建筑光伏一体化技术

建筑光伏一体化技术光伏建筑一体化技术（BIPV），光伏发电第一部分建筑物光伏一体化技术第一章光伏建筑发电系统简介1光伏建筑一体化（BIPV）提出了“建筑物产生能源”的新概念，，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。2光伏就是光转变成电的光生伏特的意思。在光照条件下，光伏材料吸收光能后，在材料两端产生电动势，这种现象叫做光伏效应。3光投射到光伏材料上存在反射、吸收和投射三种可能。材料对于光的吸收量取决于材料的吸收系数和材料厚度。4许多个太阳能电池连接起来，装配成一大块的太阳能电池板，简称光伏板。5世界上所有的材料物质都可以分为固体、液体和气体，其中固体又可分为导体和绝缘体。有一种材料，在低温下是绝缘体，在加入杂质、得到能量或者加热时就变成导体，这种材料叫做半导体。带正电性质（有较高空穴浓度）的材料叫做p型半导体，带负电性质（有较高的电子浓度）的半导体叫n型半导体。6用于太阳能电池的半导体材料有单晶体、多晶体和非晶体三种形式。单晶体：整块晶片只有一个晶粒。晶粒内的院子有次序的排列着，不存在晶粒便捷。多晶体：一块晶片含有许多晶粒，晶粒之间存在边界。非晶体：原子结构没有长序，材料含有未饱和的或悬浮的键。7外加电压对pn结的影响：1）无外加电场：外界断路时，pn结无外加电场，只有自建电场，pn结处于平衡状态，带电粒子的飘移电流等于带电粒子的扩散电流，外电路没有电流。2）外加正向电压：p型区一侧外接正极，外加电场与自建电场方向相反，pn结的电场减少，由于耗尽区内的电阻率大大的高于耗尽区外，外加电压几乎全部落在耗尽区，正向偏压下，电子从n型区注入p-n结耗尽区，流经p型区，通过外接电路再流入n型区与空穴复合；空穴从p型区注入p-n结耗尽区，流经n型区跟电子复合，外电路有电流，电流大小随着外加正向电压的大小而变。3）外接反向电压：p型区一侧外接负极，外加电场与自建电场的方向相同，p-n结的电场增大，p型区产生的电子会加速漂移过p-n结耗尽区到n型区；n型区产生的空穴会加速飘移过p-n结耗尽区到p型区，外电路没有电流，但电压很高。8为了使太阳能电池光电转换效率高，必须具有以下条件：1）高电流光生载流子的收集效率要高；2）高电压光生电流的收集应在尽可能高的电压下出现；3）低寄生电阻尽可能使低的寄生串联电阻而高的寄生并联电阻出现。9太阳能电池的特性：1）光伏I-V特性；2）短路电流3）开路电压4）最大输出功率和峰值功率5）填充因子FF6）光电转换效率太阳能电池最大输出功率与入射光功率之比。10光照射在太阳能电池上有下列几种反应：1）在正面电极接触的表面上，光被电极反射或被吸收；2）在正面的表面上，光被反射；3）在材料内部，光被吸收；4）在背面，光被反射；5）在背面被反射后，光被吸收；6）在背面电极接触面上，光被吸收。11温度的影响：1）温度对I-V特性的影响温度上升会使I-V特性变差2）短路电流随温度的升高而增大3)开路电压随温度的升高而减小，温度每上升1℃，约下贱2mV4）填充因子随温度的升高而减小，温度每上升1℃，FF会降低0.0015FF5）最大输出功率随温度的升高而减小，温度每上升1℃，最大功率Pm的值会下降0.004——0.005Pm.12从建筑学、光伏技术和经济效益方面的观点来看，光伏发电技术和建筑学相结合的光伏建筑一体化有如下优点：1）可以有效的利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要，也可以在人口稠密的闹市区安装使用。2)建筑物光伏发电不需要安装任何额外的基础设施。3）能有效的减少建筑能耗，实现建筑节能，4）原地发电，原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。5）光伏组件阵列一般安装在屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑物集成光伏发电系统不仅提供了电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升，从而降低了建筑物室内冷负荷。