淺談光伏發(fā)電與建筑一體化

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　　【摘要】文章主要論述光伏與建筑一體化(BIPV)發(fā)展對環(huán)境氣候影響，對經(jīng)濟的作用，BIPV對傳統(tǒng)建筑觀念的改變?yōu)榫G色建筑的作用。
　　【關(guān)鍵詞】綠色能源、BIPV、環(huán)境影響、經(jīng)濟作用、觀念
　　一、世界經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境氣候變化的影響
　　隨著世界人口的持續(xù)增長和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對于煤炭、石油和天然氣等化石燃料的需求量日益增加，全球一次能源消費量在2001-2004年的平均年增長率為3.7%，其中2003-2004年為4.3%。增長率不斷提高的主要原因是：亞太地區(qū)在2001-2004年的平均年增長率為8.6%，特別是中國，在2003-2004年，達到15%。美國能源部能源信息管理綜合分析及預測辦公室和（EIA）于2007年5月發(fā)表的“2007能源形勢”（EnergyOutlook2007）(DOE/EIA-0484(2007))估計，世界能源消費量從2004年到2030年預計將增加57%。在燃料中，石油一直占有最大份額，2004年占38%，到2030年將降低為34%。煤炭是消費量增長最快的燃料，在世界能源份額中從2003年的25%，只經(jīng)過一年，2004年就提高到26%，預計2030年將增加到28%。在這期間，發(fā)電用煤將占世界煤耗量的2/3。世界工業(yè)用煤增長量中，中國將大約占78%。表1-1為1990-2030年世界各種燃料能源消費量的統(tǒng)計和預測。
　

　　① Btu為英熱單位符號，1Btu=2.93071×104W•h
　　可見，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蘊藏量是有限的，根據(jù)已探明的儲量，全球石油可開采約45年，天然氣約61年，煤炭約230年，鈾約71年。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，到2060年全球人口將達100億～110億，如果到時所有人的能源消費量都達到今天發(fā)達國家的人均水平，則地球上主要的35種礦物中，將有1/3有40年內(nèi)消耗殆盡，包括所有的石油、天然氣、煤炭（假設(shè)為2萬億噸）和鈾。所以，世界化石燃料的供應(yīng)正在面臨嚴重短缺的危機局面。
　　由于人類的能源消費活動，主要是化石燃料的燃燒，造成了環(huán)境污染，導致全球氣候變暖，冰山融化，海平面上升，沙漠化日益擴大等現(xiàn)象的出現(xiàn)，自然災害頻繁發(fā)生，人們逐漸認識到，減少溫室氣體的排放，治理大氣環(huán)境，防止污染已經(jīng)到了刻不容緩的地步。
　　2007年1月10日，世界經(jīng)濟論壇等機構(gòu)在日內(nèi)瓦發(fā)布的“2007年全球風險”報告稱，氣候變化是21世紀全球面臨的最嚴重挑戰(zhàn)之一，由全球變暖造成的自然災害在今后數(shù)年內(nèi)可能會導致某些地區(qū)人口大規(guī)模遷移、能源短缺，以及經(jīng)濟和政治動蕩。
　　2007年2月2日，會聚了來自130多個國家的2500名專家的聯(lián)合國“政府間氣候變化專門委員會”發(fā)表了第4份全球氣候變化評估報告。這份報告綜合了全世界科學家6年來的科學研究成果，報告稱氣候變暖已經(jīng)是“毫無爭議”的事實，過去50年全球平均氣溫上升“很可能”（指正確性在90%以上）與人類使用化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體增加有關(guān)。報告預測，到2100年，全球氣溫將升高1.8～4℃，21世紀海平面將至少上升19～37㎝，如果近年出現(xiàn)的北極冰層大量融化的趨勢繼續(xù)發(fā)展，海平面最多將升高28～58㎝，有不少海島和沿海城市將沉入海底。
　　為了應(yīng)對化石燃料逐漸短缺，環(huán)境污染日益嚴重的局面，必須逐步改變能源消費結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)以太陽能為代表的綠色能源，在能源供應(yīng)領(lǐng)域走可持續(xù)發(fā)展的道路，才能保證經(jīng)濟的繁榮發(fā)展和人類社會的不斷進步。
