建筑領域太陽能光伏技術的應用

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0引言

目前，全世界面臨著日益嚴重的能源危機，人類所能利用的主要能源包括傳統能源和新能源兩大類．我國用于發電的傳統能源主要是煤，新能源主要指像太陽能、風能、潮汐能這樣可再生能源．新能源在我國有著非常豐富的資源，潔凈環保，最重要的是可以再生，并能替代現有很多常規性能源，且有良好的應用前景．太陽能是人類最有希望的能源之一，太陽能技術也被多數科研院校以及相關部門列為重要的研究課題．應用太陽能發電的光伏技術是目前研究的熱點之一．目前光伏產業正在加速發展，在建筑領域開始受到關注，并得到應用．世界上許多國家和地區開始大規模地利用太陽能光伏系統為建筑提供電能．

1國內外研究現狀

1839年，太陽能光伏發電拉開了發展序幕，這要歸功于發展硒元素光伏效應的第一人———法國科學家貝克勒爾．在全世界范圍內，歐洲國家最重視太陽能光伏技術的研究和開發，其技術水平也走在了世界的前列．各個歐盟成員國在太陽能技術的研發、應用和推廣上都付出了努力并取得了較大成功．到2007年11月，整個歐盟地區太陽能光伏發電的總裝機容量已達到了4．5GW，歐盟地區即成為世界光伏發電的主要地區，其光伏發電裝機總容量已經接近全球的一半．在美國，建筑物的用電量占全國總用電量的2/3，美國政府在經濟上采取了有效措施，投入了大量費用研究太陽能光伏技術，為了鼓勵這一重點項目的推廣，國會批準了對太陽能光伏系統減稅的法案，同時制定了一系列的政策．在太陽能光伏建筑的研究、產品的開發應用和材料等方面得到迅猛發展，已處于世界領先水平．亞洲地區緯度跨越較大，各個國家經濟技術水平發展不平衡，太陽能光伏技術較為成熟的地區主要集中在日本和韓國等經濟發達國家和地區，其中，日本光伏技術的發展最好．日本屬于能源消耗和進口大國，其能源消耗的80%依賴于進口，因此非常注重太陽能等可再生能源技術的發展［1］．截止到2004年，日本光伏累計安裝量達1100MW．總之，太陽能光伏技術在全球主要經濟發達的國家和地區已得到了廣泛的發展和應用，一些發達國家制訂了從2010年到2030年光伏發電的發展計劃。近年來，我國的能源建設和發展也取得了巨大的成就，尤其進入21世紀，國家對新能源和可再生能源在建筑領域的應用十分重視，并大力提倡［2］．建筑領域能源消耗巨大，為了更好地節約能源，在太陽能光伏產品的研發上，我國現已成為世界上太陽能光伏產品的第一大生產國．但仍需清醒地看到我國太陽能光伏產業存在的問題，關鍵技術主要依靠國外引進，自主研發和創新能力相對薄弱，產業規模發展迅速但產業鏈發展不夠均衡，國內市場尚待培育和發展．太陽能資源分布圖（兆焦耳/平方米•年）≥9250（高，High）755058505000＜4150（低，Low）

2太陽能光伏技術的相關問題

太陽蘊藏著的巨大能量是地球上包括人類在內的所有生物賴以生存的條件，太陽向周邊輻射能量，而影響太陽能輻射的主要因素包括大氣條件和地球相對于太陽位置附近的障礙物等，地球表面包裹著由空氣分子、水滴、塵埃、云層等組成的大氣層．地球到太陽的距離和地軸的傾斜同樣對太陽輻射的能量有影響，每年的6～8月，北半球處于夏季時，地球軸的傾斜式的北半球朝向太陽傾斜，而在冬季由于地球軸的傾斜式北半球遠離太陽，因此，在夏季和冬季兩個季節太陽輻射的能量差別很大［3］．同時，地形、地貌以及障礙物同樣對太陽輻射能量具有重要的影響．按照全年日照時數、年輻射量、接受太陽能輻射量大小角度可以把我國大致分為五類地區．一類地區:全年日照時數為3200h～3300h，年輻射量在670×104KL/cm2～837×104KL/cm2，從分布圖可以看出甘肅、寧夏、新疆等地區屬于該地區;二類地區:全年日照時數為3000h～3200h，年輻射量在586×104KL/cm2～670×104KL/cm2，從分布圖可以看出山西北部、河北西北部、寧夏南部、內蒙古南部屬于該地區;三類地區:全年日照時數為2200h～3000h，年輻射量在502×104KL/cm2～586×104KL/cm2，從分布圖可以看出山東省、河南省、安徽、遼寧、吉林等地區屬于該地區;四類地區:全年日照時數為1400h～2200h，年輻射量在419×104KL/cm2～502×104KL/cm2，從分布圖可以看出福建、浙江和廣東屬于該地區;五類地區:全年日照時數為1000h～1400h，年輻射量在335×104KL/cm2～419×104KL/cm2，從分布圖可以看出四川和貴州屬于該地區．由此可見，我國太陽能資源比較豐富的是一～三類地區，相對較差的是四、五類地區．太陽能光伏發電的基本原理如下:當太陽投射到電池上面時，內部產生自由的電子—空穴對，自由電子被p－n結掃向n區，空穴被掃向p區，在p－n結兩端形成電壓，當我們用金屬線將太陽能電池的正極和負極與負載相連時，外電路就形成了電流［4］(見圖2)．在設計過程中，為了提高光電轉換效率，保證一定的輸出功率，將由多個電池片串聯組成的光伏組件進行串聯，形成光伏陣列．由于太陽的光照強度不穩定，隨時間變化明顯，光伏發電系統受太陽光照強度不穩定，隨時間變化明顯，光伏發電系統受太陽光照強度變化而變化，并且產生的為直流電，為了進行直流到交流的轉換必須加入逆變裝置，同時加入相應的控制裝置，在光伏陣列吸收太陽能光照后，便可得到穩定可靠可供使用的交流電．

3太陽能光伏發電技術在建筑領域的應用

在建筑領域，很多能源是有限的、不可再生;而且會產生大量廢棄物，污染環境，破壞生態平衡．如果將太陽能光伏技術應用到建筑領域，就可以替代或減少有限的、不可再生的能源消耗，減少廢棄物的排放，防止大氣污染，進而保護生態環境，同時也能夠在邊遠地區和能源匱乏地區解決基本生活用電需求和減少生態環境破壞，提高居民房屋居住的舒適度、生活品質和建筑本身的科技含量．目前，太陽能光伏技術也廣泛應用在通信及工業應用上的微波中繼站及衛星通信和衛星電視等系統;在建筑領域主要用于光伏照明等方面．據相關資料顯示，應用到建筑領域比較多的是離網光伏發電系統，該系統是根據太陽能光伏發電系統與公共電網連接方式的不同所劃分的領域之一，這種系統可以獨立供電，而且可以與風力發電系統相結合，為建筑照明和環境照明提供電力．

4結語

太陽能光伏技術作為人類可信賴、可再生、無污染的清潔能源被應用于很多領域．尤其是在建筑領域的應用，既節能，又環保．太陽能光伏發電技術作為可再生能源的應用，具有較好的應用價值，研究太陽能光伏發電技術也將是一個有應用前景的課題，對未來建筑領域照明技術向節能環保方向發展起著重要的促進作用．

作者：王祥瑞 修雪 單位：吉林建筑大學計算機科學與工程學院 吉林建筑大學電氣與電子信息學院