第1章 绪论
　　1.1 能源危机
　　人类进入21 世纪，世界经济飞速发展，对能源的需求与日俱增。与此同时，传统化石能源的加速枯竭以及为了获得这些能源所造成的环境污染，使得人类面临着越来越严重的能源危机，人类自身的生存环境受到相当严重的破坏，人类的可持续发展面临着严峻的挑战。
　　1.1.1 世界能源形势
　　随着世界人口的增长，社会经济水平的提高，以及全球工业化的快速发展，人类对能源的需求日益增长，当今世界主要使用的能源依旧是石油、煤炭、天然气等化石燃料。这些化石燃料不可再生，且资源有限。根据国际能源机构的预测，世界能源的需求量至少增长一倍。而石油，天然气资源将在2050年前被耗尽的看法也已逐渐被公认。能源需求的不断增长和能源储量的日益枯竭形成了鲜明的对比。世界正面临着能源供不应求的严峻挑战。
　　化石燃料中煤的储量相对充足，可以满足150～200年的需求，但煤在燃烧过程中会产生很多有害气体，对环境造成严重污染，制约了社会的可持续性发展。核能在使用过程中可以实现碳零排放，且生产成本较低，被认为是理想的未来能源，但其安全性受到人们质疑，核废料的处理也是一大难题。风力发电、潮汐发电虽然是可再生能源，但会受到地域和气候等因素的限制。而太阳能作为一种可持续能源，逐渐引起了全世界社会的关注。
　　太阳能取之不尽，用之不竭，是可再生能源。太阳能作为可再生能源的同时，更是一种清洁能源，太阳能是由光子直接转化成电，不会产生有害气体，可以大大减少对环境的污染。太阳能虽然仍存在着占地面积大、效率较低等问题，但其潜力巨大，近年来各国政府为了实现低碳目标，纷纷对太阳能利用加大了研发力度，太阳能产业得到了快速的发展，太阳能发电、光伏电池和材料、光伏建筑一体化、太阳能车辆等都是当下的热门课题。
　　2022年，新增可再生能源以太阳能和风能为主，加起来约占2022年所有可再生能源净新增量的90%，如图1.1（a）所示。据IEA预测，至2027年风能和太阳能发电装机的总比例将进一步上升至37%，如图1.1（b）所示。
　　图1.1 （来源：International Energy Agency)
　　截至2022年底，全球可再生能源装机达3372GW，较2021年增加295GW，同比增长9.6%，占新增发电量的83%。如图1.2所示，风能和太阳能发电量创历史新高，占全球发电量的12%，比2021年增加2%。
　　图1.2 截至2022年底全球电力结构占比（来源：2023中国光伏储能国际大会）
　　在目前的全球市场中，美国和西欧等发达国家使用新能源发电的占比较高，而中国、印度等发展中国家仍是以煤炭发电为主，对于煤炭资源的依赖性很高，如图1.3所示。随着我国制定的“双碳”目标期限的临近，我国迫切需要降低化石能源的消耗比重。因此，对于新能源的需求将会大幅度增加，新能源行业将迎来发展良机。
　　1.1.2 我国能源形势
　　我国可开发能源总储量约占世界总量的10.7%，但由于我国人口众多，所以人均能源占有量低于世界人均值，而且已经探明的常规能源剩余储量（煤炭、石油、天然气等）及可开采年限十分有限，如表1.1所示。
　　图1.3 全球主要市场各类能源发电占比
　　（来源：S&P Global Commodity Insights）
　　表1.1 我国剩余资源探明储量及可开发年限（来自自然资源部）
　　2020年，我国一次能源产量达到40.8亿t标准煤，同比增长6.2%。原煤产量占一次能源产量的67.6%，原油、天然气产量占一次能源产量的比重较小，分别为6.8%、6.0%。一次电力及其他能源产量占一次能源产量的19.6%。我国一年的能源需求为25亿～35亿t 标准煤。我国能源的潜在危机比世界总的形势更为严峻，我国的发展面临着能源瓶颈的制约和环境污染、生态破坏的威胁，中国要满足急速增长的能源需求，唯一现实的可能就是选择可再生能源作为能源供应的基础。