　　二、光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對環(huán)境、經(jīng)濟的影響
　　2009年，全球經(jīng)濟出現(xiàn)了戰(zhàn)后首次負增長。另外，經(jīng)濟衰退、低通脹，及潛伏在經(jīng)濟、金融領(lǐng)域的風險不斷釋放等等，揭示著世界經(jīng)濟的衰退與風險的一步步放大。為穩(wěn)定金融市場和刺激經(jīng)濟增長，各國紛紛出臺措施。然而，各主要經(jīng)濟體經(jīng)濟復蘇的跡象依然難覓，從2009年最新公布的數(shù)據(jù)來看，主要發(fā)達經(jīng)濟體經(jīng)濟衰退程度日益加深，金融危機正從發(fā)達國家向越來越多的發(fā)展中國家迅速蔓延，對全球?qū)嶓w經(jīng)濟的影響在不斷加劇。一系列國際因素給中國的發(fā)展帶來了不確定性，也給2009年中國經(jīng)濟帶來一連串挑戰(zhàn)。當然，每個挑戰(zhàn)的背后都孕育著希望。2009年及未來幾年，是全球危機進行時，也是反危機與反衰退的進行時，中國經(jīng)濟的機遇與挑戰(zhàn)并存。目前正值中國光伏太陽能行業(yè)大變革、大發(fā)展的時代，在新經(jīng)濟形勢下認識局勢掌控方向，對光伏太陽能行業(yè)所受到的影響和未來的發(fā)展態(tài)勢予以翔實的剖析，無論是對于中國光伏太陽能行業(yè)的長遠發(fā)展，還是對光伏太陽能行業(yè)在具體工作中的突破都具有積極的指導作用。
　　光伏產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益主要來源于以下幾個方面：能源成本的節(jié)約、出售電能的收益、加強的電能的質(zhì)量和可靠性、減少的建筑成本、環(huán)境上的氣體減排、增加的租金、稅收減免、補助和其他刺激措施等。
　　面對全球性的金融危機，眾多國家紛紛制定雄心勃勃的發(fā)展規(guī)劃，推動光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本通產(chǎn)省第二次新能源分委會提出，2010年光伏發(fā)電裝機達到5GW；歐盟可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運動”2010年的目標是，光伏發(fā)電裝機達到3GW；美國能源部國家光伏規(guī)劃的目標是，光伏發(fā)電裝機達到4.7GW；澳大利亞提出，2010年光伏發(fā)電裝機達到0.75GW。如果再加發(fā)展中國家近年一直保持占世界光伏組件總產(chǎn)量10%左右的裝機量，預計到2010年世界光伏系統(tǒng)累計安裝容量將達到15GW。這意味著未來5年，世界光伏產(chǎn)業(yè)將以28%左右的年平均速度發(fā)展，成為世界上發(fā)展最快的一個產(chǎn)業(yè)。各國可再生能源法的頒布、快速發(fā)展的光伏屋頂計劃、各種減免稅政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格，為光伏市場的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩接蛇呥h地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過渡。據(jù)預測到21世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將達到占世界總發(fā)電量的10%～20%，成為人類的基礎(chǔ)能源之一。
　　通過對生物質(zhì)能、水能、風能和太陽能等幾種常見新能源的對比分析，我們可以清晰地得出太陽能發(fā)電所具備的獨特優(yōu)勢，它是最經(jīng)濟、最清潔、最環(huán)保的可持續(xù)能源
　　1、從新建電站所消耗能量與電站運行周期內(nèi)的發(fā)電量之比，即能量的投入產(chǎn)出比看，目前光伏發(fā)電可達到10～15倍，在光照良好的地區(qū)高的可達到15-20倍。其中生物質(zhì)能、水能和風能本質(zhì)上都是太陽能的某種轉(zhuǎn)換形式和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，其本質(zhì)上還是來源于太陽輻射產(chǎn)生的能量；
