求太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)？？

太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)摘要：本文通過介紹光伏建筑一體化，以引起業(yè)界人士對太陽能利用的廣泛關(guān)注。文中分別對光伏屋頂和光伏幕墻鋪設(shè)太陽電池板發(fā)電形式和特點進(jìn)行分析，以期不斷擴大太陽能的應(yīng)用范疇。

巨大能源的太陽東升西落，成為匆匆過客未被人們充分利用。若在世界陸地的0.5％面積（恰為中國城鎮(zhèn)占地之和）上安裝太陽電池，將能供應(yīng)全球所需能源，所以找宇宙要效益索取太陽能是當(dāng)務(wù)之急。我國太陽能資源的數(shù)量、分布的普遍性、供應(yīng)的清潔性、技術(shù)的可靠性都優(yōu)越于風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等可再生能源。目前大量能源消耗難以面對，專家估計，再過50年，全世界可再生能源比例將＞50％的總一次能源，其中太陽能可占到13％～15％十分可觀。所以加大光伏發(fā)電力度刻不容緩。

1 光伏發(fā)電利用范疇1.1 充分利用太陽光目前國內(nèi)外許多建筑光學(xué)工作者指出，首先應(yīng)掌握太陽能日照量三要素：季節(jié)，夏季日照量最高，冬季最低。天氣，正午日照量最高，晴、陰雨天則相應(yīng)降低。方位，以正南向效率為100％，則東西向為82％，北向為50％的輸出量。但在實際應(yīng)用中，太陽電池方陣輸出降低的原因很多，如日照量的多少，太陽電池鏡面污垢產(chǎn)生的程度，溫度上升及轉(zhuǎn)換器損失等。加上太陽能控制器損失的5％，總發(fā)電容量為設(shè)置容量的85％～95％；其次是發(fā)電量估算：太陽電池容量=太陽電池最大輸出×設(shè)置數(shù)量。如以最大輸出功率50W太陽電池為例，設(shè)置20片時，則其輸出容量=50W×20=1kWp，表1示某市7月底的光伏發(fā)電量。表1 夏季南向日發(fā)電量時間/h0～678910111213141516171819～200～24發(fā)電量/kWh00.30.911.622.11.91.81.510.70.2015.11.2 太陽能應(yīng)用多樣化從收集到的有關(guān)資料來看，歷年的成果涵蓋許多方面。近年來涉及的領(lǐng)域又有了發(fā)展。分別為太陽能光伏建筑一體化、光伏電站、光伏照明和光伏設(shè)施等方面的設(shè)計及應(yīng)用。