　　我国的太阳能资源十分丰富，中国陆地每年接收的太阳辐射总量为3300～8400MJ/m2，相当于燃烧2.4×104亿t标准煤所释放的能量。依据中国划分太阳能光照条件的标准，在不同等级的五类地区中，前三类地区占中国国土面积的2/3以上，年日照时数超过2000h，年太阳辐射总量在5000MJ/m2以上。其中，西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区的太阳辐射总量和日照时数较高，属太阳能资源丰富地区。除四川盆地、贵州省太阳能资源稍差外，中国东部、南部及东北等地区均属于太阳能资源较丰富和中等区，如表1.2所示。
　　表1.2 我国不同类别地区的年太阳辐射总量（单位：MJ/m2）（中国气象局）
　　1.2 碳达峰碳中和与太阳能建筑一体化
　　1.2.1 碳达峰碳中和
　　2020年9月22日，我国向国际社会作出了“碳达峰1）、碳中和2）”的郑重承诺，力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革，绝不是轻轻松松就能实现的。
　　碳排放受经济发展、产业结构、能源使用、技术水平等诸多因素影响，而我国化石能源消费占一次能源消费的84%，产生的碳排放约为每年98亿t，占全社会碳排放总量的近90%。想要解决碳排放问题，关键是需要减少能源碳排放，究其根源是转变能源发展方式，加快推进清洁替代和电能替代，彻底摆脱化石能源依赖，从源头上消除碳排放。清洁替代是指在能源生产环节以清洁能源替代化石能源发电，加快形成清洁能源为主的能源供应体系；电能替代是指在能源消费环节以电代煤、以电代油、以电代气、以电代柴，用的是清洁发电，加快形成电为中心的能源消费体系，让能源使用更绿色、更高效。
　　1.2.2 推广太阳能建筑一体化的必要性
　　建筑领域是我国能源消耗和碳排放的重要领域。近年来，我国城镇化进程加快，带动建筑业持续发展。城乡建筑面积不断增加，人们生活水平不断提高，导致建筑能耗呈现持续增长态势，如图1.4 所示。《中国建筑能耗研究报告2020》指出，我国建筑全生命周期能耗总量占全国能源消费总量的46.5%，碳排放总量占全国碳排放总量的51.2%。近十年来，我国碳排放量和建筑运行能耗年均增速为5% 和5.6%。在取暖、炊事等方面仍然依赖于化石能源，给自然资源和生态环境带来了巨大的压力。
　　图1.4 建筑全生命周期能耗变化趋势（来源：2023中国光伏储能国际大会）
　　为了实现建筑领域的“双碳”目标，“十四五”期末，建筑运行碳排放量年均增速应小于1.5%，建筑运行能耗年均增速应小于2.2%。要实现这一目标，必须在建筑中大力推广使用可再生能源，以及节能环保技术，走可持续的建筑能源之路。太阳能建筑从单体向城市街区等区域单元发展成为必然趋势，推广太阳能建筑一体化，是我国实现建筑节能减排目标的现实需要。
　　目前，光伏光热组件在建筑物上的应用大多是在屋顶铺设太阳能光伏组件或集热器（图1.5），这种铺设形式存在着诸多问题，例如，光伏光热组件占据面积大、成本高、回收周期长，增加建筑物的负荷并造成安全隐患。针对组件直接铺设于建筑物上的不足，将太阳能利用的相关组件以建筑材料的形式呈现，使其成为建筑不可分割的一部分，这便是太阳能建筑一体化（图1.6）。这种形式的系统不仅可以利用照射到建筑物表面的太阳能，还能取代原始的建筑材料，从而降低项目的建设费用。相信在不久的将来，发展太阳能建筑一体化技术，必将成为我国在建筑领域实施可持续发展战略的重要方式。
　　图1.5 一体化程度低的光热屋顶
　　图1.6 太阳能建筑一体化
　　1.3 太阳能建筑一体化概述
