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太阳能光伏建筑一体化
（一）前言
1. 1金融危机促进发展新能源-太阳能光伏建筑一体化
2008年世界金融危机使全球资产面临重新溢价，金融版图随之悄然改写，与之相伴的还有国际油价的跌宕起伏。伴随金融危机恐慌心理的蔓延，影响金融危机的因素扩大。能源安全，作为世界各国政府密切关注及深入研究的课题亦被提上议事日程，世界各国从保护国家安全角度，制定和调整本国的能源战略。为了对付世界性的能源、环境、金融等危机的影响，各国政府高度重视可再生清洁新能源，并把太阳能发电作为首选发展方向。美国奥巴马新政府将新能源列为振兴经济、化解危机的重要对策；美国迫切需要寻找替代传统能源的战略发展方向，将更多地向太阳能等新能源技术投资，奥巴马指出： “能够获得廉价而且清洁的能源的国家，将在未来的经济竞争中胜出，这是美国能够赢得未来的经济竞争的道路。”
2009年5月27日，美国总统奥巴马在拉斯韦加斯的内利斯空军基地视察太阳能电池板。（图1.1），美国总统奥巴马提出的经济刺激计划中，首要的就是发展光伏发电能源，力图恢复美国在能源技术方面的国际领先地位，并使光伏发电可再生能源成为美国经济复苏的“发动机”。
图1.1 2009年5月27日，奥巴马在拉斯韦加斯空军基地视察太阳能电池板
德国、西班牙、意大利、法国等多个欧盟国家及日本相继出台新政策，强化部署发展太阳能产业；中东产油国纷纷把传统能源产业利润转投太阳能光伏产业；印度、印尼等发展中国家开始出台实质性的扶持光伏产业发展新政策。
特别引人瞩目的是2009年3月19、20日，胡锦涛总书记等中央领导联袂参加“2009中国国际节能减排和新能源科技博览会”，反复强调：“要大力推进节能减排，积极开发新能源”； 温家宝总理在广东调研时已明确强调“太阳能电池是可再生能源、清洁能源发展的重要载体，也是我国电力工业、能源工业的重要方向”。之后，国家财政部、住房和城乡建设部又于3月23日发出《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》（财政部财建[2009]128号），财政部同步印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》(财建[2009]129号)、《关于印发太阳能光电建筑应用示范项目申报指南的通知》(财办建[2009]34号)，（简称三文件）推出了大幅度补贴示范性光伏发电项目的政策。国务院副总理李克强2009年5月21日出席‘财政支持新能源和节能环保等新兴产业发展工作座谈会’讲话指出：“历史经验表明，每一次危机都孕育着新的技术突破，催生新的产业变革。综合考虑国内外情况，新能源和节能环保产业是促进消费、增加投资、稳定出口一个重要的结合点，也是调整结构、提高国际竞争力一个现实的切入点。这方面发展的潜力很大，应当重点给予扶持，力求取得突破，努力实现产业化、规模化。”2009年06月01日能源局副局长刘琦表示：“新能源发展规划讨论稿已完成将适时出台，新能源规划有三个方面的意义，第一是应对当前的金融危机，扩大内需、拉动投资、增加就业，第二个是应对气候变化，调整能源结构，持续能源的可持续发展。第三个是抢占未来经济发展的制高点，提升中国能源的国际竞争力”。这项 “金太阳”工程的的重点内容将是以国家财政补贴的形式，支持国内光伏市场的启动。把新能源的发展提高到前所未有的“战略高度”。这一系列行动，不仅在中国，而且在全世界范围内产生了极其明显的连动效应，引发了全国各地政府和企业界“光伏积极性”空前高涨。一场“太阳能建筑一体化”风暴正在全国各地掀起。在创建节约型社会的主题带动下，各地政府、企业界纷纷聚焦“太阳能光伏建筑一体化”，一场能源产业的革命已经在爆发边缘，开创太阳能光伏建筑一体化春天。
2005年年底发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，太阳能光伏建筑一体化技术被明确列为能源领域优先主题——可再生能源低成本规模化开发利用重点研究目标。中国将进一步把太阳能光伏建筑一体化技术作为能源技术发展的优先主题，大力提高一次能源和终端能源利用技术水平。提升能源装备制造水平，加强能源领域前沿技术研究和基础科学研究，探索太阳能光伏建筑一体化新能源的新途径，大力推进先进适用太阳能光伏建筑一体化（以下简称光伏建筑一体化）新能源技术的产业化。
