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(guó)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(guó)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(diǎn)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(guó)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(guó)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?dú)w功于發(fā)展硒元素光伏效應(yīng)的第一人———法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾．在全世界范圍內(nèi)，歐洲國(guó)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(gè)歐盟成員國(guó)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(gè)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(guó)，建筑物的用電量占全國(guó)總用電量的2/3，美國(guó)政府在經(jīng)濟(jì)上采取了有效措施，投入了大量費(fèi)用研究太陽能光伏技術(shù)，為了鼓勵(lì)這一重點(diǎn)項(xiàng)目的推廣，國(guó)會(huì)批準(zhǔn)了對(duì)太陽能光伏系統(tǒng)減稅的法案，同時(shí)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(gè)國(guó)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(guó)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)，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(jì)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(guó)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(guó)家制訂了從2010年到2030年光伏發(fā)電的發(fā)展計(jì)劃。近年來，我國(guó)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(guó)家對(duì)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(guó)現(xiàn)已成為世界上太陽能光伏產(chǎn)品的第一大生產(chǎn)國(guó)．但仍需清醒地看到我國(guó)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(guó)外引進(jìn)，自主研發(fā)和創(chuàng)新能力相對(duì)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(duì)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(duì)太陽輻射的能量有影響，每年的6～8月，北半球處于夏季時(shí)，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(gè)季節(jié)太陽輻射的能量差別很大［3］．同時(shí)，地形、地貌以及障礙物同樣對(duì)太陽輻射能量具有重要的影響．按照全年日照時(shí)數(shù)、年輻射量、接受太陽能輻射量大小角度可以把我國(guó)大致分為五類地區(qū)．一類地區(qū):全年日照時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(guó)太陽能資源比較豐富的是一～三類地區(qū)，相對(duì)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(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生自由的電子—空穴對(duì)，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(shí)，外電路就形成了電流［4］(見圖2)．在設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)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(dú)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(jià)值，研究太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也將是一個(gè)有應(yīng)用前景的課題，對(duì)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(jì)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