　　太阳能建筑一体化，就是在建筑从一开始设计的时候，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑设计的相关专业内容中，使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一部分，而不是让太阳能成为建筑的附加构件。
　　主动式太阳能建筑对太阳能的利用有两种形式：太阳能光伏发电系统和太阳能光热转换系统，太阳能光伏发电系统在建筑上的外露部分主要是单（多）晶电池板，太阳能光热转换系统在建筑的外露部分主要是太阳能集热板、集热管、管道。由于太阳能光热、光电转换构件均已实现模块化，并且可与储能设备分离运行，因此采光部件与建筑的结合方式也更加灵活多样，其可以安装在建筑屋顶、坡屋面、外墙面、廊庭、阳台栏板、女儿墙、披檐、廊架等不同部位，使太阳能组件完全融入建筑体系之中并与周围环境和谐统一（图1.7）。
　　图1.7 光伏建筑一体化建筑结构框图
　　科学、合理、巧妙的建筑设计对太阳能建筑来说尤为重要。使太阳能设备成为建筑的一个有机组成部分可以为建筑增光添彩，否则无序乱装将会影响建筑形象甚至有碍城市景观。好的太阳能建筑能体现出一种理性的美、科学的美、未来的美。
　　1.3.1 太阳能建筑一体化的定义
　　太阳能建筑一体化不是简单地将太阳能与建筑“相加”，而是通过建筑的建造技术与太阳能利用技术的集成，整合出一个崭新的现代化节能建筑。简而言之，太阳能建筑一体化就是太阳能与建筑的结合应用。太阳能建筑一体化可以分为光伏建筑一体化、光热建筑一体化、光伏光热建筑一体化。

目录
第1章绪论1
1.1能源危机1
1.1.1世界能源形势1
1.1.2我国能源形势2
1.2碳达峰碳中和与太阳能建筑一体化4
1.2.1碳达峰碳中和4
1.2.2推广太阳能建筑一体化的必要性4
1.3太阳能建筑一体化概述5
1.3.1太阳能建筑一体化的定义6
1.3.2太阳能建筑一体化的发展历程8
1.3.3太阳能建筑一体化的特点10
1.3.4太阳能建筑一体化的设计原则10
1.4太阳能建筑一体化的研究现状11
1.4.1国外研究现状11
1.4.2国内研究现状12
第2章太阳能建筑一体化相关技术工作原理17
2.1太阳能电池的基本结构及工作原理17
2.1.1光生伏特效应17
2.1.2光伏电池工作原理18
2.1.3影响光伏电池发电效率的因素20
2.1.4太阳能电池分类21
2.1.5各类太阳能电池组件24
2.2太阳能光伏光热的分类及传热模型25
2.2.1PV/T集热器的分类25
2.2.2传热模型27
2.3分布式光伏发电系统30
2.3.1分布式光伏发电的优劣势31
2.3.2并网型光伏发电蓄电池组设计32
2.3.3光伏发电系统的运行维护33
2.4智能电网与微电网34
2.4.1智能电网34
2.4.2微电网36
2.5建筑一体化光伏构件与性能要求38
2.5.1建筑一体化光伏构件类型38
2.5.2建筑一体化光伏构件性能要求41
2.6太阳能光伏与建筑一体化主要形式42
2.6.1光伏建筑一体化主要形式42
2.6.2建筑一体化光伏构件形式44
第3章光伏并网发电系统46
3.1光伏并网发电系统分类46
3.2分布式发电供能系统50
3.3光伏并网逆变器及控制策略52
3.3.1光伏并网逆变器的分类52
3.3.2光伏并网逆变器的拓扑结构52
3.4*大功率点跟踪技术55
3.4.1MPPT的基本原理55
3.4.2MPPT技术存在的问题和解决方法56
3.4.3MPPT控制算法的分类57
3.5孤岛效应的概念及其检测方法60
3.5.1孤岛效应的概念及检测标准60
3.5.2孤岛效应检测方法62
3.6光伏汇流装置64
3.6.1光伏汇流箱的基本工作原理64
3.6.2光伏汇流箱的组成与技术要求65
