浅谈光伏发电与建筑一体化

　　
　　【摘要】文章主要论述光伏与建筑一体化(BIPV)发展对环境气候影响，对经济的作用，BIPV对传统建筑观念的改变为绿色建筑的作用。
　　【关键词】绿色能源、BIPV、环境影响、经济作用、观念
　　一、 世界经济发展对环境气候变化的影响
　　随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，对于煤炭、石油和天然气等化石燃料的需求量日益增加，全球一次能源消费量在2001-2004年的平均年增长率为3.7%，其中2003-2004年为4.3%。增长率不断提高的主要原因是：亚太地区在2001-2004年的平均年增长率为8.6%，特别是中国，在2003-2004年，达到15%。美国能源部能源信息管理综合分析及预测办公室和（EIA）于2007年5月发表的“2007能源形势”（EnergyOutlook2007）(DOE/EIA-0484(2007))估计，世界能源消费量从2004年到2030年预计将增加57%。在燃料中，石油一直占有最大份额，2004年占38%，到2030年将降低为34%。煤炭是消费量增长最快的燃料，在世界能源份额中从2003年的25%，只经过一年，2004年就提高到26%，预计2030年将增加到28%。在这期间，发电用煤将占世界煤耗量的2/3。世界工业用煤增长量中，中国将大约占78%。表1-1为1990-2030年世界各种燃料能源消费量的统计和预测。
　

　　① Btu为英热单位符号，1Btu=2.93071×104W•h
　　可见，到2030年，全世界消耗的一次能源要比1990年增加120%。然而地球上化石燃料的蕴藏量是有限的，根据已探明的储量，全球石油可开采约45年，天然气约61年，煤炭约230年，铀约71年。据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100亿～110亿，如果到时所有人的能源消费量都达到今天发达国家的人均水平，则地球上主要的35种矿物中，将有1/3有40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿吨）和铀。所以，世界化石燃料的供应正在面临严重短缺的危机局面。
　　由于人类的能源消费活动，主要是化石燃料的燃烧，造成了环境污染，导致全球气候变暖，冰山融化，海平面上升，沙漠化日益扩大等现象的出现，自然灾害频繁发生，人们逐渐认识到，减少温室气体的排放，治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步。
　　2007年1月10日，世界经济论坛等机构在日内瓦发布的“2007年全球风险”报告称，气候变化是21世纪全球面临的最严重挑战之一，由全球变暖造成的自然灾害在今后数年内可能会导致某些地区人口大规模迁移、能源短缺，以及经济和政治动荡。
　　2007年2月2日，会聚了来自130多个国家的2500名专家的联合国“政府间气候变化专门委员会”发表了第4份全球气候变化评估报告。这份报告综合了全世界科学家6年来的科学研究成果，报告称气候变暖已经是“毫无争议”的事实，过去50年全球平均气温上升“很可能”（指正确性在90%以上）与人类使用化石燃料产生的温室气体增加有关。报告预测，到2100年，全球气温将升高1.8～4℃，21世纪海平面将至少上升19～37㎝，如果近年出现的北极冰层大量融化的趋势继续发展，海平面最多将升高28～58㎝，有不少海岛和沿海城市将沉入海底。
　　为了应对化石燃料逐渐短缺，环境污染日益严重的局面，必须逐步改变能源消费结构，大力开发以太阳能为代表的绿色能源，在能源供应领域走可持续发展的道路，才能保证经济的繁荣发展和人类社会的不断进步。
　　二、 光伏产业的发展对环境、经济的影响
　　2009年，全球经济出现了战后首次负增长。另外，经济衰退、低通胀，及潜伏在经济、金融领域的风险不断释放等等，揭示着世界经济的衰退与风险的一步步放大。为稳定金融市场和刺激经济增长，各国纷纷出台措施。然而，各主要经济体经济复苏的迹象依然难觅，从2009年最新公布的数据来看，主要发达经济体经济衰退程度日益加深，金融危机正从发达国家向越来越多的发展中国家迅速蔓延，对全球实体经济的影响在不断加剧。一系列国际因素给中国的发展带来了不确定性，也给2009年中国经济带来一连串挑战。当然，每个挑战的背后都孕育着希望。2009年及未来几年，是全球危机进行时，也是反危机与反衰退的进行时，中国经济的机遇与挑战并存。目前正值中国光伏太阳能行业大变革、大发展的时代，在新经济形势下认识局势掌控方向，对光伏太阳能行业所受到的影响和未来的发展态势予以翔实的剖析，无论是对于中国光伏太阳能行业的长远发展，还是对光伏太阳能行业在具体工作中的突破都具有积极的指导作用。
　　光伏产业的经济效益主要来源于以下几个方面：能源成本的节约、出售电能的收益、加强的电能的质量和可靠性、减少的建筑成本、环境上的气体减排、增加的租金、税收减免、补助和其他刺激措施等。
　　面对全球性的金融危机，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划，推动光伏技术和产业的发展。日本通产省第二次新能源分委会提出，2010年光伏发电装机达到5GW；欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”2010年的目标是，光伏发电装机达到3GW；美国能源部国家光伏规划的目标是，光伏发电装机达到4.7GW；澳大利亚提出，2010年光伏发电装机达到0.75GW。如果再加发展中国家近年一直保持占世界光伏组件总产量10%左右的装机量，预计到2010年世界光伏系统累计安装容量将达到15GW。这意味着未来5年，世界光伏产业将以28%左右的年平均速度发展，成为世界上发展最快的一个产业。各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。据预测到21世纪中叶，太阳能光伏发电将达到占世界总发电量的10%～20%，成为人类的基础能源之一。
　　通过对生物质能、水能、风能和太阳能等几种常见新能源的对比分析，我们可以清晰地得出太阳能发电所具备的独特优势，它是最经济、最清洁、最环保的可持续能源
　　1、从新建电站所消耗能量与电站运行周期内的发电量之比，即能量的投入产出比看，目前光伏发电可达到10～15倍，在光照良好的地区高的可达到15-20倍。其中生物质能、水能和风能本质上都是太阳能的某种转换形式和转化环节，其本质上还是来源于太阳辐射产生的能量；
　　2、从光伏电站建设成本来看，随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用，每千瓦光伏电站的建设成本在2010年前后可能达到7000元—1万元(即7-10元/W)，相比其他可再生能源已具有同样的经济优势；
　　3、从我国可开发的几种绿色资源蕴含量来看，学者和专家比较公认的数字，生物质能1亿千瓦，水电3.78亿千瓦，风电2.53亿千瓦，而太阳能是2.1万亿千瓦，只需开发1%即达到210亿千瓦；从其比例看，生物质能仅占0.46%，风电占1.74%，水电1.16%，而光电为96.64%；
　　4、从目前各种发电方式的碳排放来看，不计算其上游环节：煤电为275克，油发电为204克，天然气发电为181克，风力发电为20克，而太阳能光伏发电则接近零排放。并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害物质，不会污染环境；
　　5、从能量转换路线来看，太阳能发电的能量转换路线，是直接将太阳辐射能转换为电能，是所有可再生能源中对太阳能的转换环节最少、利用最直接的方式。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加整个系统的运作成本和不稳定性。目前，晶体硅太阳能电池的转换效率实用水平在15—20%之间，实验室水平最高目前已达35%；
　　6、从资源条件尤其是土地占用来看，生物能、风能是较为苛刻的，而太阳能则很灵活和广泛。如果说太阳能发电要占用土地面积为1的话，风力则是太阳能的8—10倍，生物能则达到100倍。而水电，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十到上百平方公里的土地。相比而言，太阳能发电不需要占用更多额外的土地，屋顶、墙面都可成为其应用的场所，还可利用我国广阔的沙漠，通过在沙漠上建造太阳能发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减少蒸发量，进而使植物的存活和生长相当程度上成为可能，稳固并减少了沙丘，又向自然索取了我们需要的清洁可再生能源。
　　由此可以看出，太阳能光伏发电是我们目前可以使用的能源中最经济、最清洁、最环保的可持续能源。
　　三、 光伏与建筑一体化对绿色能源利用的积极作用。
　　1、光伏建筑一体化的概念
　　太阳能光伏建筑一体化(BIPV)系统是应用太阳能发电的一种新概念：是将太阳能光伏发电阵列安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。
　　

