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太阳能光伏幕墙(屋面)系统技术

发布时间:2013年02月25日 点击数: 字号:
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成果主要完成人员名单:   成果验收日期:  2013-02-25
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知识产权内容:  
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成果简介

1光伏幕墙(屋面)系统技术概述

1.1 光伏幕墙(屋面)系统技术主要原理

太阳能光伏幕墙(屋面)系统即为BIPV的最好模式,它为一光电转换技术、光伏幕墙构造技术和电能储存和并网技术等多学科结合的综合集成系统。

光电转换技术是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。以此技术为基础,人们研发了各种太阳能电池。主要的太阳能电池有:晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、硒光电池、化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池等。目前在建筑上用的主要为晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池与非晶硅太阳能电池的主要性能见表一:

表一    晶体硅太阳能电池与非晶硅太阳能电池的主要性能

类 别

性 能

晶体硅

非晶硅

原子排列

单一、有序

长程无序、短程有序

能级

单一

多能级

稳定性

10年衰减10%,一年衰减1%

1年内衰减20%后稳定

原材料制备

籽晶拉硅棒

PECVD

转换效率

商用14-17%

单结5-8%,多结8-11%

适应环境

适应强光环境

适应强光、弱光、散射光

相对来说,晶体硅(单晶和多晶)太阳能电池板光电转换效率高,光电转换效率达14%17%,适宜于安装在有较强直射光的建筑屋面或立面,价格高。非晶硅太阳能电池板光电转换效率要低些,光电转换效率为5%8%,但它能较好的利用散射光进行电能转换,所以它适宜安装的建筑面相对更多,发电时间较长,价格也较晶体硅太阳能电池板便宜。

光伏幕墙(屋面)系统除了具备发电功能之外,同时还具有抗风压性能、水密性能、气密性能、隔音性能、保温和遮阳性能等建筑外围护所必需的性能和独特的装饰功能。达到建筑围护、建筑节能、太阳能利用和建筑装饰多种功能的完美结合。

光伏幕墙(屋面)系统供电方式有独立式和并网式两种。独立式供电方式是将太阳能光伏幕墙系统所发出的电能储存到电池组,转换成化学能,然后从电池组把化学能转换为直流电,通过逆变器变换为交流电独立输出供给低压负载。并网式供电方式直接将太阳能光伏幕墙系统所发出的直流电通过逆变器变换产生的交流电向电网发送电能,或者与电网端接同时输出到低压负载。

1.2 技术性能指标和技术特点

1.2.1 太阳能光伏幕墙(屋面)系统主要技术性能指标见表二:

表二    太阳能光伏幕墙(屋面)系统技术性能指标

产品类型

单晶硅

光伏幕墙(屋面)系统

多晶硅

光伏幕墙(屋面)系统

非晶硅

光伏幕墙(屋面)系统

光电转换效率

14%~17%

14%~17%

5%~8%

抗风压性能

按设计要求,最高可达9级(P35.0)。

水密性能

按设计要求,最高可达5级(ΔP2000)。

气密性能

按设计要求,最高可达4级(qA5.0)。

透光性能

不透光,在需要透光时可采取间隔布置硅片的方式,但每平米发电量将相应减小。

有透光和不透光可供选择。

适用性

适宜于安装在有较强直射光的建筑屋面或立面。

能较好的利用散射光进行电能转换,所以它适宜安装的建筑面相对更多,发电时间较长。

         

注:因目前我国暂无光伏建筑一体化的相关标准,上表中光伏幕墙(屋面)系统的抗风压性能、水密性能和气密性能分级按现行国家标准GB/T21086-2007《建筑幕墙》的要求。

 

1.2.2 太阳能光伏幕墙(屋面)系统具有以下技术特点:

1)是无污染的绿色可再生能源,减少常规发电所带来的环境污染,有利于环境保护;

2)将建筑立面围护、节能、太阳能转换多种功能的完美结合,无需占用土地资源;

3)原地发电,原地使用,减少了电力输送的损耗;

4)在白天用电高峰期供电,舒缓高峰电力需求;

5)维修保养简单,维护费用低;

6)运行可靠性,稳定性好;

7)作为关键部件的太阳电池使用寿命长,晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上;

8)根据需要很容易扩大发电规模;等等。

2适用范围和应用情况

2.1适用范畴与应用条件

全国各地的年太阳辐射总量为3340-8400MJ/m2,中值5852MJ/m2。从全国太阳能辐射总量的分布来看,青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带的年太阳能辐射总量都在5000MJ/m2以上,是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。尤其以青藏高原地区最高,达6000-8000MJ/m2。 这些地区的城市建筑都是太阳能光伏幕墙(屋面)系统非常适宜使用的地方。

