建筑工程中太陽能電池的應(yīng)用問題

能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前我國(guó)能源形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻，能源生產(chǎn)嚴(yán)重滯后于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求也逐漸增多，但是傳統(tǒng)能源已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要，必須要開發(fā)新能源。太陽能就是其中之一。本文首先論述了太陽能光伏電池的主要類型及特點(diǎn)，對(duì)比不同類型的太陽能光伏電池在建筑上的應(yīng)用情況，然后分析和總結(jié)了非晶硅電池在中空玻璃幕墻中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。本文是個(gè)人的一些觀點(diǎn)，可供參考與借鑒。

前言

隨著世界環(huán)境的惡化，越來越多的工程都在提倡環(huán)保節(jié)能，近年來，太陽能光伏發(fā)電已在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正迅速發(fā)展，加之國(guó)家出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)采用光伏技術(shù)和產(chǎn)品的政策，建筑幕墻行業(yè)在工程中采用光伏技術(shù)和產(chǎn)品的積極性不斷提高，光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用必將前景廣闊。建筑物是高能耗的代名詞，占全部能耗領(lǐng)域1/3以上，如何降低建筑物能耗成為節(jié)能減排和可再生能源利用的重要課題，太陽能電池片在建筑立面上的應(yīng)用有效地將二者結(jié)合在一起。建筑幕墻是建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，是建筑室內(nèi)與室外的屏障，其保溫性能的好壞，是整個(gè)建筑物節(jié)能與否的關(guān)鍵；建筑幕墻完全暴露于自然界中，充分接受著太陽光的熱輻射，如何利用大面積的建筑幕墻吸收太陽能發(fā)電，是可再生能源在建筑上利用的重要課題之一，同時(shí)，中國(guó)的建筑幕墻由20世紀(jì)90年代年產(chǎn)量500萬平方米～600萬平方米，迅速增長(zhǎng)到現(xiàn)在5000萬平方米～6000萬平方米，而且目前還在以10%～20%速度增長(zhǎng)，如果我國(guó)能夠在這個(gè)數(shù)量基礎(chǔ)上推廣使用10%左右光電幕墻，全國(guó)每年大約將有500萬平方米～600萬平方米光電幕墻產(chǎn)生，年產(chǎn)電能約50億千瓦時(shí)～70億千瓦時(shí)。相當(dāng)于5座～10座中型火力發(fā)電站，可以減排co2約30萬噸，按此推算，如果國(guó)家按十一五計(jì)劃發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，它將在我國(guó)的綠色、環(huán)保、節(jié)能方面產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。在建筑幕墻上推廣太陽能發(fā)電不但充分利用了建筑的豎向空間，而且不需要占用額外的建筑面積，節(jié)約了昂貴的土地資源。

一、太陽能光伏組件的類型分析與研究

1、太陽能光伏電池的分類。光伏組件是太陽能電池片經(jīng)過加工后的產(chǎn)品，太陽能電池按基本材料分為：晶體硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池，微晶硅太陽能電池，硒光電池，化合物太陽能電池，有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池等。目前在建筑物中使用的主要是晶體硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池，晶體硅電池又分為單晶硅和多晶硅電池，非晶硅電池又分為單結(jié)、雙結(jié)和多結(jié)電池。性能方面晶體硅電池電能轉(zhuǎn)換率可達(dá)12%～17%，但品種和顏色單一，可加工性差，弱光下不能發(fā)電，低緯度地區(qū)不適宜選擇；非晶硅電池轉(zhuǎn)換率較差，只有7%～10%，但可加工性好，對(duì)弱光和散射光適應(yīng)度高，適宜在低緯度地區(qū)和陰濕天氣較多地區(qū)選用。

