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中国应用光伏集成系统(BIPV)的发电潜力由世俊华君涂光备吕灿仁杨洪兴摘要：论述了建筑物用光伏集成系统(BIPV)在中国用于太阳能发电的潜力和前景.为了保护环境，减少矿物能源的消耗，并满足人们对电力的需求，BIPV被认为是最经济的利用可再生能源的技术.计算了中国14个城市的太阳能资源，估算了建筑物用光伏集成系统的发电潜力，分析了BIPV技术应用的经济性.研究表明中国的BIPV市场潜力是巨大的，政府对这项技术的发展应发挥重要作用。关键词：建筑物用光伏集成系统太阳能发电太阳能资源。Abstract：Thispaperdiscussesthepotentialandprospectofbuilding-integratedphotovoltaics(BIPV)forsolarelectricalpowergenerationinChina.TheBIPVtechnologyhasbeenidentifiedasthemosteconomicalrenewableenergyresourcetocontributetoworldelectricalenergydemandforprotectingenvironmentfromreducedfossilfuelconsumption.Theavailablesolarenergyresourceof14citiesandthepotentialpowergenerationfromPVcladdingsinbuildingsinChinawereestimated.TheeconomicalanalysisofBIPVapplicationisdiscussed.Itisfoundthatthepotentialissignificantandthegovernmentshouldplayanimportantroleinitsdevelopment.Keywords：building-integratedphotovoltaics;solarelectricalpowergeneration;solarenergyresource.在中国，光伏发电被认为是先进而不经济的。事实上，迫于环保的压力，作为一种先进的技术，光电技术的新发展已经使得这种可再生能源逐渐被发达国家和发展中国家所接受。如果中国政府采取适当的措施，那么一个强大的高科技可再生能源、减少温室气体排放的工程将会诞生。现在普遍形成这样一种共识，可再生能源使用量的增加将是减少污染和温室气体排放的一种重要途径[1]，至少是在研究人员中。大多数研究人员也同意这是一个健全的途径，这种可持续的能源供应将解决人类的能源问题。随着人们对核能和矿物燃料燃烧产生的环境问题的日益关注，一些国家开始着手放弃核电和减少化石燃料的消耗可再生能源将解决中国在经济可持续发展中的环保问题和能源问题。本文探讨了光伏建筑一体化（BIPV）在中国的广阔的应用前景。如果大部分的建筑物表面布满光伏集成板，它可以在太阳能辐射区发电，接收潜在的能量。本文还讨论了政府在引进光伏建筑一体化（BIPV）的过程中应发挥的作用。1当前世界光伏建筑一体化（BIPV）的发展状况当前世界由于能源和环境问题日益突出，不论是在发展中国家还是在发达国家，目前太阳能研究和应用的开发速度比都以往任何时候都快。百万太阳能屋顶计划已经在美国实施。该方案的目标是在2010年[2]之前，要在遍及美国的建筑上安装一个百万太阳能能源系统（光伏和太阳能集热器）。其他国家如日本，德国和英国，都大额投资于太阳能产业[3，4]。太阳能电力应用，即光伏发电的应用，包括太阳能集热器和被动式太阳能建筑的太阳能热利用，已被确定为潜在的最有前途的大范围太阳能资源的应用模式。自1970年以来，地面光伏应用的商业市场势头增长迅猛，1998年全球光伏组件生产为151.7MW，创造了一个新的记录。从1993年到1998年，在过去五表1世界光伏装机容量MWp来源1992199319941995199619971998美国18.122.4425.6434.7538.8551.053.7日本18.816.7016.5016.4021.2035.049.2欧洲16.416.5521.7020.1018.8029.330.1其它国家4.64.405.606.359.759.418.7总计57.960.0969.4477.6088.60125.8151.7涨幅/%—3.8015.6011.8014.2042.020.6年中，光伏组件的生产从60.09兆瓦直至151.7兆瓦，规模是原来的二倍还多。光伏技术作为一项近10年以及在下个世纪真正快速发展的科技，其发展速度在今天已经可以与20世纪40年代的电视，20世纪60年代的集成电路和20世纪70年代的个人电脑相比。预计到2010年，光伏发电量总装机容量将上升到一个惊人的115000兆瓦。2中国的太阳能资源中国太阳辐射强度估计对于潜在预报光伏建筑一体化的应用前景是必须的，不同地区太阳的辐射强度依赖于纬度、太阳的位置和气象条件。Klein和Theilacker的方法被用来评估14个主要城市的太阳辐射在不同方向的表面强度[6]。月平均每天总太阳辐射和平均分散在水平表面太阳能辐射数据可以从被动式太阳房设计手册[7]得到。