3.7光伏发电监控系统与光伏组件故障检测66
3.7.1光伏发电监控系统66
3.7.2光伏组件故障检测71
3.8光伏发电系统防雷与接地设计74
3.8.1光伏电站中常见的雷击现象74
3.8.2常见的雷击防护措施75
第4章太阳能建筑一体化之屋顶光伏应用77
4.1屋顶光伏77
4.1.1坡屋顶光伏77
4.1.2平屋顶光伏80
4.1.3光伏天棚84
4.1.4光伏LED天幕88
4.2太阳能建筑一体化屋顶光伏应用案例88
4.2.1工程概述89
4.2.2光伏构件技术指标89
4.2.3安装节点示意图及屋面安装实景图90
4.2.4光伏发电系统设计90
4.2.5光伏发电系统经济效益分析93
第5章太阳能建筑一体化之光伏幕墙应用95
5.1光伏幕墙简介95
5.1.1光伏幕墙概述96
5.1.2光伏幕墙构造98
5.2光伏组件与建筑幕墙的结合方式99
5.3光伏幕墙应用101
5.3.1单层光伏幕墙101
5.3.2双层光伏幕墙102
5.3.3光伏LED幕墙104
第6章太阳能光伏建筑一体化设计原则与案例106
6.1光伏建筑一体化设计优点106
6.2光伏建筑一体化设计原则106
6.3光伏组件与建筑构件的结合方式107
6.3.1光伏组件与建筑遮阳、雨棚相结合107
6.3.2光伏组件与阳台护栏相结合108
6.3.3其他结合方式108
6.4公共建筑光伏一体化应用109
6.4.1公共建筑的特点110
6.4.2公共建筑的BIPV设计案例110
6.5住宅建筑光伏一体化应用114
6.5.1太阳能电池在不同类型居民住宅中的应用114
6.5.2太阳能电池应用到住宅时的设计要点115
6.5.3住宅中太阳能电池的技术要求116
6.5.4太阳能电池组件在住宅应用实例117
6.6太阳能光伏与建筑外观一体化设计案例120
6.6.1农房建筑科技博物馆（BIPV）120
6.6.2华为数字能源安托山总部（BIPV）121
6.6.3广州美术馆（BIPV）122
6.6.4清远奥体中心（BIPV）123
6.6.5中国建筑兴业集团远东珠海生产基地员工餐厅（BIPV）124
6.6.6海南淇水湾旅游度假综合体（BIPV）125
6.6.7博鳌东屿岛零碳示范区（BIPV）126
6.7其他应用127
第7章太阳能光热及建筑一体化应用128
7.1太阳能热水系统128
7.1.1太阳能集热器的分类128
7.1.2太阳能热水系统原理及结构130
7.1.3太阳能热水系统的分类131
7.1.4太阳能热水系统的发展与问题132
7.2太阳能热水系统性能化设计133
7.2.1太阳能集热器布置方式研究133
7.2.2太阳能集热器面积计算与修正137
7.2.3太阳能热水系统的节能环保效益分析138
7.3太阳能光热与建筑一体化设计140
7.3.1太阳能热水系统与建筑一体化设计141
7.3.2太阳能集热器和建筑外观一体化设计142
7.3.3太阳能热水系统与建筑一体化结构143
7.3.4太阳能热水系统的选择144
7.3.5太阳能热水系统与建筑一体化设计的一般原则146
7.4太阳能热水系统和高层住宅外观一体化设计146
7.4.1太阳能热水系统和住宅外观结合的难点146
7.4.2太阳能集热器和高层住宅外观一体化设计147
7.4.3具体结合方式148
7.4.4太阳能集热器和阳台一体化设计152
7.4.5太阳能集热器和格栅一体化设计153
7.4.6太阳能集热器和飘板/构架一体化设计154
7.4.7太阳能集热器和雨棚一体化设计154
第8章光伏光热建筑综合利用研究与示范157
8.1BIPV/T基本结构157
8.1.1光伏空气建筑一体化（BIPV/Air）157
8.1.2光伏热水建筑一体化（BIPV/Water）159
8.2复合光伏热水墙159
