交流探讨 建设科技 CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY 2020 年 12 月上 总第 420 期 太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用及其 节能研究 * 王志刚 祝秀娟 （中国建筑设计研究院有限公司，北京，100044） [ 摘要 ] 本文介绍了太阳能光伏发电技术的发展现状，论述了太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用。以北京某光 伏发电项目为案例，计算该建筑应用光伏发电技术带来传统能源替代量和环境减排效益。 [ 关键词 ] 太阳能利用；光伏发电技术；绿色建筑；节能减排 Research on Application and Energy Saving Benefits of Solar Photovoltaic Power Generation Technology in Green Building Wang Zhigang, Zhu Xiujuan （China Architecture Design & Research Group，Beijing，100044） Abstract: Combined with the development status of solar photovoltaic power generation technology, this article discusses the application of solar photovoltaic power generation technology in green buildings. Taking a project in Beijing as a case, this paper calculates the conventional energy substitution and environmental emission reduction benefits brought by the application of photovoltaic power generation technology in this building. Keywords: solar energy utilization, PV power generation technology, Green Building, energy conservation and emission reduction 世界能源的主要来源为传统化石能源，即煤、石 太阳能发电具有无污染、不排放温室气体、不消耗染料、 油、天然气等非再生能源。但是这些传统的化石能源正 无噪声等优点，因此太阳能作为免费、高效、清洁的可 在迅速减少，能源危机已经成为困扰全球的主要问题之 再生“绿色”能源被广泛应用。同时太阳能技术的应用 一，降低能源消耗减少化石燃料消耗已成为国际社会的 在绿色建筑评价得分中起到举足轻重的作用，是实现绿 共识。从能源危机到建筑的可持续发展，可再生能源在 色建筑的有效措施之一。从世界能源供应安全和清洁利 [1] 建筑中的应用日益受到重视 。与其他能源形式相比， * 基金项目：中国建筑设计研究院有限公司科技创新项目 （Y2019165）。 98 ∣ 建设科技 用角度，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为 DOI: 10.16116/j.cnki.jskj.2020.23.021 2020 No.23 王志刚：太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用及其节能研究 重要发展趋势。欧盟、日本和美国把 2030 年以后能源 [2] 供应安全的重点放在太阳能等清洁能源方面 。 * 交流探讨 光电综合利用，可有效地降低建筑物能耗，减少常规能 源的使用量。 我国是一个能源消耗大国，根据《BP 世界能源统 计年鉴 2019》统计，2018 年中国发电量为 7111.8 太瓦 时，位居世界第一，高于美国（4460.8 太瓦时）、日本 （1051.6 太瓦时）。2018 年中国能源消费中主要以煤炭、 石油、天然气等化石燃料为主，可再生能源占比 4.4%， 清洁能源合计占 22.1%；而美国可再生能源占比 4.5%， 清洁能源占 46.2%；日本可再生能源占比 5.6%，清洁 能源占 34.0%。中国的清洁能源利用率低，不及世界发 达国家，我国清洁能源利用潜力巨大。 本文对近年来太阳能光伏发电技术发展现状以及 图 1 中国太阳能资源分布图 太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用进行总结和分 Fig. 1 Distribution map of China’s solar energy resources 析，并以北京某光伏发电项目为例，计算该建筑应用铜 2 太阳能光伏发电技术及其在绿色建筑中的应 用现状 铟镓硒薄膜光伏发电和单晶硅光伏发电技术带来的传统 能源替代量和环境减排效益。 2.1 太阳能光伏发电技术现状 1 我国太阳能资源分布 光伏发电技术是利用半导体 PN 结的光生伏特效 我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国各地太阳 2 年辐射总量达 3350 ～ 8370MJ/(m ·a) ，太阳年辐射平 2 均值为 5860MJ /(m ·a)。