太阳能光伏幕墙(屋面)系统可设置于建筑屋面或光照较好的建筑立面,达到太阳能转换、建筑围护、节能和装饰多种功能的完美结合。

2.2应用情况与效果

目前各地都建有一些太阳能建筑光伏一体化的示范工程,如在深圳已建成的1兆瓦并网太阳能光伏电站示范工程位于"园博园",是目前全亚洲第一大并网光伏电站, 由深圳市政府投资6600万元,200468开工建设,2004年8月30建成发电,整个电站分布在园区综合展馆\花卉展馆\游客服务管理中心\南区游客服务中心\北区东山坡五个区域.该电站总容量1000.322KWP,年发电能力约为100KWh, 所发的电量约占园区用电总量的15%,相对于火力发电,年节省标准煤约384,年减排二氧化硫约7.68,年减排二氧化碳170余吨,是真正的无污染的绿色可再生能源项目,它的成功实施为我国太阳能技术的发展起到良好的示范作用。再如:河北保定电谷大厦(现称电谷锦江国际酒店)太阳能光伏玻璃幕墙,其地下一层,地面以上24层,总高度92.2,幕墙装饰工程总面积约24500m2,其中光伏玻璃幕墙面积约4490m2。建筑用途为五星级酒店,是保定电谷广场1.5MW太阳能光伏发电建筑应用示范工程项目的一部分。是世界上第一座应用于五星级酒店上集建筑和光伏发电于一体的BIPV建筑,是目前世界上单体建筑采用光伏玻璃幕墙面积最大的一座酒店,同时也是第一个应用太阳能光伏玻璃双层幕墙的五星级酒店。本幕墙工程总共使用这种电池板约96000片,建成后整体并网安装容量300KWP

 

 

2-1

本项目太阳能光伏应用系统投入使用后,预计年发电能力约为34万千瓦时,按照目前中国火电厂的煤耗,每年可节省标准煤约136吨,年粉尘减排量约2.2吨,年灰渣减排量约0.79吨,年二氧化碳减排量约99吨,年二氧化硫减排量约3吨,是真正的无污染的绿色能源。

3经济和社会效益分析

3.1 经济效益分析:

丰富的太阳能是未来重要的能源。在当前全球不可再生能源日益紧缺和环境污染日益严重的现状下,全世界的人们都将目光转向了太阳能利用上。光电幕墙的最大优点在于,达到建筑围护、节能、太阳能利用多种功能的完美结合,使建筑物自身利用太阳能资源生产电力。它不需燃料,不产生废气,无余热,无废渣,无噪音污染。所发电力可供建筑大厦使用,减少了大厦的用电费用,同时在白天用电高峰期供电,舒缓高峰电力需求。在国外还可将多余的电卖给电业局。在我国,随着对可再生能源的利用力度的加大,相信各地太阳能光伏发电并入电网的相关措施和收购价格标准也将陆续出台。同时随着全球能源短缺和原油价格的飞涨,采用常规矿物能源发电的成本正在快速上升。因此,虽然从目前来说,因光伏幕墙产品造价相对较高,眼下单纯从经济效益分析可能并不合算。但按照目前的传统发电成本的上升趋势和光伏发电成本随着技术的发展和用量的增加所带来的下降,相信用不了几年,光伏发电成本就有可能接近甚至低于传统发电成本。到那时,光电幕墙的经济效益就会突现出来。

3.2社会效益分析:

由温室气体排放引起的全球气候变暖问题越来越受到全球的高度重视。气候变暖已使全球自然灾害发生的频率和烈度不断增加,像厄尔尼诺和拉尼娜现象就与气候变暖有密切关系。《经都议定书》中规定消减排放的6种温室气体是二氧化碳、甲烷、氮氧化物以及其他3种用于取代含氯氟烃。《经都议定书》规定,到2010年,所有发达国家排放的6种温室气体的数量,要比1990年减少5.2%,其中美国减少7%,欧盟减少8%,日本减少6%。包括中国和印度在内的发展中国家依照“共同但有区别的责任”的原则,制定自愿消减温室气体排放目标。

使用太阳能光伏发电替代部分常规矿物能源发电,有利于减少上述资金的投入,而用太阳能光伏发电100千瓦时,可省油26升或省煤50千克,这也意味着少排放57千克的二氧化碳、71克的二氧化硫和75克氮的氧化物。间接地创造出显著的经济效益。它的社会效益应该说十分明显,为全社会所共识。