　　2、從光伏電站建設(shè)成本來看，隨著太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用和推廣，尤其是上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，建筑房頂、外墻等平臺的復合開發(fā)利用，每千瓦光伏電站的建設(shè)成本在2010年前后可能達到7000元—1萬元(即7-10元/W)，相比其他可再生能源已具有同樣的經(jīng)濟優(yōu)勢；
　　3、從我國可開發(fā)的幾種綠色資源蘊含量來看，學者和專家比較公認的數(shù)字，生物質(zhì)能1億千瓦，水電3.78億千瓦，風電2.53億千瓦，而太陽能是2.1萬億千瓦，只需開發(fā)1%即達到210億千瓦；從其比例看，生物質(zhì)能僅占0.46%，風電占1.74%，水電1.16%，而光電為96.64%；
　　4、從目前各種發(fā)電方式的碳排放來看，不計算其上游環(huán)節(jié)：煤電為275克，油發(fā)電為204克，天然氣發(fā)電為181克，風力發(fā)電為20克，而太陽能光伏發(fā)電則接近零排放。并且，在發(fā)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪音，不產(chǎn)生對人體有害物質(zhì)，不會污染環(huán)境；
　　5、從能量轉(zhuǎn)換路線來看，太陽能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換路線，是直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，是所有可再生能源中對太陽能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接的方式。一般來說，在整個生態(tài)環(huán)境的能量流動中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加，轉(zhuǎn)換鏈條的拉長，能量的損失將呈幾何級增加，并同時大大增加整個系統(tǒng)的運作成本和不穩(wěn)定性。目前，晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率實用水平在15—20%之間，實驗室水平最高目前已達35%；
　　6、從資源條件尤其是土地占用來看，生物能、風能是較為苛刻的，而太陽能則很靈活和廣泛。如果說太陽能發(fā)電要占用土地面積為1的話，風力則是太陽能的8—10倍，生物能則達到100倍。而水電，一個大型水壩的建成往往需要淹沒數(shù)十到上百平方公里的土地。相比而言，太陽能發(fā)電不需要占用更多額外的土地，屋頂、墻面都可成為其應(yīng)用的場所，還可利用我國廣闊的沙漠，通過在沙漠上建造太陽能發(fā)電基地，直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽輻射，有效降低地表溫度，減少蒸發(fā)量，進而使植物的存活和生長相當程度上成為可能，穩(wěn)固并減少了沙丘，又向自然索取了我們需要的清潔可再生能源。
　　由此可以看出，太陽能光伏發(fā)電是我們目前可以使用的能源中最經(jīng)濟、最清潔、最環(huán)保的可持續(xù)能源。
　　三、光伏與建筑一體化對綠色能源利用的積極作用。
　　1、光伏建筑一體化的概念
　　太陽能光伏建筑一體化(BIPV)系統(tǒng)是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念：是將太陽能光伏發(fā)電陣列安裝在建筑的圍護結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。
　　

　　2、BIPV的優(yōu)勢
　　從建筑學、光伏技術(shù)和經(jīng)濟效益方面的觀點來看，光伏發(fā)電技術(shù)和建筑學相結(jié)合的光伏建筑一體化有如下優(yōu)點：
　�、� 可以有效地利用建筑物屋頂和幕墻，無需占用寶貴的土地資源，這對于土地昂貴的城市尤為重要，也可以在人口稠密的鬧市區(qū)安裝使用。
　　② 建筑物光伏發(fā)電不需要安裝任何額外的基礎(chǔ)設(shè)施。
