太阳能光伏发电系统在建筑中的应用

摘要：本文介绍了太阳能光伏发电系统的基本原理、分类，并介绍了太阳能光伏发电系统在建筑中的几种应用方式。

关键词：太阳能 光伏发电 建筑节能

随着世界能源危机的日益显现，节能建筑是世界建筑发展的趋向，代表太阳能应用最尖端、最有潜力的光伏发电将越来越多的应用于节能建筑。

1.太阳能光伏发电系统的工作原理

太阳能光伏发电系统是通过太阳电池将太阳能辐射能转换成电能的系统，包括太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器等组成。

1.1太阳能电池组件

太阳能电池组件是为系统提供电能的元件。它无需通过热过程直接将太阳能转换成电能，输出直流电。它由半导体材料制成，利用半导体材料的光生电压效应，把太阳能转换成为电能。

1.2蓄电池

蓄电池是系统中的储能元件， 在夜间或阴雨天保证向负载供电。有太阳时将太阳电池组件输出的电能储存起来，晚上或阴雨天将电能输出到负载。蓄电池是一种化学电池，它能将电能用化学反应的方式转化为化学能储存起来，又将化学能转化为电能释放出来。这种转化可以重复进行。

1.3控制器

控制器是系统中最重要的设备。它对系统的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载，另一方面把多余的能量送往电池组件储存。当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器自动控制蓄电池不被过充电。当蓄电池所存储的电能快放完时，控制器自动控制蓄电池不被过放电，以保护蓄电池。控制器的性能好坏，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。

1.4逆变器

逆变器是系统中的电源转换装置。由于太阳电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，必须将直流电转换为交流电才能满足需要。逆变器将直流电转换成220V、50Hz 交流电或其他类型的交流电，供给交流电用电设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。

2.光伏发电系统分类

光伏发电系统与公共电网的连接方式，光伏发电系统可以分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。

2.1离网光伏发电系统

光伏发电系统不与公共电网相连而独立供电的太阳能光伏发电系统称为离网光伏发电系统。如图1所示，离网光伏发电系统主要包括光伏阵列、蓄电池组、控制器、逆变器等构成。

离网光伏发电系统主要应用于远离公共电网的的无电区和一些特殊场所，如为偏远的农村提供生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标公路道班以及边防哨所提供电源。

2.2并网光伏发电系统

光伏发电系统与公共电网连接且共同承担供电任务的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。利用光伏阵列将太阳能转换成为直流电能，通过并网逆变器将直流电转换为50赫兹、220/380V的交流电并入电网。并网光伏发电系统有太阳能电池方阵、并网逆变器等组成。

并网光伏发电系统分为开阔地大型并网光伏发电系统和建筑光伏发电系统两种应用形式。在开阔地建设大型并网光伏发电系统，其规模通常在千瓦级、兆瓦级，甚至达到千兆瓦级，可集中在我国西北的荒漠、荒地太阳能充足的地区，电能经过DC/AC变换、升压，并入高压输电网。

3.建筑光伏发电系统

建筑光伏系统可以分为建筑附加光伏系统（BAPV）和建筑集成光伏系统（BIPV）两种。

建筑附加光伏系统（BAPV）把光伏系统安装在建筑的屋顶或外墙上，建筑物作为光伏组件的载体，起到支撑作用。光伏本身并不作为建筑的构成，也就是说，如果拆除光伏系统后，建筑物仍能正常使用。

建筑集成光伏系统（BIPV）是指将光伏系统与建筑物集成在一起，光伏组件成为建筑结构不可分割的一部分，如光伏组件与屋面一体化、光伏组件与幕墙一体化、光伏瓦、光伏与遮阳装置一体化等；如果拆除光伏系统则建筑本身就不能正常使用。把光伏组件做成建材，必须具备建材所要求的几项条件，如坚固耐用、保温隔热、防水防尘、适当的强度和刚度等性能。建筑集成光伏系统是建筑光伏系统的更高级应用，光伏组件既作为建材又能够发电，一举两得，可以部分抵消光伏系统的成本，有利于光伏系统的推广。

建筑光伏的几种应用形式如下：

（1）光伏组件与建筑屋顶一体化

由于建筑屋顶是太阳光直射区域，日照时间最长、太阳能辐射强度最大，因此在屋顶安装光伏组件最能充分利用太阳能；光伏组件与屋顶一体化设计，可以减少在高层建筑中风对光伏组件的影响；光伏组件材料吸收太阳能，屋顶无需隔热材料。因此，与建筑屋顶一体化的大面积光伏组件的使用，不但节约了成本，还美观了建筑，更有效的利用了屋顶的复合功能。

太阳能瓦是光伏组件与屋顶的另外一种一体化形式。它可以像瓦片一样直接铺在屋面上，不需要安装任何支架。太阳能瓦的创新之处在于使光伏系统和建筑屋顶成为一体，达到了真正的建筑一体化。

（2）光伏组件与墙体一体化

除屋顶外，建筑物与太阳光接触最多的就是外墙。可采用各种墙体构造和材料，将光伏组件布置在建筑物的外墙上，来合理的利用外墙接收的太阳光。这样不但可以利用太阳能发电，而且还能有效降低建筑墙体的温度，降低建筑室内空调冷负荷。

（3）光伏幕墙

光伏幕墙将光伏组件集成到玻璃幕墙之中，突破了传统玻璃幕墙的单一维护功能，把被当作有害因素而屏蔽在建筑物表面外的太阳光，转化为电能被人类利用，同时这种复合材料不多占建筑面积，使建筑物更显美观。

（4）光伏组件与遮阳装置一体化

光伏组件与遮阳装置的一体化是在不影响建筑美观的同时又合理的利用太阳能，真正实现了建筑节能、环保的设计理念。可应用在一般建筑和停车场中。

4.结束语

本文通过对太阳能光伏发电系统的原理及在建筑中的应用研究，更为深刻的显示发展利用可再生能源是当今世界必走的能源之路，只有这样才能最大限度的降低环境污染，节约非可再生能源。

参考文献：

[1]崔荣强. 并网型太阳能光伏发电系统[M]. 北京：气象出版社，2005.4

[2]2009年光伏建筑一体化（BIPV）行业研究报告[J].中国标准化, 2010