建筑領(lǐng)域太陽能光伏技術(shù)的應(yīng)用

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0引言

目前，全世界面臨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，人類所能利用的主要能源包括傳統(tǒng)能源和新能源兩大類．我國用于發(fā)電的傳統(tǒng)能源主要是煤，新能源主要指像太陽能、風(fēng)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(huán)保，最重要的是可以再生，并能替代現(xiàn)有很多常規(guī)性能源，且有良好的應(yīng)用前景．太陽能是人類最有希望的能源之一，太陽能技術(shù)也被多數(shù)科研院校以及相關(guān)部門列為重要的研究課題．應(yīng)用太陽能發(fā)電的光伏技術(shù)是目前研究的熱點之一．目前光伏產(chǎn)業(yè)正在加速發(fā)展，在建筑領(lǐng)域開始受到關(guān)注，并得到應(yīng)用．世界上許多國家和地區(qū)開始大規(guī)模地利用太陽能光伏系統(tǒng)為建筑提供電能．

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1839年，太陽能光伏發(fā)電拉開了發(fā)展序幕，這要歸功于發(fā)展硒元素光伏效應(yīng)的第一人———法國科學(xué)家貝克勒爾．在全世界范圍內(nèi)，歐洲國家最重視太陽能光伏技術(shù)的研究和開發(fā)，其技術(shù)水平也走在了世界的前列．各個歐盟成員國在太陽能技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)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(qū)太陽能光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量已達(dá)到了4．5GW，歐盟地區(qū)即成為世界光伏發(fā)電的主要地區(qū)，其光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳呀?jīng)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(jīng)濟(jì)上采取了有效措施，投入了大量費用研究太陽能光伏技術(shù)，為了鼓勵這一重點項目的推廣，國會批準(zhǔn)了對太陽能光伏系統(tǒng)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(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用和材料等方面得到迅猛發(fā)展，已處于世界領(lǐng)先水平．亞洲地區(qū)緯度跨越較大，各個國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平發(fā)展不平衡，太陽能光伏技術(shù)較為成熟的地區(qū)主要集中在日本和韓國等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，其中，日本光伏技術(shù)的發(fā)展最好．日本屬于能源消耗和進(jìn)口大國，其能源消耗的80%依賴于進(jìn)口，因此非常注重太陽能等可再生能源技術(shù)的發(fā)展［1］．截止到2004年，日本光伏累計安裝量達(dá)1100MW．總之，太陽能光伏技術(shù)在全球主要經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)已得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，一些發(fā)達(dá)國家制訂了從2010年到2030年光伏發(fā)電的發(fā)展計劃。近年來，我國的能源建設(shè)和發(fā)展也取得了巨大的成就，尤其進(jìn)入21世紀(jì)，國家對新能源和可再生能源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用十分重視，并大力提倡［2］．建筑領(lǐng)域能源消耗巨大，為了更好地節(jié)約能源，在太陽能光伏產(chǎn)品的研發(fā)上，我國現(xiàn)已成為世界上太陽能光伏產(chǎn)品的第一大生產(chǎn)國．但仍需清醒地看到我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)存在的問題，關(guān)鍵技術(shù)主要依靠國外引進(jìn)，自主研發(fā)和創(chuàng)新能力相對薄弱，產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展迅速但產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不夠均衡，國內(nèi)市場尚待培育和發(fā)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(shù)的相關(guān)問題

太陽蘊(yùn)藏著的巨大能量是地球上包括人類在內(nèi)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(yuǎn)離太陽，因此，在夏季和冬季兩個季節(jié)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(shù)、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(qū)．一類地區(qū):全年日照時數(shù)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(qū)屬于該地區(qū);二類地區(qū):全年日照時數(shù)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(nèi)蒙古南部屬于該地區(qū);三類地區(qū):全年日照時數(shù)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(qū)屬于該地區(qū);四類地區(qū):全年日照時數(shù)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(qū);五類地區(qū):全年日照時數(shù)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(qū)．由此可見，我國太陽能資源比較豐富的是一～三類地區(qū)，相對較差的是四、五類地區(qū)．太陽能光伏發(fā)電的基本原理如下:當(dāng)太陽投射到電池上面時，內(nèi)部產(chǎn)生自由的電子—空穴對，自由電子被p－n結(jié)掃向n區(qū)，空穴被掃向p區(qū)，在p－n結(jié)兩端形成電壓，當(dāng)我們用金屬線將太陽能電池的正極和負(fù)極與負(fù)載相連時，外電路就形成了電流［4］(見圖2)．在設(shè)計過程中，為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，保證一定的輸出功率，將由多個電池片串聯(lián)組成的光伏組件進(jìn)行串聯(lián)，形成光伏陣列．由于太陽的光照強(qiáng)度不穩(wěn)定，隨時間變化明顯，光伏發(fā)電系統(tǒng)受太陽光照強(qiáng)度不穩(wěn)定，隨時間變化明顯，光伏發(fā)電系統(tǒng)受太陽光照強(qiáng)度變化而變化，并且產(chǎn)生的為直流電，為了進(jìn)行直流到交流的轉(zhuǎn)換必須加入逆變裝置，同時加入相應(yīng)的控制裝置，在光伏陣列吸收太陽能光照后，便可得到穩(wěn)定可靠可供使用的交流電．

3太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

在建筑領(lǐng)域，很多能源是有限的、不可再生;而且會產(chǎn)生大量廢棄物，污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡．如果將太陽能光伏技術(shù)應(yīng)用到建筑領(lǐng)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(jìn)而保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時也能夠在邊遠(yuǎn)地區(qū)和能源匱乏地區(qū)解決基本生活用電需求和減少生態(tài)環(huán)境破壞，提高居民房屋居住的舒適度、生活品質(zhì)和建筑本身的科技含量．目前，太陽能光伏技術(shù)也廣泛應(yīng)用在通信及工業(yè)應(yīng)用上的微波中繼站及衛(wèi)星通信和衛(wèi)星電視等系統(tǒng);在建筑領(lǐng)域主要用于光伏照明等方面．據(jù)相關(guān)資料顯示，應(yīng)用到建筑領(lǐng)域比較多的是離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)是根據(jù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)連接方式的不同所劃分的領(lǐng)域之一，這種系統(tǒng)可以獨立供電，而且可以與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，為建筑照明和環(huán)境照明提供電力．

4結(jié)語

太陽能光伏技術(shù)作為人類可信賴、可再生、無污染的清潔能源被應(yīng)用于很多領(lǐng)域．尤其是在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，既節(jié)能，又環(huán)保．太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為可再生能源的應(yīng)用，具有較好的應(yīng)用價值，研究太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也將是一個有應(yīng)用前景的課題，對未來建筑領(lǐng)域照明技術(shù)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用．

作者：王祥瑞 修雪 單位：吉林建筑大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院