6）建筑光伏板既可以发电，又可以作为普通的建筑材料，减小了光伏系统成本的回收期；7）建筑光伏发电可以提供创新方式改善建筑物的外观审美；8）建筑物光伏发电可以把电力维护、控制、其他安排和系统的操作都结合在建筑概念，可以增加楼盘的综合品质；10）最后，也是最重要的一点，建筑物光伏发电对人类生态环境的保护，具有极其重大影响。13光伏与建筑相结合的形式：（1）建筑与光伏系统的结合：光伏系统与建筑屋顶相结合、光伏系统与建筑墙体相结合；（2）建筑与光伏组件的结合：光伏组件与玻璃幕墙相结合、光伏组件与遮阳装置相结合、光伏组件与屋顶瓦板相结合、光伏组件与窗户及采光顶相结合。14光伏建筑一体化对光伏系统及光伏组件的要求：1）光伏阵列的布置要求2）建筑的美学要求3）光伏组件的力学性能4）建筑隔热隔声的要求5）建筑采光的要求6）光伏组件安装方便的要求7）光伏系统寿命问题15光伏建筑一体化系统的设计：1）建筑设计2）发电系统设计3）结构安全性与构造设计16光伏照明系统一般采用最大功率点跟踪控制（MPPT）恒电压工作点控制(CVT)。17太阳能交通工具的几个问题需要注意：1）高转换率的光伏板；2）有最大功率点跟踪装置；3）质量轻、性能高的蓄电池；4）蓄电池高效率的充放电过程；5）流线型设计；6）高可靠性设计。18并网光伏系统的优点：1）省略了蓄电池作为蓄能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由蓄电池带来的运行和维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染；2）随着逆变器制造技术的不断进步，逆变器以及光伏系统并网的技术问题受到了厂家的重视和解决，现在的逆变器稳定性得到了提高，体积得到了缩小；3）光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；4）电网获得了收益，分散布置的光伏系统能够为当地的用户提供电能，缓解了电网传输和分配负担；5）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体的污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略；6）光伏电池组件与建筑物完美组合，既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用，发挥多种功能，不但有利于降低建筑费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加“卖点”。19并网系统的组成：1）光伏阵列，它可以将太阳能转换成直流电能；2）逆变器，它是一个电能转换装置，可以将直流电转换为交流电；3）漏电保护、计量等仪器、仪表，这些也是并网发电的必需设备；4）交流负载。20孤岛效应：就是当电力公司的供电系统因故障事故或停电维修等原因而停止工作时，安装在各个用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态，没有迅速将自身切离市电网络，因而形成了一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛现象。21逆变器不仅可以将光伏板发出的直流电转换为交流电，还可以对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功和无功、电能品质等进行控制另外还有以下功能：1）自动开关；2）最大功率点跟踪（MPPT）控制；3）防止孤岛效应。4）自动调整电压。22混合系统的优点：1）使用混合发电系统可以达到可再生能源的更好利用。2）具有较高的系统实用性。3）利用太阳能、风能的互补要求，再加上柴油机作为备用发电设备，使系统获得较高的稳定性和可靠性，在保证同样供电的情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量，大幅度降低了系统的成本。4）与单用柴油发电机的系统相比，具有较低的维护和运行费用。5）对系统进行合理的设计和匹配，基本上可以由风、光发电系统供电，很少启用电源，可以获得较好的社会经济效益。6）负载匹配更佳。22混合系统的缺点：1）控制比较复杂，2）系统初投资比较大。3）比独立系统需要更多的维护。3）产生污染。23混合系统设计的考虑因素：1）负载工作情况，采用确定的控制策略满足负载工作的要求。