每月在一倾斜平面的平均太阳辐射可以按如下公式计算：HRHT其中HRHT是在斜面上月平均每天的太阳辐射量，(MJ/㎡);；H是在水平面上月平均每天的太阳辐射量，(MJ/㎡）;R是在斜面上和平面上月平均每天的太阳辐射量，由以下计算得到：cossinsinsincostancoscossincostancosotherwiseBAor0Band0Aarccos,minotherwiseBAor0Band0Aarccos,min')sin)(sinsin(sin2)sin(sin)'(180))('a2(d21),(),(),(,0max),(,0max21212121212121CBAifCCAACCBBAACABifCCAACCBBAACABHHaabCbBAaBbAGGGGDCOSCOSHHDRsssssssSSsssrsrsrSSsrdsrSSSSsrssSdπ其中dH是月平均每日的辐射量；φ是纬度，-90°≤φ≤90°；δ是偏角，-23.45°≤δ≤23.45°；β是倾斜角，0°≤β≤180°；γ是表面方位角，-180°≤γ≤180°；ω是时角；s是日落时角；sr、ss分别是当入射角θ=90°时的日出时角和日落时角；δ按下式计算：δ=23.45sin（360365284n）其中n表示一年中的第n天。为了计算月平均太阳日辐射，电脑程序已被设定。结果在表2中（倾斜面的倾斜角等于当地纬度）给出。结果表明，在中国的14个城市中拉萨太阳能资源是最好的。相比较而言，略低于沙特阿拉伯和阿曼的太阳辐射水平；广州的太阳辐射在14个城市中最低的，却高于德国的斯图加特和日本大部分已经开始太阳能应用项目的地区，综上可以看出，中国太阳能资源丰富，可以投入应用。表214个城市的不同方向上年平均太阳辐射kW·h/(㎡·a)城市水平面南面北面西面东面斜面广州海口香港上海昆明西安南京哈尔滨兰州天津北京吐鲁番哈密拉萨1234.01426.31290.81316.01338.31321.01351.41303.51510.21463.91564.61618.61763.52195.0737.2698.4717.8901.2878.8951.6950.41299.51137.01240.01349.11464.91620.91520.5246.3279.6299.9276.2293.3279.4285.2281.9316.2314.5328.3355.8387.1435.8702.1793.2727.3782.4774.8801.4808.6891.0930.6930.51001.51063.31160.31299.5702.1793.2727.3782.4774.8801.4808.6891.0930.6930.51001.51063.31160.31299.51331.41471.21363.71481.31482.61512.11533.91724.61757.91785.51926.92034.22233.12486.1此外，表2还表明，当坡角等于当地纬度时，倾斜表面可以最大程度的接收太阳能。例如在拉萨，当坡角等于纬度时，斜面上接收的太阳辐射量比同一水平面上高13％。3发电潜力及经济性分析3.1潜在的发电能力光伏组件的效率是一项用于评估光伏建筑一体化产出的重要指标。年潜在的光伏系统发电量outP可按下式计算：)(fAPPPVisolarOUT其中ioutP、可以从太阳不同的入射方向辐射到表面的数据得到；iA是表面电流的总和；pv是光伏组件的能源效率；f是利用系数。香港地区关于可用的建筑立面做了一次评估[8，9]。发电能力的评估如表3表3发电量kW·h/(㎡·a)能效13%15%20%广州香港海口上海昆明西安南京哈尔滨兰州天津北京吐鲁番哈密拉萨173.1177.3191.3192.6192.7196.6199.4224.2228.5232.1250.5264.4290.3323.2199.7204.6220.7222.2222.4226.8230.1258.7263.7267.8289.0305.1335.0372.9266.3272.7294.2296.3296.5302.4306.8344.9351.6357.1385.4406.8446.6497.2所示，随着光伏组件的能源效率的提高，其总发电量也在不断增加。3.2经济分析一个光伏系统的总成本一般包括光伏组件成本，配套制定成本，逆变器成本，转换成本和劳动力安装成本[10]。被光伏覆层所取代的传统建筑材料的价值一直被忽视。表4是光伏建筑一体化系统的总成本评估，表5列出了光伏电能的价格评估，这些数据是根据它20年的发电总量和电力成本计算得到的。表4太阳能光伏建筑一体化发电成本估算成本元/㎡元/W光伏组件支撑框架逆变器和开关劳动力总计54334281314107728236.22.858.760.7148.524结论表5光伏电能价格估算元/(kW·h)效率13%15%20%广州香港海口上海昆明西安南京哈尔滨兰州天津北京吐鲁番哈密拉萨2.12.11.91.91.91.91.81.61.61.61.51.41.31.11.81.81.71.61.61.61.61.41.41.41.31.21.11.01.41.31.21.21.21.21.21.11.01.00.90.90.80.7太阳能作为21世纪清洁可再生能源，与之对应的光伏太阳能建筑集成应用技术就非常有前景。本次研究表明在中国的一些地方，比如拉萨，几乎没有矿物能源，却拥有丰富的太阳能，光伏建筑一体化在这里应用就是个很合适的选择。从经济的可持续发展角度看，我们应该注意环保，着重于长远利益，如果再考虑环境因素，那么光伏建筑一体化的应用将具有显著的社会效益和经济效益。参考文献：[1].EtcheverryJ.Renewableeducation:akeytoenhancethesuccessoftechnologicaltransfers[A].In:ProcofNorthSun’99[C].Edmonton，1999:7-12.[2].RobertFerrington.BuildingIntegratedPhotovoltaics[R].NationalRenewableEnergyLaborato