　　③ 能有效地減少建筑能耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在白天陽光照射時，同時也是用電高峰期時發(fā)電，從而舒緩高峰電力需要，多余的電力并入電網(wǎng)。
　　④ 原地發(fā)電、原地用電，在一定距離范圍內(nèi)可以節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資。對于聯(lián)網(wǎng)戶用系統(tǒng)，光伏陣列所發(fā)電力既可供給本建筑負載使用，也可送入電網(wǎng)。
　�、� 光伏組件陣列一般安裝在屋頂及墻的南立面（北半球）上直接吸收太陽能，因此建筑物集成光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅提供了電力，而且還降低了墻面及屋頂?shù)臏厣�，從而降低了建筑物室�?nèi)冷負荷；
　�、� 建筑物光伏板既可以發(fā)電，又可以用作普通的建筑材料，起了雙重作用，因而減少了光伏系統(tǒng)成本的回收期；
　�、� 建筑物光伏發(fā)電可以提供創(chuàng)新方式改善建筑物的外觀審美；
　　⑧ 建筑物光伏發(fā)電可以把電力維護、控制、其他安裝和系統(tǒng)的操作都結(jié)合在建筑物內(nèi)；
　　⑨ 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有噪聲、沒有污染物排放、不消耗任何燃料，具有綠色環(huán)保概念，可以增加樓盤的綜合品質(zhì)；
　　⑩ 最后，也是最重要一點，建筑物光伏發(fā)電對人類生態(tài)環(huán)境保護，具有極其重大的影響。
　　3光伏與建筑相結(jié)合的形式
　　3.1建筑與光伏系統(tǒng)的結(jié)合
　　與建筑相結(jié)合的光伏系統(tǒng)，可以作為獨立電源供電或者以并網(wǎng)的方式供電，當光伏建筑一體化系統(tǒng)參與并網(wǎng)時，可以不需要蓄電池，但需要與電網(wǎng)連入的裝置，而并網(wǎng)發(fā)電是當今光伏應(yīng)用的趨勢。
　�、� 光伏系統(tǒng)與建筑屋頂相結(jié)合
　　將建筑屋頂作為光伏陣列的安裝位置有其特有的優(yōu)勢，日照條件好，不易受到遮擋，可以充分接收太陽輻射，光伏系統(tǒng)可以緊貼建筑屋頂結(jié)構(gòu)安裝，減少風力的不利影響。并且，太陽光伏組件可替代保溫隔熱遮擋屋面。此外，與建筑屋頂一體化的大面積光伏組件由于綜合使用材料，不但節(jié)約了成本，單位面積上的太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)施的價格也可以大降低，有效地利用了屋面的復合功能。
　

　�、� 光伏系統(tǒng)與建筑墻體相結(jié)合
　　將光伏系統(tǒng)布置于建筑墻體上不僅可以利用太陽能產(chǎn)生電力，滿足建筑的需求，而且還能有效降低建筑墻體的溫度，從而降低建筑物室內(nèi)空調(diào)冷負荷。而且建筑立面的面積是大于屋頂面積和地球的表面面積的。
　

　　光伏與建筑一體化（BIPV）技術(shù)使建筑物自身利用綠色、環(huán)保的太陽能資源產(chǎn)生電力，這將帶來一場建筑理念的進步和革命，使占世界能源消耗總量近40%的建筑由消耗能源轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)能源的建筑，隨著光伏建筑一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，光伏建筑一體化系統(tǒng)的經(jīng)濟性、環(huán)保性和發(fā)展?jié)摿Φ玫皆絹碓蕉嗟年P(guān)注。在歐洲、美國和日本等地,越來越多的BIPV示范系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)正陸續(xù)出現(xiàn)且大面積推廣。太陽能光伏一建筑一體化在太陽能應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了經(jīng)濟性和實用性的完美結(jié)合,意味著光伏發(fā)電可以進入城市,開始了大規(guī)模應(yīng)用的新階段。
　　它將對整個人類產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟效應(yīng)和社會效益！
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