2 太陽能光伏建筑一體化2.1 基本概念2.1.1 定義光伏幕墻（屋頂）是將傳統(tǒng)幕墻（屋頂）與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合的一種新型建筑。換句話說，主要是利用太陽能發(fā)電的一種新型、綠色的能源技術(shù)。光伏與建筑相結(jié)合的進(jìn)一步目標(biāo)，是將光伏器件與建筑材料集成化。通常建筑物墻面多采用馬賽克、涂料等材質(zhì)，為了美觀，還以價格較高的玻璃幕墻達(dá)到保護(hù)和裝飾的雙重目的。若能將屋頂、向陽的外墻、窗戶都由光伏器件取代，則既能作為建材使用又能發(fā)電，可謂一舉兩得。當(dāng)然，對太陽電池組件來講，還需具有絕熱保溫、電氣絕緣、防水防潮、強度、剛度和不易破裂等性能。2.1.1.1 光伏幕墻（屋頂）設(shè)計除了需要考慮太陽電池、光組件、導(dǎo)線、逆變器和整流器等因素以外，還必須保證對建筑幕墻（屋頂）安全等功能的落實。其性能指標(biāo)參數(shù)在滿足有關(guān)的國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，并使其具備上佳使用效果，還要注重其安裝朝向。一般來說，太陽電池板應(yīng)裝在樓群中接受光照時間長的那些部位，如女兒墻、墻楣（屋頂）等；通常選擇幕墻面朝南、東南和西南之間，在一定條件下亦可東向和西向。太陽電池板還可作為固定的遮陽板（頂棚）之類的材料。既可得光能，又易散熱，可謂最佳組合。特別值得注意的是，要把光伏和傳統(tǒng)建筑有機地結(jié)合在一起，合理選擇其結(jié)構(gòu)形式和布局，使其最終達(dá)到既利用了太陽能，又能滿足性能要求及人們的感觀滿意程度。2.1.1.2 光伏建筑特點（表2）是一種集發(fā)電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能為一身的新型功能性建筑，它不但突破了傳統(tǒng)建筑以消極的辦法減少能量損失，而是積極利用光伏技術(shù)，把以往被當(dāng)作有害因素被屏蔽掉的太陽光，轉(zhuǎn)化為被人們利用的電能，而且還是一種潔凈能源。還充分考慮了太陽電池板的電能轉(zhuǎn)化工藝、結(jié)構(gòu)和安裝的電氣絕緣性，將幕墻和光伏技術(shù)有機地結(jié)合。如將接線端子排裝在幕墻橫、豎縫的不可見內(nèi)腔，便于拆卸維護(hù)，電路布線的穩(wěn)固、快捷。即使遇到雨雪等惡劣天氣，也不致于出現(xiàn)漏電、短路等問題，讓指標(biāo)達(dá)到國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。表2 光伏建筑一體化特點序號優(yōu)勢備注1太陽電池組件是一種固態(tài)裝置，能將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能勿需轉(zhuǎn)動零件、燃料，不會產(chǎn)生污染2已經(jīng)證實太陽電池組件的預(yù)期壽命長可達(dá)30年3太陽能光伏系統(tǒng)已被成功地應(yīng)用于成千上萬棟建筑上含小型、中型、大型等案例4太陽電池組件呈模塊化，是一種分散式的電力生產(chǎn)裝置不是大型集中式的發(fā)電廠5偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽電池是一種符合改善成本的現(xiàn)實選擇傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)輸配電線路價格昂貴6建筑屋頂（幕墻）可以為光伏系統(tǒng)提供大量面積，尤其在人口密集地指不要占用額外昂貴的土地7安裝在建筑物上的太陽電池方陣，省去各類支撐構(gòu)件無需多余的基礎(chǔ)設(shè)施8直接向電網(wǎng)輸送電力，省去一系列輸配電費用減少各級別傳輸線路的電壓損失9能夠在供電尖峰時刻提供足夠的電力以適時降低該緊急時段的電量需求10完全可能取代傳統(tǒng)的建筑材料使光伏系統(tǒng)擔(dān)負(fù)起雙重角色11有效地減輕對環(huán)境的光污染造福于人類12以多種創(chuàng)新的方式，渲染獨具魅力的建筑外觀使建筑物更加完美、潔凈13配備蓄電池后，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)確保自身用電還能夠滿足用電設(shè)施的不間斷供電要求注：利用太陽能，不僅可以滿足建筑能源供應(yīng)的需求，實現(xiàn)建筑物的0排放，而且可以使每棟建筑都成為小型分散的網(wǎng)絡(luò)電力生產(chǎn)者。2.1.2 光伏與建筑相結(jié)合從20世紀(jì)50年代太陽電池的空間應(yīng)用，到今天的太陽能光伏集成，世界光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了半個世紀(jì)的歷程。隨著太陽電池組件成本的不斷下降，光伏市場發(fā)展迅速。特別值得一提的是，光伏建筑的并網(wǎng)發(fā)電，2002年并網(wǎng)發(fā)電占總光伏應(yīng)用的51％，已成為最大的光伏市場。2.1.2.1 結(jié)合形式光伏建筑幕墻（屋頂）的有機結(jié)合稱為光伏建筑一體化（圖1），它有明顯的優(yōu)勢。在國外，又細(xì)分成建筑與屋頂集成（BIPV）和光伏在屋頂附著（BAPV）的兩種設(shè)計。當(dāng)光伏方陣安裝在建筑物上時，對光伏系統(tǒng)生命周期等有非常大的影響，如其造價可占到總成本的10％～40％。以往，大多數(shù)光伏屋頂系統(tǒng)的安裝都是千篇一律的傳統(tǒng)模式。而現(xiàn)在，越來越多的工程技術(shù)人員都能根據(jù)屋頂形式、安裝材料和選用組件的不同等進(jìn)行特殊優(yōu)化構(gòu)想，有效地減少了材質(zhì)、勞動力等成本。把特制的光伏組件作為傳統(tǒng)建材的一部分，致使建筑具有很大的吸引力。（1）系統(tǒng)在設(shè)計、安裝階段和確定最佳方案策略時，需要考慮很多相關(guān)問題。分清BIPV與BAPV的區(qū)別：前者是將光伏方陣作為建筑材料結(jié)構(gòu)的功能部分，包括用太陽電池組件取代傳統(tǒng)的屋頂材料等；后者則是在完整的建筑物上增加光伏方陣，這種施工（制造）成本高（低）于前者。圖1 光伏建筑一體化形式（2）結(jié)合工程規(guī)模方面，對于小型工程計劃，20kWp建筑一體化并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。所需面積200m2，總造價約100萬元；中型計劃，40kWp建筑一體化并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，所需面積400m2，總造價約200萬元；大型計劃，100kWp的建筑一體化并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，所需要面積1000 m2?？傇靸r約500萬元。2.1.2.2 光伏屋頂太陽電池方陣與建筑采取適宜地結(jié)合，會收到很好的效果。圖2形象地示出光伏屋頂發(fā)電的電池組件、控制器、逆變器和蓄電池等部分的所在位置。下面以揚中設(shè)計建造的獨立式光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)為例，展現(xiàn)光伏建筑一體化的成果及優(yōu)勢，見圖3。并講述其屋頂發(fā)電系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。（1）組裝要根據(jù)屋頂?shù)拿娣e、傾角，選擇適當(dāng)組件型號和系統(tǒng)功率，同時確定其安裝方式。經(jīng)過實測，屋頂朝向正南，其傾角為35°正好符合光伏系統(tǒng)的安裝方向和傾角。根據(jù)屋頂實際尺寸，選擇160Wp組件（1 580mm×808mm×50mm）16塊，系統(tǒng)功率160Wp×16=2 560kWp，組件排列成4行×4列，并與屋面保持40mm距離，以便于空氣流通、降低夏季組件的溫度，避免溫度過高而影響組件功率。太陽電池組件

