适当调整。阴影的考虑也很重要，一块小的遮挡可能造成发电性能的大幅下降，因为光伏电池的受光面积和发电量并不成正比。③系统连接和安装。④控制器、逆变器、测量和数据采集系统的设计、支架的考虑等都属于系统的硬件设计范围。⑤监测、评估并优化调整系统的运行情况。 4 结论

目前光伏建筑产业的发展虽然还存在很多问题，但是，太阳能产业的发展已引起越来越多国家的重视，相关的政策法规也被制订出来用以扶持其发展。随着产业规模不断扩大，技术的不断创新和进步，有理由相信在不远的将来其成本有望与常规电力进行竞争。作为一种新兴的技术，在未来太阳能光伏和建筑结合的巨大优势必定为人类提供更多的能源保障。参考文献

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