2、非晶硅的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過美國(guó)的uni-solarsystemllc，energyphotovoltaiccorp、日本的kanektcorp、荷能源研究所等權(quán)威機(jī)構(gòu)證實(shí)，同樣功率的晶體硅和非晶硅太陽能電池陣列，非晶硅太陽電池比主要硅電池發(fā)電量多約10%，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①更強(qiáng)的弱光響應(yīng)：非晶硅電池在低光照射條件下，如陽光不太強(qiáng)的早晨、傍晚、陰天以及臨近建筑物遮擋，也能有穩(wěn)定電力輸出。②更優(yōu)異的高溫性能：當(dāng)電池的工作溫度升高時(shí)，兩種電池都會(huì)出現(xiàn)pm下降的情況，但下降幅度是不同的。它們都可以用下面公式進(jìn)行計(jì)算：pmeffec.=pm×[1+a（t-25℃）]其中：pmeffec.——為電池組件在t溫度工作時(shí)（am1.5，1000w/m2）的最大輸出功率；pm——為電池組件在25℃，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（am1.5，1000w/m2）的最大輸出功率；a——為電池組件的功率溫度系數(shù)（非晶硅太陽電池最佳輸出功率pm的溫度系數(shù)約為-0.19%，單晶硅、多晶硅電池最佳輸出功率pm的溫度系數(shù)約為-0.5%）。舉例說明：如果兩種電池的pm都是1000瓦，都在60℃的溫度下工作，這時(shí)晶硅電池的pm降到825瓦，非晶硅電池的pm降到933.5瓦。非晶硅電池多發(fā)電108.5瓦，相當(dāng)于多發(fā)電13.2%。③更佳的視覺效果：非晶硅電池顏色均勻，投影柔和。由于晶體硅電池板成塊狀且不透光，嚴(yán)重影響室內(nèi)的采光和室外的立面效果，因此目前多應(yīng)用于屋頂，難以在建筑物外立面上推廣。通過對(duì)比可以看出非晶硅電池板有視覺效果上的明顯優(yōu)勢(shì)。④更小的遮擋功率損失：太陽能電池與建筑的結(jié)合，不可避免的會(huì)受到些遮擋。遮擋對(duì)于晶體硅太陽能電池發(fā)電量影響很大，對(duì)于非晶硅的影響會(huì)小得多。一塊晶體硅太陽能電池組件被遮擋了1/10的面積，功率損失將達(dá)到50%；而非晶硅受到同樣的遮擋，功率損失只有10%。因此，如果太陽能電池不可避免的會(huì)被遮擋，應(yīng)當(dāng)盡量選用非晶硅電池。⑤更可觀的經(jīng)濟(jì)效益：非晶硅組件的厚度為3微米，輕便和節(jié)省，適合未來建筑一體化發(fā)展的需要；晶體硅電池的厚度為300微米，制作加工成幕墻組件比較困難，不易封裝，成品率低。非晶硅太陽能電池原料豐富，使用量少，價(jià)格只有晶體硅一半左右。

二、太陽能光伏組件在建筑上的應(yīng)用問題分析與研究

太陽能光伏組件按太陽能電池的類型可分為晶體硅太陽能光伏組件和非晶硅太陽能光伏組件。

1、晶體硅太陽能光伏組件主要應(yīng)用在建筑屋頂和不需要采光的外墻面。晶體硅在光澤度，顏色及質(zhì)感上有著視覺效果上的明顯缺陷。同時(shí)，由于晶體硅電池片不透光，顏色單一，為了采光需要將電池片呈方陣排列，讓電池片之間留一定間隙，然而效果就如同立面上打了很多小補(bǔ)丁，嚴(yán)重影響建筑立面的視覺效果。但當(dāng)晶體硅光伏組件應(yīng)用于建筑屋頂及采光頂時(shí)，就能發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于太陽運(yùn)行軌跡及太陽入射角的變化，建筑的屋頂便于更大范圍的接受日照，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。而晶體硅光伏組件在采光頂?shù)膽?yīng)用，則是在遮陽與采光的功能中取得了一種平衡。

2、非晶硅電池片具有可多樣性加工的優(yōu)點(diǎn)。即可通過激光加工成點(diǎn)狀、布紋狀等，還可根據(jù)透光率高低，來確定點(diǎn)狀密度、布紋狀疏稀度。另外非晶硅電池片具有可切片的特性，可將非晶硅電池片裁成一條條窄片，通過加工嵌入中空玻璃內(nèi)腔中，形成百葉窗狀，還可將百葉角度調(diào)整以適應(yīng)不同緯度地區(qū)的太陽入射角，從而提高太陽能電池片的轉(zhuǎn)換率。中空玻璃本身具有保溫節(jié)能作用，而搭載了非晶硅電池片的百葉片即能吸收太陽光直射而產(chǎn)生的大量輻射熱，進(jìn)一步擴(kuò)大節(jié)能效果，又不影響室內(nèi)采光以及建筑外立面裝飾效果。通過對(duì)比兩種不同類型電池片組件視覺效果，我們不難得出硅晶體電池片的光電幕墻很難在建筑立面推廣以及bipv（光伏與建筑一體化）工程很難在建筑幕墻大面積應(yīng)用的原因。內(nèi)置百葉式太陽能電池片中空玻璃的出現(xiàn)為太陽能光伏發(fā)電與建筑幕墻一體化工程大面積應(yīng)用提供了一種行之有效的方法。

三、結(jié)語

隨著太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷成熟及商業(yè)化市場(chǎng)增長(zhǎng)，促使光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)成本的不斷降低，太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化工程前景將十分廣闊。不同類型的太陽能建筑光伏組件在建筑物上的發(fā)展各具優(yōu)勢(shì)。如何既能達(dá)到功率最大化，又能滿足建筑外形美觀和功能實(shí)用要求，是建筑師及技術(shù)研發(fā)人員共同追逐的目標(biāo)。