1.2 四万亿救市计划是光伏建筑一体化新能源逆势上扬的强大动力
为了应对金融危机给国内产业带来的不利影响，中国制定了高达4万亿元的投资计划，同时推出了“十大措施”。“加强生态环境建设、支持重点节能减排工程”成为其中亮点，政府在4万亿救市计划中着重强调节能环保领域，无疑是给光伏建筑一体化再生能源、太阳能光伏企业提供了广阔的市场机遇。光伏建筑一体化产业将会逆势上扬。
中国兴业太阳能公司是生产及安装光伏建筑一体化系统及太阳能产品的著名企业， 2009年1月于香港挂牌上市。兴业太阳能在金融海啸中成功逆境上市表明，此次的金融危机对光伏建筑一体化产业来说不是危机，而是一次很好发展的契机。
1．3推动光伏建筑一体化应用是落实扩内需、调结构、保增长的重要着力点。推动光伏建筑一体化应用是促进我国光电产业健康发展的现实需要。三文件为推动光电建筑应用、拓展国内应用市场、创造稳定的市场需求、促进我国光电产业健康发展提供了可靠的政策依据。三文件优先支持技术先进、产品效率高、建筑一体化程度高、落实上网电价分摊政策的示范项目，从而不断促进提高光电建筑一体化应用水平，增强产业竞争力。对推动光伏建筑一体化应用有重要意义。
2004年至2007年底，全球太阳能电池产量增加了437％，而中国更是猛增了77倍，2007年底我国电池产量达1088MW，超过日本，成为全球第一大太阳能电池生产国。有一批具有国际竞争力和国际知名度的光伏生产企业，已形成具有规模化、国际化、专业化的产业链条。与世界其它各国的光伏产业相比，中国的光伏行业有一个很大的特点，它几乎是完全依托于国外的市场而起来的。尽管国内太阳能电池产量得到了迅猛发展，但中国光伏发电市场发展却依然缓慢，绝大多数太阳能面板用于出口，国内消费量占比非常小，产业和市场之间发展极不平衡。中国光伏产业是近几年高速发展的新兴产业之一。但由于它的原料、市场甚至设备都严重依靠国际市场，使其成为此次金融危机的重灾区，对于98%的市场都在国外的中国光伏企业来说，国外市场的任何波动，都会在国内掀起巨大的波澜。不仅如此，阴沉的经济环境也阻断了光伏企业到国外融资的渠道，一旦资金与市场的大门同时被关上，国内一些光伏企业可能会休克，甚至死亡。国内太阳能电池光伏产业将会有一个比较大的洗牌过程。在此次金融危机中，日本光伏企业几乎没有受到影响，原因就是日本光伏产品三分之一的市场在本国。所以过度依赖国际市场，加大了市场风险，影响了产业发展。
太阳能电池光伏企业已面临投资过热，但太阳能光伏发电在国内就没太多企业在做，尤其是做大规模、大型建筑光伏一体化的太阳能应用国内才刚刚起步，海外市场更需要推广的也是光伏建筑一体化，这正是建筑光伏一体化的拥有的逆势而上的海内外市场前景。
（二）太阳能光伏建筑一体化（BIPV）。
2.1太阳能光伏建筑一体化的定义与原则
太阳能光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术。BIPV即Building Integrated Photovoltaic，其不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化（简称BIPV）是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑，
太阳能光伏建筑一体化≠太阳能光伏＋建筑。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的‘相加’，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用。同步后期管理，使其成为建筑有机组成部分的一种理念、一种设计、一种工程的总称。
2.2太阳能光伏建筑一体化原则
1. 生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透：建筑本身应该具有美学形式，而PV系统与建筑的整合使建筑外观更加具有魅力。建筑中的pv板使用不仅很好的利用了太阳能，极大的节省了建筑对能源的使用，而且还丰富了建筑立面设计和立面美学。BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。