圖2 光伏屋頂一體化圖3 光伏屋頂一體化框圖在屋面上預(yù)埋固定件，共計16只M16不銹鋼螺栓。通過L型連接件將固定組件的角鋼固定在螺栓上。并可以上下、前后調(diào)節(jié)，以確保其組件處在同一高度和同一水平線上。安裝時，預(yù)先將4塊組件配裝成一個整體，且牢固連線，將其固定于4只M16預(yù)埋螺栓上。用同樣的方法安裝其他連接件。與此同時調(diào)整好組件的高度和上下邊距離，保證形成一個整體。整個屋面整齊、美觀，實現(xiàn)了光伏與建筑完全一體化預(yù)期目標(biāo)。（2）光伏屋頂一般采用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)時這種方法在國內(nèi)尚未有大范圍使用。尤其在解決并網(wǎng)、電費計算等一系列政策問題前，多采用獨立光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)。其原則是，優(yōu)先用太陽能所發(fā)的電，當(dāng)供電不足時，再采用電網(wǎng)輔助供電。這樣既解決太陽能發(fā)電系統(tǒng)少投資，又能確保一年里全天候用電，是一種比較經(jīng)濟、實惠的方式。揚中這套住宅太陽能供電系統(tǒng)的負(fù)載為家庭日常用電，除空調(diào)系統(tǒng)外的所有用電都用太陽能。按照當(dāng)?shù)剌椪諚l件，該系統(tǒng)平均日發(fā)電5kWh，完全滿足家用電。光伏屋頂系統(tǒng)配置如下：蓄電池電壓下降至43.2V時，系統(tǒng)進(jìn)入過放保護(hù)，自動切換成電網(wǎng)供電；電池組件，經(jīng)對蓄電池充電后，它的電壓恢復(fù)到48V時，又自動從電網(wǎng)切換到太陽能供電。這樣，不論陰雨天用電量的多寡，都可確保年度全天候供電。2.1.2.3 光伏幕墻太陽電池方陣安裝在建筑幕墻上，則組成光伏幕墻。一般情況下，其立柱和橫梁都是采用斷熱鋁型材，除了滿足JGJ102規(guī)范和JG3035標(biāo)準(zhǔn)之外，剛度高一些為好，同時，電池方陣要能夠便于更換。