　　2、BIPV的优势
　　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 可以有效地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 能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。并网光伏发电系统在白天阳光照射时，同时也是用电高峰期时发电，从而舒缓高峰电力需要，多余的电力并入电网。
　　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。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑负载使用，也可送入电网。
　　⑤ 光伏组件阵列一般安装在屋顶及墙的南立面（北半球）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 建筑物光伏板既可以发电，又可以用作普通的建筑材料，起了双重作用，因而减少了光伏系统成本的回收期；
　　⑦ 建筑物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、其他安装和系统的操作都结合在建筑物内；
　　⑨ 并网光伏发电系统没有噪声、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保概念，可以增加楼盘的综合品质；
　　⑩ 最后，也是最重要一点，建筑物光伏发电对人类生态环境保护，具有极其重大的影响。
　　3光伏与建筑相结合的形式
　　3.1建筑与光伏系统的结合
　　与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源供电或者以并网的方式供电，当光伏建筑一体化系统参与并网时，可以不需要蓄电池，但需要与电网连入的装置，而并网发电是当今光伏应用的趋势。
　　① 光伏系统与建筑屋顶相结合
　　将建筑屋顶作为光伏阵列的安装位置有其特有的优势，日照条件好，不易受到遮挡，可以充分接收太阳辐射，光伏系统可以紧贴建筑屋顶结构安装，减少风力的不利影响。并且，太阳光伏组件可替代保温隔热遮挡屋面。此外，与建筑屋顶一体化的大面积光伏组件由于综合使用材料，不但节约了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大降低，有效地利用了屋面的复合功能。
　

　　② 光伏系统与建筑墙体相结合
　　将光伏系统布置于建筑墙体上不仅可以利用太阳能产生电力，满足建筑的需求，而且还能有效降低建筑墙体的温度，从而降低建筑物室内空调冷负荷。而且建筑立面的面积是大于屋顶面积和地球的表面面积的。
　

　　光伏与建筑一体化（BIPV）技术使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源产生电力，这将带来一场建筑理念的进步和革命，使占世界能源消耗总量近40%的建筑由消耗能源转变为生产能源的建筑，随着光伏建筑一体化技术的迅速发展，光伏建筑一体化系统的经济性、环保性和发展潜力得到越来越多的关注。在欧洲、美国和日本等地,越来越多的BIPV示范系统和应用系统正陆续出现且大面积推广。太阳能光伏一建筑一体化在太阳能应用领域实现了经济性和实用性的完美结合,意味着光伏发电可以进入城市,开始了大规模应用的新阶段。
　　它将对整个人类产生不可估量的经济效应和社会效益！
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