2. 传统建筑构造与现代光伏工程技术和理念的融合；引入建筑整合设计方法，发展太阳能与建筑集成技术。建筑整合设计是指将太阳能应用技术纳入建筑设计全过程，以达到建筑设计美观、实用、经济的要求。BIPV首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。建筑应该从设计一开始，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以设计，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中一体设计，使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一部分，达到与建筑物的完美结合。
3.关注不同的建筑特征和人们的生活习惯；合适的比例和尺度:PV板的比例和尺度必须与建筑整体的比例和尺度相吻合，与建筑的功能相吻合，这将决定PV板的分格尺寸和形式。PV板的颜色和肌理必须与建筑的其他部分相和谐，与建筑的整体风格相统一例如，在一个历史建筑上，PV板集成瓦可能比大尺度的PV板更适合，在一个高技派的建筑中，工业化的PV板更能体现建筑的性格。
4.保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合；精美的细部设计:不只是指PV屋顶的防水构造，而要更多关注的是具体的细部设计，pv板要从一个单纯的建筑技术产品很好的融合到建筑设计和建筑艺术之中。
5光伏系统和建筑是两个独立的系统，将这两个系统相结合，所涉及的方面很多，要发展光伏与建筑集成化系统，并不是光伏制作者能独立胜任的，必须与建筑材料、建筑设计、建筑施工等相关方面紧密配合，共同努力，才能成功。
6建筑的初始投资与生命周期内光伏工程投资的平衡；综合考虑建筑运营成本及其外部成本。建筑运营体现在建筑物的策划、建设、使用及其改造、拆除等全寿命周期的各种活动中，建筑节能技术、太阳能技术以及生态建筑技术对与建筑运营具有重要影响。不仅要关注建筑初期的一次投资，更应关注建筑的后期运营和费用支出，不但要满足民众的居住需求，也要关注住房使用的耗能支出。另外，还应考虑二氧化碳排放等外部环境成本的增加等。
2.3为什么要光伏与建筑一体化（BIPV）？
由于太阳能能量密度较低并且高度分散，为了提供所需的能源，必须有足够的接受面积。据测算：为了满足2000年全球电力的需求，以太阳能电池转换率10%计算，需要的面积为840km×840km=640000km2，这相当于德国和意大利两个国家的面积。
我国1995年的发电量约为1亿MW·h，如果全部用太阳能电池发电，其接收面积约为12500km2，比天津市还要大。以上数值表明，所需的面积是相当可观的，光伏与建筑一体化有效利用建築物的外表大面積，是解决接受面积的主要途径，
光伏建筑一体化的系统，如幕墙光伏发电系统，成本随着建筑物的设计阶段和光伏电池与建筑装饰材料生产过程的结合程度有很大的依赖。研究表明，如果设计院、建材生产商和光伏制造商能够充分协作起来，建材光伏一体化的发电单元的制造成本与单独生产光伏组件的成本类似，甚至比建材加光伏组件的成本还低，而逆变和布线系统则可以整体并入到建筑物的电力系统中去，因此，BIPV的成本可能比单独的光伏发电还要低得多。
2．4光伏建筑一体化的类型和方式
光伏建筑一体化一般分为独立安装型和建材安装型两种类型。
1.独立安装型。是指普通太阳电池板施工时通过特殊的装配件把太阳电池板同周围建筑结构体相连。其优点是普通太阳电池板叫以在普通流水线上大批量生产，成本低，价格便宜，既能安装在建筑结构体上，又能单独安装，其缺点是无法直接代替建筑材料使用，PV板与建材重叠使用造成浪费，施工成本高。这种独立安装型一体化方式在设计时也并非是与建筑的简单“叠加”，而是将其作为建筑的一种独立的设计元索加以整合，创造出独特的造型效果。
2.建材安装型。则是在生产时把太阳电池芯片直接封装在特殊建材内，或做成独立建材的形式，如屋面瓦单元、幕墙单元、外墙单元等，外表面设计有防雨结构，施工时按模块方式拼装，集发电功能与建材功能于体，施工成本低。相比较而言，建材安装型的技术要求相对更高，因为它不仅用来发电，而且承担建材所需要的防水、保温、强度等要求。但是由于必须适应不同的建筑尺寸，很难在同一条流水线上大规模生产，有时甚至需要投入大量的人力进行手工操作生产，对于劳动力价格较低的我国而言，这种太阳电池组件更有利于国际竞争。
