柏学之旅09期 | 胡芸菲:太阳能光伏技术简述及其在建筑中的应用
阅读:3510 2021-10-29

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随着地球能源的减少,世界各国对可持续能源及绿色环保理念的逐步重视,太阳能、风能、地热能等可再生技术的相继开发与使用,在技术的更新迭代中,太阳能建筑逐步成为可能,从建筑内部的光电池到建筑外部的“活性皮肤”太阳能薄膜等,都是设计师在建筑领域与科学家在光伏领域寻找出的共性相交点,共同演绎的建筑之美。

西门子水晶大厦、墨尔本像素建筑、Apple Park、台北市立图书馆等,都是将太阳能光伏技术与建筑相互融合的代表。

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本期“柏学之旅”由深圳技术大学副教授/中国可再生能源学会会员胡芸菲博士带来的分享《太阳能光伏技术简述及其在建筑中的应用》,由时代发展出发,简述光伏技术的魅力及建筑融合的思考,与建筑师们共同探究绿色建筑的更多可能。

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柏学之旅

胡芸菲


深圳技术大学副教授,中国可再生能源学会会员,华南理工大学材料加工工程博士



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“离开能量,生命将不再延续,所有的生命形式都从环境中吸取和利用能量,而自然界的能源按其形成和来源,一般分为三类:自太阳的辐射能、来自地球的自身地热、来自行星的引力能与潮汐能。“胡老师在介绍能源时说道。

19世纪中叶之前,人类使用的能源都是可再生能源如太阳能、地热能与风能在19世纪中叶的工业革命后,煤炭、石油、天然气成主要能源,到了下个世纪,人类社会会回到使用可再生能源的道路上。

2020年9月22日,国家主席习近平在第75届联合国大会上发表重要讲话,提出3060战略,强调中国力争CO排放于2030年前达峰,努力争取2060年前实现碳中和,这也为光伏行业发展提供了契机。

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Data: IHS Markit 2021. Graph: PSE Projects GmbH2021

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全球光伏-累积装机量对比

目前煤炭火力发电占全国的电力的比重超过60%,光伏太阳能发电仅占据3%,未来光伏发电的潜力是很大,在市场成本上经得起验证的。

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光伏行业的发展形势与挑战 @ CPIA王勃华

“2021年4月,沙特600MW光伏项目以破世界纪录的1.04美分/kWh的价格出售电力,折合人民币大约7分/度。而2020年我国平均上网电价已降至0.35元/千瓦时,2021年有望全部实现平价上网,预计“十四五”期间还将降低到0.25元/千瓦时以下,届时光伏发电成本将低于绝大部分煤电。”




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1839年,法国物理学家A.E. Becquerel偶然发现,用两片金属浸入溶液组成的伏打电池,受到阳光照射时会产生额外的光电势。现在把这种现象称为光生伏特效应(Photovoltaic Effect),这也是太阳能光伏技术最初的缘起。

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目前太阳电池发电的基本步骤是1、入射光被吸收,产生电子-空穴对;2、电子-空穴对被有效分离;3、电子进入外电路做功,并最终与空穴复合。

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在太阳应用场景上:当前主要分为三大类
并网型:大型集中式光伏电站,中小型分布式光伏系统(户用,工商业屋顶等)
离网型:小型光伏离网系统;光伏应用产品等
光伏:(PV+)

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交通应用

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分布式光伏电站





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目前,太阳能在建筑的使用主要有两类:
BIPV:Building integrated photovoltaic
即光伏建筑一体化,是与建筑物同时设计、同时施工和安装,并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统,也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。

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BIPV应用之特斯拉光伏屋顶

BAPV:Building applied photovoltaic
BAPV是指附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统,也称为“安装型”太阳能光伏建筑。它的主要功能是发电,与建筑物功能不发生冲突,不破坏或削弱原有建筑物的功能。

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BIPV应用之 Solar Ark(诺亚方舟)


“BIPV相对于BAPV最大的区别在于,光伏和建筑相结合的一体化程度更深,BAPV从本质上来说电站属性更加突出,而BIPV组件虽然具备光伏发电性能,但基础属性上是一种建筑材料”,胡老师说道。


光伏组件从核心吸光材料及材质上来区分,当然它们也有各自的长处与短板:
薄膜组件:
1、玻璃基底,组件可透明(牺牲效率),可彩色,可雕刻图形
2、不锈钢等柔性基底,组件可大面积弯曲,轻质
3、弱光性能好;温度影响小;热斑影响小(抗遮挡较好)
4、防火性能好,安全性高
缺点:效率不高,同面积发电量不及晶体硅;价钱相对高

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薄膜组件的应用

晶体硅组件:
1、玻璃封装,高转换效率,发电成本低;可双面发电
2、可半透明(牺牲效率);可彩色(牺牲效率)
3、可做轻质组件(部分企业)
缺点:热斑效应(惧怕遮挡);温度影响稍高;不耐踩踏
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光伏建材(嘉盛光电)

BIPV & BAPV 技术虽然有着宽广的前景,但与集中式光伏比较,在建筑使用的现阶段还面临着众多棘手的挑战:

1、相关BIPV的技术标准尚未制定完善。装配式建筑+光伏具有发展潜力,其相关构件、设计标准欠缺。
2、纯光伏产业链上的企业,开发光伏建筑产品在适应性,市场融合性上仍然有距离,与建材厂商合作是个不错的建议。
3、BIPV产品是否可以达到传统建材在防火、防潮上等性能指标,需要市场检验。
4、建筑屋顶面积有限,因此部分建筑立面也需要作为光伏开发的部分。高层光伏幕墙需要特殊封装粘结材料(如PVB)。
5、晶体硅组件效率高,可选择性大,但需要尽量避免遮挡,因其会较大影响发电性能。遮挡复杂环境下可考虑薄膜组件,或者选择微逆系统。
6、 微逆系统属于低压系统,安全,防火性能好。在欧洲的户用光伏系统上比较受欢迎。


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