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太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

一、概况

德国是首批促进光伏产业发展的欧洲国家之一。自20世纪90年代末起,德国的光伏产业就开始快速发展。由于政府对于光伏补贴政策的鼓励,2008年到2010年期间德国新增加的太阳能光伏电池装机容量更是成倍增长,2013年德国议会开始讨论光伏补贴削减法案,当年新增加的太阳能光伏电池装机容量仅为2012年的43%(图1.1)。尽管如此,光伏发电在德国对可再生能源的利用中占举足轻重的作用,仅2012年,德国对可再生能源的投资中,光伏系统就占了57.6%(图1.2)。

由于气候和地理等因素的限制,德国的自然条件对于发展太阳能光伏并不优越,单位面积的年辐射量不到1500kWh/m2(图1.3),相当于中国的三类和四类地区。测量统计数据表明,德国太阳能光伏电池最理想的朝向和角度是正南向且与水平面的夹角30°;当太阳能光伏电池的安装朝向为南偏东45°且与水平面的夹角50°时,太阳能光伏电池的光电转换效率将降低5%当太阳能光伏电池安装在南立面上时,即正南向且与水平面的夹角90°太阳能光伏电池的光电转换效率则降低20%。因此,利用南向坡屋面安装太阳能光伏系统,在德国尤为常见,这也是许多示范性低碳居住区的重要标志之一(1.4)。

二、德国太阳能光伏系统的分类和比较

1. 按太阳能光伏电池的材料分类

根据太阳能光伏电池的制作材料可分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中,硅基半导体电池又分为单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池。各种电池的生产成本、光电转换效率,以及安装工艺等各有利弊,因此使用的场合也不同。由于多晶硅电池的价格较单晶硅电池便宜,性能优于非晶硅和碲化镉电池,所以目前德国居住建筑多采用比较多。近几年,薄膜太阳能光伏电池因它相对轻巧的自重和简单的安装工艺,其市场份额也有所增加。表2.1对居住建筑中,较为常用的几种太阳能光伏电池进行了比较。


2.1  常用太阳能光伏电池的比较


单晶硅太阳能

光伏电池

多晶硅太阳能

光伏电池

非晶硅薄膜太阳能光伏电池

铜铟镓硒化物太阳能光伏电池


光电转

换率(%

14-20%

12-16%

6-10%

13-15%

散射光环境下光电转换效率

受较大影响

受较大影响

影响很小

影响很小

高温环境下的光电转换效率

受较大影响

受较大影响

影响很小

影响很小

价格

比多晶硅电池和

非晶硅薄膜电池贵

比单晶硅电池和

碲化镉电池便宜

最便宜

最贵

疲劳测试

非常高效且稳定,使用周期长

高效且稳定,使用周期长

中等效率,使用周期稍短

效率较低,但冬季效率较高,尚无使用周期测试

单位面积重量

较重

较重

较轻

较轻

出错率

非常低

非常低

较低

较低

通过在太阳能光伏电池表面增加一道抗反光涂层,或者在制作太阳能光伏电池时混入抗反光玻璃,可以得到不同颜色和图案的太阳能光伏电池(图2.2);而“透明”光伏电池则是改变了太阳能光伏电池板上光伏电池的大小和电池之间的距离(图2.3)。虽然,彩色光伏电池和透明光伏电池的光电转换效率会有所降低,但它们的诞生,赋予太阳能光伏电池在建筑设计上更多的可能性。

2. 按安装系统分类

根据太阳能光伏电池的安装系统,可分为非一体化安装系统(BAPV)(图2.3)和一体化安装系统(BIPV)(图2.4)。前者是将太阳能光伏系统安装在已经完成的建筑外围护结构的外侧,后者则用光伏器件代替建筑外围护结构,与建筑融为一体。两者的特点和比较见表2.2

2.2  非一体化安装系统(BAPV)和一体化安装系统(BIPV)的比较

安装系统

非一体化安装系统(BAPV

一体化安装系统(BIPV


特征

安装在建筑外围护结构的外侧

建筑外围护结构的一部分

造价

光伏安装材料本身较便宜

光伏安装材料本身稍贵,但可节省围护结构的建材

光电转换效率

较高

较低

安装和拆除工艺

拆装工艺较为简单

拆装工艺略复杂

通风降温

有自然的通风降温,

保证系统的正常使用

须另外设值通风降温,

以保证系统的正常使用

设计与美观

与设计不够统一和谐

能与建筑的“五个立面”

统一设计

适用范围

屋面、外墙

屋面、外墙、屋顶透明部分、

玻璃幕墙、遮阳板


三、应用案例

1. 实验性项目,Darmstadt——2007Solar Decathlon一等奖作品(图3.1-3.3):

结构形式:木框架结构;

被动式外围护结构节能设计:屋面、外墙和地面均采用60mm厚真空保温板,屋面、外墙传热系数0.1W/m2K,地面传热系数0.4W/m2K,外窗传热系数0.7W/m2K

主动式太阳能设计:建筑遮阳采用了可完全开启的百叶遮阳扇,由可调节角度的非晶硅太阳能光伏电板作为遮阳百叶材料,将太阳能利用、遮阳和美观结合在一起,光伏遮阳百叶峰值总功率为2.1kWp;屋顶设置了单晶硅太阳能光伏系统,峰值总功率为11.2kWp;所产生的电能并入公共电网;屋面上同时还设有3平方米太阳能热水系统。

3.1  



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