2．5建材安装型又分为四种方式，屋顶一体化、墙面一体化、建筑构件一体化和建筑立面LED一体化。
1>屋顶一体化方式。是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，也叫以覆盖部分屋面，后者与建筑的整介具有更高的灵活性。这对于在旧房改造中使用PV板提供了叫能。PV板与屋顶整合一体化一是可以最大限度的接受太阳光的照射，二是可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏天的热负荷。PV板与屋顶的构造做法有两种方式，一种是兼为屋顶防水构造层次的部分，这时必须要求PV系统具有良好的防水性能，另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上，后者对于屋顶防水具有保护功能，可以延长防水层的使用寿命。
图2.5-1光伏屋顶一体化
图2.5-2光伏建筑屋顶一体化（屋面瓦）
图2.5-3
图2.5-4
图2.5-5
图2.5-6
图2.5-7
2)墙面一体化方式是指PV板与墙面材料一起进行集成。现
代建筑支撑系统和维护系统的分离使PV板能象木材、金属、石材、混凝土等预制板样成为建筑外围护系统的贴面材料。PV板墙面一体化主要有PV板外墙装饰板和PV板玻璃幕墙两种方式。
PV板玻璃幕墙是指透光型PV板和玻璃集成制成的光电幕墙。该组件是由太阳电池芯片和双层玻璃板构成，芯片夹在玻璃板之间，芯片之间和芯片与玻璃板边端之间留有定的间隙，以便透光，芯片而积占总而积的70%，也即透光率为30%,叫以有效的解决幕墙的遮阳，在夏天就像把巨大的遮阳伞有效的降低了建筑的热负荷，同时为室内提供特殊的光照气氛，更因其特殊的颜色和肌理拓展了建筑的表现空间。现在PV板价格和某些天然石材己经没有差别，我们相信今后随着PV板的发展，成本只会越来越低，这就为PV板在建筑的广泛应用创造了良好条件。光电屋顶与光电幕墙的出现，为建筑师展示建筑艺术作品多了一种新的选择。 图2.5-9-1光伏玻璃幕墙
图2.5-9-2光伏玻璃幕墙和屋面一体化（光电幕墙与光电采光顶相结合）
图2.5-9-3
图2.5-9-4光伏玻璃幕墙一体化（光电幕墙）
图2.5-9-5
3)建筑构件一体化方式是指PV板与建筑的雨篷、遮阳板、阳台、天窗等构件有机整合在提供电力的同时可以为建筑增加美观的细部。PV板和遮阳板的结合不仅可以为建筑在夏天提供遮阳，还可以使入射光线变得柔和，避免同眩光，改善室内的光环境，而且可以使窗户保持清洁。但同时应该注意到高效率的PV系统并非定是高效率的一体化系统，一体化建筑具有美观性之外，还要求一体化进行科学的计算和设计，满足建筑构件所要求的强度、防雨、热工、防雷、防火等技术要求。
图2.5.10-1光伏建筑的雨篷、遮阳板一体化
图2.5.10-2光伏建筑的雨篷、遮阳板一体化
图2.5.10-3光伏建筑的雨篷、遮阳板一体化
4）光伏LED一体化━光电LED多媒体动态幕墙和天幕。
光伏LED一体化夹层由太阳能电池和LED半导体的透明基板，可放置在幕墙、屋面边框内构成的光电单元，可以模块化。常规交流供电系统作为LED供电电源，必须将电源转换成低压直流电才能使用，考虑到功率因素的影响和LED供电的特殊性，需要合理设计复杂控制转换电路，不仅增加了照明系统成本，又降低了能源的利用效率。太阳能光伏发电技术能与LED结合的关键在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，太阳电池组直接将光能转化为直流电能，通过串、并联的方式任意组合，可得到LED实际需要的直流电，再匹配对应的蓄能电池便能实现LED照明的供电和控制。无需传统的复杂逆变装置进行供电转换，因而这种系统将获得很高的能源利用效率、较高的安全性、可靠性和经济性。太阳能电池与半导体照明LED一体化是太阳能电池和LED技术产品的最佳匹配，是集发电、照明、多媒体、建筑节能、动态幕墙和动态天幕。
图2.5-11光电LED多媒体动态幕墙系统图， LED光伏幕墙供电
2.6目前光伏建筑一体化大约有10种型式。
光伏组件与屋顶的结合或集成、光伏组件与幕墙、光伏组件与玻璃窗、光伏组件与遮阳板的集成。光伏组件与LED组合或集成的幕墙、天幕等10种型式，如表6.3.1所示：
形 式
光伏组件要求
建筑要求
类型
1
光伏屋顶（天窗）
透明光伏组件
有采光要求
集成
2
光伏屋顶