2）系统的总线要求，采用交流总线需要更加复杂的控制，系统的操作也较为复杂，但是效率更高。3）蓄电池总线电压，设备允许的电压和当地安全法规定的电压两者中尽量取最高值。4）蓄电池容量，按最长连续阴雨天数来设计蓄电池容量，通常可以提供5到7天或者更多的自给天数，混合系统一般为2到3天。5）柴油机发电与风、光发电的能量贡献比例、6）发电机功率和蓄电池充电的考虑。7）柴油发电机的基本控制。8）光伏板倾角的确定，比当地纬度大5到10度。9）风力发电方面的考虑。24对太阳电池板的基本要求：1）由一定的标称工作电压和标称输出功率；2）工作寿命长，要求组件能正常工作20到30年以上，因此，要求组件所使用的材料、零件及结构，在使用寿命上相互一致，避免因一处损坏而使整个组件失效；3）有足够的机械强度，能经受在运输、安装使用过程中发生的冲击、振动及其他外力；4）组合引起的电性能损失小；5）组合成本低。25太阳电池板的封装类型一般有玻璃壳体式及平板式，寿命短的原因主要有：1）单体太阳能电池都是很薄的。2）太阳电池的电极，特别是上电极，容易受腐蚀。3）某些太阳能电池是由手工组装的，组装质量参差不一，这种电池再组成太阳能电池阵列，质量就不易得到保证。4）封装材料不当。26电能的储存由很多方式，主要包括电容储存、电感储存及化学能储存等。27蓄电池的主要作用：1）蓄电池将日照充足时系统发出的多余电能储存起来，以便在夜间或阴天使用，解决了发电与用电不同步的问题。2）各种用电设备的工作时段和功率大小都有着各自的规律，欲使太阳能发电与用电负载自然配合使不可能的，蓄电池的储能空间和充放电性能为光伏发电站发电系统功率和能量的调节提供了条件。3）蓄电池的低内阻及良好的动态特性能适应电感负载对电影院的要求，向负载提供瞬时大电流。28对蓄电池组的基本要求：1）自放电率低；2）具有深循环放电性能；3）充放电循环寿命长；4）对过充电过放电耐受能力强；5）充电效率高；6）当电池不能及时补充充电时，能有效抑制小颗粒硫酸铅的生长；7）富液式电池在静态环境中使用时，电解液不易层化；8）低温下具有良好的充电、放电特性，充放电特性对高温不敏感；9）蓄电池各项性能一致性好，无需均衡充电；10）具有较高的能量效率；11）具有较高的性价比；12）具有免维护或少维护的性能。29选择能量储存系统应考虑的因素主要是成本、循环寿命、可购得程度、操作与维护的难易程度。目前使用的主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池，钠硫蓄电池由非常高的比能量密度，但适于高温下操作，和改良型铅酸与镍镉电池也是中期的选择，铁铬氧化蓄电池与可再充电的锌二氧化锰电池是后期的选择。30铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、寿命可靠、容量大、价格低、使我国光伏电站目前主要选用的蓄电池。31铅酸蓄电池的容量是指电池的蓄电能力，标称容量是指蓄电池出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电流及一定电解液温度下单格电池的电压降到规定值时所能提供的电量。32影响铅酸蓄电池寿命的因素：1）每日放电深度均大于50%，会导致正极板的脱落；2）高温会加速腐蚀；3）长时间过量充电，郑家腐蚀速率；4）长时间充电不足，导致电解液酸化与层化现象，降低电池容量；5）1%~3%的锑含量标准，能增加循环寿命；6）其他因素，例如低的电解液液面高度也会严重的缩短电池寿命。33使用维护镍镉电池的基本要求：1）经常保持蓄电池外表的情节干燥，一定要防止正负极相碰短路；2）防止铝、铜、钙、镁、硫酸根离子、碳酸根离子等有害物质，以及氯气，二氧化碳、硝酸蒸汽、等有害气体的侵蚀；3）充好的蓄电池，应在不高于30度的情况下保存备用；4）在任何湿度范围内使用，都应保持电解液的相对密度符合规定，液面必须高出极板；5）充放电或者浮充使用的，应定期放电、全充电一次，防止过放电，过热以致反极甚至引起爆炸；6）蓄电池存放环境应干燥、通风、清洁，不能与酸性物质放在一起。34逆变器除了能将直流电变化为交流电外，还具有自动稳压的功能，控制基波的频率和幅值。35光伏发电系统对对逆变器的基本技术要求如下：1）能输出一个电压稳定的交流电；2）能输出一个频率稳定的交流电；3)输出的电压及其频率，在一定范围内可以调节；4）具有一定