8.2.1新型耐寒PV/T模块的开发160
8.2.2外置式PV/T系统的研究161
8.3复合光伏热水墙的理论模型161
8.3.1光伏/空气/热水复合被动墙体系统模型162
8.3.2太阳能光伏光热-热催化/除菌杀毒复合墙体系统163
8.4光伏双层窗166
8.4.1通风光伏双层窗的原理与结构167
8.4.2光伏双层窗的实验平台167
8.4.3光伏双层窗性能的模拟与分析169
8.5光伏光热建筑一体化技术示范建筑172
8.5.1光伏光热组件概述172
8.5.2光伏光热组件与建筑一体化设计173
8.5.3光伏光热综合利用系统的设计175
8.5.4一体化建筑的数据采集与监测系统177
8.5.5光伏光热综合利用示范建筑的运行效果178
第9章太阳能分布式光伏电站部分案例185
9.1南国乡村农房建筑科技博物馆54kWp光伏发电项目185
9.1.1工程概况185
9.1.2光伏电站方案设计186
9.1.3光伏电站发电量及效益188
9.2广东新盟食品有限公司2438kWp分布式光伏发电项目189
9.2.1工程概况189
9.2.2光伏系统设计190
9.2.3发电量估算195
9.2.4环境效益196
9.2.5参考大样197
9.3广州市创兴服装集团有限公司4165.92kWp分布式光伏发电项目198
9.3.1工程概况198
9.3.2光伏系统设计199
9.4平南县大安镇长塘屯19.2kWp户用光伏电站项目204
9.4.1光伏电站工程概况204
9.4.2光伏电站方案设计204
9.4.3光伏电站发电量及效益208
9.4.4环境影响评价及投资经济预算210
9.5赛尔康（贵港）3.2485MWp光伏发电项目211
9.5.1工程概况211
9.5.2光伏电站方案设计212
9.6华润水泥（武宣）有限公司5.08MWp分布式光伏项目217
9.7万升宽达光储充一体化充电站项目219
9.7.1工程概况219
9.7.2光伏充电站方案设计220
9.7.3系统配置详解222
9.7.4光储充一体化充电站发电量及效益229
9.8其他类型太阳能光伏电站项目案例232
9.8.1天等县驮堪乡牛舍光伏项目232
9.8.2绿港工业园屋顶3.3MWp分布式光伏发电工程232
9.8.3广西中伟一期屋顶分布式光伏项目232
第10章光伏光热系统Polysun设计软件的使用234
10.1行业常用软件简介234
10.2Polysun的主要特点及功能235
10.3Polysun的使用操作238
10.3.1创建方案238
10.3.2编写方案概况238
10.3.3变量创建239
10.4Polysun仿真结果分析240
10.4.1计算运行结果分析240
10.4.2功能菜单结果分析242
10.4.3设置目录242
10.5太阳能光伏发电系统安装设计示例242
10.6太阳能光热热水系统安装设计示例246
10.6.1系统概述246
10.6.2主要部件及参数246
10.6.3系统搭建步骤248
10.6.4仿真模拟结果统计250
第11章Ecotect操作指南及实践教程253
11.1行业常用软件简介253
11.2Ecotect界面讲解254
11.3气候分析工具(Weather Tool)260
11.3.1Weather Tool的作用260
11.3.2气象数据的获取与分析261
11.4Ecotect建筑模型的建立266
11.4.1默认高度的修改266
11.4.2模型区域的建立267
11.4.3材质颜色的调整270
11.5Ecotect实战案例271
11.5.1太阳日照分析271
11.5.2太阳日轨分析276
11.5.3太阳阴影遮挡分析277
11.5.4太阳辐射分析278
参考文献281