全国总面积 2/3 以上地区年日 2 照时数大于 2000 小时，年辐射量在 5000MJ/m 以上。 应，当太阳光照射在光伏电池的 PN 结上，由于扩散运 动使 P 区带正电，N 区带负电，PN 结两端产生电势差， 将光伏电池接通外电路就会形成电压和电流，进而将太 阳能转换为电能 [3]。 按太阳能年辐射总量的大小，可将中国太阳能资源划分 建筑应用光伏电池的主要类型为晶硅太阳能电池与 为五类地区，我国各地区太阳能资源分类及其太阳能资 薄膜太阳能电池。晶硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能 源分布状况如表 1 所示。一、二、三类地区，年日照时 电池和多晶硅太阳能电池两种。薄膜太阳能电池按光电 数大于 2000h，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区， 转换材料进行分类，可将其分为硅（微晶硅、纳米晶硅、 具有利用太阳能的良好条件四、五类地区虽然太阳能资 非晶硅）、碲化镉、铜铟镓硒（CIGS）、TiO2 染料敏 [2] 源条件较差，但仍有一定的利用价值 。 华（DSCs）、量子纳米材料、有机聚合物等。目前晶 硅太阳能电池占比较大，但由于晶硅太阳能电池在制造 表 1 各地区太阳能资源分类及其分布状况 Table 1 Classification and distribution of solar energy resources in China 区域划分 一类地区 二类地区 三类地区 四类地区 五类地区 年总辐射量 6700~8370 5860~6700 5020~5860 4190~5020 3350~4190 /MJm-2•a-1 日照时间 /ha-1 3200~3300 3000~3200 2200~3000 1400~2200 1000~1400 图 1 是中国太阳能资源分布图，可以看到，除了贵 州高原部分区域外，中国所有地域均为太阳能资源可利 用区域。延庆区月总辐射量最大出现在 5 月份，辐射量 大约为 628.1MJ/m2，最小的在 12 月份，辐射量大约为 215.2MJ/m2。综合利用太阳能，全面实现太阳能光热、 过程的高能耗以及所需高真空条件使其发电成本较高， 而且晶硅太阳能电池具有易破碎、不可弯曲等缺点。与 晶硅太阳能电池相比，柔性薄膜太阳能电池具有不易破 碎、质量轻、可弯曲等优点，因此薄膜太阳能电池易与 建筑结合，近年来受到广泛关注 [4]。太阳能电池材料性 能如表 2 所示。 2.2 太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用现状 自 2002 年实施光伏示范项目以来我国太阳能光伏 发电技术的应用发展迅速，应用规模逐步扩大。2013 年为打破光伏产业发展的瓶颈，推动国内市场的大规模 发展，国务院出台“国发 (2013)24 号文”等多个政策 文件，重新制定了上网电价、补贴资金、并网管理等多 建设科技 ∣ 99 交流探讨 建设科技 表2 总第 420 期 太阳能电池材料性能表 [3~5] Table 2 Performance table of solar cell materials 材料类型 实验室转换效率（%） 量产转换效率（%） 光伏技术 硅片技术 薄膜技术 多结技术 单晶硅 24.7 23 多晶硅 20.3 18.5 非晶硅 12.8 8 铜铟镓硒 20.4 13 碲化镉 18 13 染料敏华 22.7 18 有机电池 6.77 1 聚光电池 42.7 30 优点 缺点 技术成熟、转换效率高、使用寿 命长 成本高、能耗大、高污染、收环境影响大 质量轻、成本低、弱光下可发电 转换效率低，In 和 Se 是稀有元素，无法大规模 量产 染料敏华与邮寄电池成本低、无 污染，聚光电池效率高 目前处于研究开发阶段，稳定性差，成本高 个层面的优惠措施。在政策的指引下，电站受到资本 40° 16’～ 40° 47’，地处北京市西北部 , 平均海拔 的追捧，国内掀起了大型光伏电站建设的高潮。2015 500m 以上，气候独特，冬冷夏凉，年平均气温 8 ℃， 年我国光伏累计装机容量就超过德国成为全球第一。 大陆性季风气候，属温带与中温带、半干旱与半湿润 根据国际能源署 (IEA) 发布的《2020 年全球光伏市场 带的过渡连带。全年峰值日照小时数 1623.77h。水平 报告》显示，2019 年中国光伏新增装机 30.11GW，光 面日均辐射量 14.18, 当地倾角平面年平均太阳辐射量 伏累计装机量达到 204.7GW，占全球光伏装机容量的 16.014, 属于太阳能资源三类地区。 [6] 32.6% 。 该 项 目 主 要 功 能 为 新 闻 媒 体 发 布。 总 用 地 面 积 我国太阳能光伏技术在建筑中的应用以分布式光伏 12482.5m2， 总 建 筑 面 积 19354.5m2， 其 中 地 上 建 筑 发电形式为主，目前政府鼓励光伏发电系统自发自用， 面 积 9999.5m2， 地 下 建 筑 面 积 9355m2， 建 筑 高 度 并采取电费补贴制度推进光伏发电系统的建筑应用。 15.3m。该项目可提供新闻宣传、对外展示接待及后勤 2000 年后， 我国分布式光伏发电系统开始起步而且发 用房等，包含宣传展示区、多功能活动区、休息区、后 展迅速，以“深圳园艺博览会 (1MW)”、 “奥运主体育场— 勤服务区等；可提供国际化、专业化的新闻