光伏屋面瓦
无采光要求
集成
3
光伏幕墙（或窗）
透明光伏组件
透明幕墙
集成
4
光伏幕墙
非透明光伏组件
非透明幕墙
集成
5
光伏遮阳板
透明光伏组件
有采光要求
集成
6
光伏遮阳板
非透明光伏组件
无采光要求
集成
7
屋顶光伏电站
普通光伏组件
无
结合
8
墙面光伏电站
普通光伏组件
无
结合
9
光伏LED幕墙、
LED光伏组件
有、无采光均可
结合或集成
10
光伏LED天幕
LED光伏组件
有、无采光均可
结合或集成
2.7光伏建筑一体化BIPV的设计 2.7.1BIPV的设计要点
1）建筑设计规劃
–設置成本估算–發電量預估–需求面積(空間)估算–有效可利用面積估算規劃–模組及設備評估、選用
-對建築物省能、節能之效益評估
-設計、施工及施工期程規劃
-系統維護管理規劃
2）太阳辐射-当地太阳幅射能量-太阳角的计算-大气层外的太阳辐射-到达地表的太阳辐射通量-倾斜面上太阳总辐照量
3）光伏系统的设备构成-太阳电池方阵，即光伏组件-储能装置，即蓄电池-阻塞二极管-控制器-逆变器
4）光伏系统的总体设计-光伏系统的容量设计-光伏系统的机械结构设计-电气设计-辅助设备选配5）环境设计6）其它设计
电气设计和辅助设计的选配，这些都需要经验丰富的设计师才能做好。中国太阳能产业联盟网 2.7.2发电系统设计21TYN.COMBIPV的发电系统设计与光伏电站的系统设计不同，光伏电站一般是根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统，BIPV则是根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率并配套系统。BIPV光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。
光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果，如颜色与板块大小；另一方面要考虑其受光条件，如朝向与倾角。光伏组件设计，涉入电池片的选型（综合考虑外观色彩与发电量）与布置（结合板块大小、功率要求、电池片大小进行）；组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。光伏发电系统的设计，即系统类型（并网系统或独立系统）确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。21tyn·com 2.7.3结构安全性与构造设计21TYN.COM
光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面：一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受，受风变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定不是安装空调式的简单固定，而是需对连接件固定点进行相应的结构计算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。
构造设计是关系到光伏组件工作状况与使用寿命的因素，普通组件的边框构造与固定方式相对单一。与建筑结合时，其工作环境与条件有变化，其构造也需要与建筑相结合。如隐框幕墙的无边框、采光顶的排水等普通组件边框已不适用。2.8光伏建筑一体化建筑需注意的几个问题
2.8.1BIPV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，需要通过严格的力学计算得到更高的力学性能和采用不同的结构方式。
例如尺寸为1200mmX530mm的普通光伏组件一般采用3．2mm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pv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。
2.8.2BIPV的美学要求
BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，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。
BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，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。
2.8.3 BIPV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。
2.8.4 BIPV考虑区域气候特征和经济发达程度的差异；与环境、气候等条件相协调。
太阳能光伏一体化建筑的电池方阵所能获得的辐射量决定了它的发电量。太阳辐射量与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影响太阳能的发电，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素几乎只能被动选择。对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等在设计过程中应该考虑的。 2.8.5 BIPV应依照建築物方位、當地環境及日照等氣象特性，結合地球科學、氣象學等，進行模擬分析，作好的規劃、設計與施工，使其產生最佳使用效益。对于某一具体位置的建筑来说，通过倾斜面上太阳辐照量计算模型和电池组件电学模型，分析光伏阵列的朝向和倾角对并网系统产能的影响，城市里主要推广BIPV屋顶，因为屋顶可以得到最佳的角度，例如：在广州地区，当光伏阵列朝向正南19°倾角时，并网发电系统中有最大的年产出电能，而当阵列朝向偏离正南时，需要减小阵列的倾角来增加光伏阵列的年产出电能；并网发电系统中，高纬度地区光伏阵列朝向对阵列产电的影响较低纬度地区更明显。而在我国的北京、山东等地，角度是45-55度屋顶采光最大，是最佳发电的角度。
图2.8.5我国纬度为22度至25度地区太阳入射图。
2.9 BIPV对光伏组件的要求21tyn·cn
m影响BIPV光伏发电的有两个方面。一是光伏组件可能接受到的太阳能，二是光伏组件的本身的性能。nBIPV将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对光伏组件提出了如下新的要求。
2.9.1 颜色与质感21tyn·cn
用于BIPV的光伏组件，由于其安装朝向与部位的要求，在不可能作为建筑外装饰的主要材料的前提下，光伏组件的颜色与质感需与整座建筑协调。
2.9.2强度与抗变形的能力21tyn
当光伏组件与建筑集成使用时，光伏组件是一种建筑材料，作为建筑幕墙或采光屋顶使用，满足建筑的安全性与可靠性。光伏组件的玻璃需要增厚，具有一定的抗风压能力。同时光伏组件也需要有一定的韧性，在风荷载作用时能有一定的变形，这种变形不会影响到光伏组件的正常工作。21ty
cn2.9.3透光率21tyn.c
在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。21tyn·c
om2.9.4尺寸和形状
目前大部分的光伏组件的设计为用于光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一。用于BIPV的光伏组件产品。必须考虑到建筑的的多样化与个性化，一般正规的方形很难满足特殊造型的需求，这方面需要光伏组件的设计生产单位对光伏组件的制作工艺的进行进一步的提高。
2.9.5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，不能与建筑同寿命而且EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量。BIPV光伏组件宜采用PVB或SGP代替EVA制作能达到更长的使用寿命。
图2.9.5-1双玻璃光伏组件结构示意图
图2.9.5-2双玻璃光伏组件PVB胶片(破而不穿) 图2.9.5-3双玻璃光伏组件EVA胶片(破则穿透)
2．9．6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，只呈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，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。或者采双层外循环系统的幕墙形式。