4 市场前景和技术发展预测

4.1市场前景

由于太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例,国际社会十分重视,许多国家相继制定了本国的屋顶光伏计划。如美国和欧盟都制定了百万屋顶光伏计划,即到2010年美国和欧盟都将有百万屋顶装有太阳电池板并网发电。日本通产省也宣布到2010年光伏发电装机容量达到5GW,主要用于屋顶光伏并网系统。我国也在2006年正式实施《可再生能源法》。在光伏系统建设方面,我国一些相关的研究部门和产业部门也纷纷提出有关计划,比较有影响的是中国科学院电工所等单位提出的青海敦煌8MW大漠光电,并已经进行了有关调研和论证工作。为了迎接2010年世博会,上海交通大学太阳能研究所提出了上海10万太阳能屋顶计划。无锡、苏州等地有关单位也在策划有关光伏推广计划。广州中山大学太阳能系统研究所已经向有关部门提出了在广州发展1万光伏屋顶计划的建议,并正在策划广东10万太阳能屋顶计划建议。随着这些计划的推进实施,必将掀起中国太阳能光伏幕墙(屋面)系统的开发应用热潮,大大促进光伏幕墙(屋面)系统的发展及推广应用。

同时,从成本的发展趋势来看,传统的发电成本将会逐年增长,而太阳能发电成本随着技术的发展和应用的推广,其成本势必会有较明显的下降。因此,光伏幕墙(屋面)系统产业在未来几年市场发展潜力巨大。

4.2 技术发展预测:

1)光电转换率有望进一步提高:目前我国实验室晶体硅光伏电池的效率已达21%,可商业化光伏组件效率达1415%,一般商业化电池效率1013%。通过改进现有的制造工艺,开发新颖电池材料等方式提高光电转换效率。

2) 生产成本下降:随着太阳能光伏电池转换效率的进一步提高、技术的逐步成熟和应用量的大幅提升,目前我国阳能光伏电池生产成本有逐步下降的趋势。

3)各类薄膜太阳电池和其他新型太阳电池进一步发展。这方面的研究是大幅度降低太阳电池成本,并同时提高电池效率的希望所在。

4)实用产品研发逐步发展、成熟:在当前建筑节能已成为我国建筑领域一项战略性任务的背景下,光伏幕墙(屋面)系统这一有效利用可再生能源的幕墙系统的开发和推广应用已变得越来越必要和紧迫。

5建议

    建设行业应该很好地利用光伏幕墙(屋面)系统的良好发展机遇,加大推广太阳能光伏产品的应用普及力度,鼎立支持太阳能光伏产品的研发,全面推动光伏幕墙(屋面)系统的发展及应用。具体建议如下:

5.1制订发展计划

为了卓有成效地发展我国的光伏建筑一体化产业,必须制定有关短期、中期、长期发展目标。学习、借鉴国外的先进经验,制定我国太阳能利用发展计划。

5.2 出台相关的鼓励政策

目前,太阳能光伏幕墙(屋面)系统发电单从成本的角度来看相对较为昂贵,如果不考虑传统发电的对环境污染等隐性的环保成本,光伏幕墙(屋面)系统发电实际成本远高出传统发电成本。要在我国大规模推广应用,一方面需期待太阳能光伏发电的成本接近传统发电成本,而对近期来说,更多的将依靠政府的政策扶持,制订适合我国的太阳能发电鼓励政策。可采取德国和日本等国的相应办法,即:政府采取上网电价补贴政策。并可通过银行贷款政策,鼓励建设单位更多的采用建筑光伏发电技术,促进我国光伏行业的市场化发展。

5.3 加强技术研究 

加强太阳能光伏建筑材料研究,通过改进现有的制造工艺、设计新的电池结构、开发新颖电池材料等方式降低制造成本,积极发展各类薄膜太阳电池和其他新型太阳电池,大幅度降低太阳电池成本,并同时提高电池效率。为大规模利用太阳能光伏发电创造条件;成熟、完善光伏玻璃组件量产层压工艺技术;开展光伏幕墙在建筑立面、采光顶、雨棚和屋面上的应用产品开发;进行光伏发电系统数据采集及通讯接口、显示设备的研究;进行太阳能光电并网发电系统的研究及电量上网的计量系统探索;为BIPV的运营政策和投资政策提供依据。

5.4 制定相应的标准、规范

尽快制定建筑优先利用太阳能和太阳能建筑一体化的强制实施条例;同时尽快制定实施相应的产品标准和工程技术规范。

5.5 建立示范

开展重点城市光伏幕墙(屋面)系统并网发电示范,争取在我国建立若干座MW级大型光伏幕墙(屋面)并网发电系统,为光伏幕墙(屋面)系统的大规模推广应用提供经验,同时为产品标准、规范的制定提供相应的技术支持,更好地促进我国光伏产业的稳定发展。