2．9．7光伏组件安装方便的要求曰PV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。
2．9．8对PV板的技术要求：
1.避免阴影落在PV板上，这样会大大降低PV板的工作效率。
必要时宜进行阴影模拟设计。图2.9.6为一案例。
图2.9.6-1台湾屏东地区PV板阴影模拟
图2.9.6-2
2.在PV板的背而需要有良好的通风，因为单晶硅和多晶硅太阳电池组成的PV板在20℃左右时效率最高，但是非晶硅PV板则影响很小。
3.尽管PV板的使用寿命可达20年，但是应该考虑到局
部损坏更换时不会影响整个系统的正常运行，这就要求在设计时应该考虑更换的可能性和留有扩容的余地。
4. PV板放置的位置应尽量避免灰尘，表而集灰尘过多也会降低PV的工作效率。在设计时应使PV板保持定的倾斜度，利于雨水冲刷保持洁净。
5.尽量使PV板易于连接，为PV板的连线留有介适的位置，使其避免日晒和雨淋，以免减少连线的使用寿命。
6.规划师、建筑师和用户在建筑新建或改建过程中尽量为PV板的使用创造条件。只有在取得经济效益的同时合理地解决PV板在建筑使用中的美观和艺术。
2.10光伏建筑一体化的系统工作原理
光伏建筑一体化主要是光伏发电系统通过光伏组件用于建筑屋顶（光电屋顶）、墙面（光电幕墙）、遮阳（光电遮阳板）来获取电能的一种方式，其工作原理如图2.9。光伏系统工作时，安装在建筑物上光伏组件产生直流电源，通过接线盒与逆变器连接，将直流转换成交流，给建筑物负载供电或给建筑物以外其他负荷供电。光伏建筑一体化的发电主要有两种方式，一种是独立的供电系统，即所发电能直接用于建筑物内部分负载，过剩时采取蓄电池储存。
图2.9-1光伏建筑一体化原理示意图
图2.9-2光伏建筑一体化系统图
2.10光伏建筑一体化系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。带有蓄电池的可以独立运行的PV系统是独立光伏系统。并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网馈送电力的光伏发电系统。从长远的角度来看，并网光伏发电系统更有优越性。因此，建筑物光伏市场正在或即将从独立发电系统转向并网发电系统。
图2.10-1独立发电系统
图2.10-2并网发电系统
（三）非晶硅薄膜电池在光伏建筑一体化的优势；
3.1太阳能电池产品主要分为晶体硅电池、薄膜电池两类：前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种，占据全球该行业绝大多数的市场份额；后者主要包括非晶硅电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池等，转换效率比晶体硅电池低，目前市场份额较小。(图-3.1、图-3.2)
图-3.1 太阳能电池产品分类
3.2从市场前景来看，薄膜电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设等方面的应用，将比传统的晶体硅电池更为广阔。
以上几类光电池，按照各自不同的特点，有各自最为适合的使用范围，单晶硅电池和多晶硅电池可以用于建造独立的光伏电站。晶体硅太阳能电池仍占有大部分的市场,但其成本下降的空间有限，而薄膜太阳能电池不仅成本下降的空间较大，转换效率也在迅速提升，在电力供应市场和光伏建筑一体化方面,薄膜太阳能电池都占有举足轻重的地位。
图3.2-1薄膜光伏电池
薄膜(Thin film) 光伏电池, 其薄膜厚度一般在2～3μm。其中包括硅薄膜型(主要包括多晶硅、非晶硅和微晶硅)、化合物半导体薄膜型：主要包括非结晶型(a-Si:H ,a-Si:H: F, a-Six-Gel-x:H等)、III-V族(GaAs,InP等)、II-VI族(Cds系)和磷化锌(Zn3 P2)等、新材料薄膜型电池(主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池）。相同条件下非晶硅(a-Si)薄膜电池年发电量多于其它硅电池，（图3.2-2）技术具有提供最低的每瓦组件成本的优势，将有望成为第一个达到电网等价点的太阳能技术。
图3.2-2
由于原材料短缺，在单晶硅和多晶硅太阳能电池的发展速度受到限制的情况下，新型薄膜太阳能电池发展尤为迅速。有资料显示，美国薄膜电池的产量已经超过了多晶硅和单晶硅电池的产量。薄膜技术会越来越成熟，在未来的市场份额中将大比例提升。据行业分析公司 NanoMarkets预测，薄膜太阳能电池2015年的发电量将达到26GW，销售额将超过200亿美元，太阳能光伏建筑一体化电池发电量的2/3以上将来自薄膜太阳能电池。CIS、CIGS、CdTe薄膜型电池製程技術相當複雜，設備需自行開發，導致高額成本。銦（In）及鎵（Ga）元素，在地球上的蘊藏量有限。將來也有可能和現在的矽材一樣，發生材料短缺。加之性能長期穩定尚待確認，CdTe薄膜型电池会产生鎘污染等不足之处影响其推广应用。在光伏建筑一体化市场非晶硅(a-Si) 薄膜电池比其它薄膜电池更有应用优势。预计在未来薄膜电池市场中非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)三种电池将分别占到薄膜光伏市场的70%、20%和10%。
3.3非晶硅(a-Si)在光伏建筑一体化应用上应用优势：
3.3.1硅材料少和制造工艺成本低。
非薄膜硅电池厚度为200μ，非晶硅(a-Si)薄膜厚度硅仅有0.3μ，两者相比为1/600，（见图3.3.1），昂贵的纯硅材料用量很少。製造成本低。生产工艺简化，能耗低，衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等价格低廉。每平米的造价约低于非薄膜硅电池40%左右。
3.3.2易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作持大面积非晶硅a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。
图3.3.1
3.3.3易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作持大面积薄膜的a -Si；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。
3.3.4品种多，用途广。薄膜的a-Si太阳电池易子实现集成化。器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以方便地制作出适合不同需求的多品种产品。灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合用于建筑物的安装。
3.3.5光吸收率較高，低照度下或漫射光也可以有吸收能力，
吸收光谱范围广，具备弱光发电的性能，这是由于光吸收系数高，暗电导，非晶硅材料的价带电子的能级较低，在太阳辐射强度很低时就具备了发电性能，也就是，该性能使得非晶硅薄膜电池受风沙、雨雪等天气的影响很小，年发电天数达320天左右，日发电最长时间可以从早上6点延续到晚上7点。日发电达到13小时左右。系统能吸收较大范围的光谱，从而保证能在阴雨天气连续发电。生活不会受到天气的影响。（见图3.3.4-1，图3.3.4-2、图3.3.4-3）相同功率的電池年均發電量比晶體硅多發約15%的電。
图3.3.4-1非晶硅与晶体硅充电测试比较（每日时段值）
图3.3.4-2
图3.3.4-3
3.3.5非晶硅有不透明材質的，也有透明材質的。透明材質的非晶硅在透光性能上要優於傳統晶體硅，像我們一般用在光伏建築一體化中的玻璃幕牆，傳統的晶體硅玻璃幕牆是由晶體硅方片組成的，這就使得它存在很大的缺陷，使得人們從裡面看到的景致都是一塊一塊的，而不是完整的。而非晶硅玻璃幕牆可以通過調整鐳射使光線把中間的距離擴大，這樣它的透光率就可以自由的調整，有透光10%、15%，20%，甚至達到70%，這樣人們就可以從裡面看到完整的景色，非晶硅电池自然采光室内效果，光线柔和舒适，可以替代一部分傳統建材。
图3.3.5非晶硅电池自然采光室内效果，光线柔和舒适，
3.3.6由于a-Si材料的先带隙比单晶硅和多晶硅宽，因此a-Si太阳电池的功率输出不明显依赖电子温度。在实际工程运用之中，承受的工作温度晶体硅要高。
图3.3.6
图3.3.6为晶体硅电池与非晶体硅电池受温度的影响功率下降的分布示意图。取在标注条件检测均为100W的电池，a-Si（amorphous Silicon）非晶硅电池使用温度上升到70℃时，功率下降
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