——对屋顶计划的浅析和评价
引言
为什么我们感觉冬天愈来愈短？为什么各国领导人就能源问题而频繁展开会议？为什么世界地区冲突越来越严重，尤其是在中东地区？……
正当全球为能源问题发生各种事端时，太阳能正以惊人的发展速度在向世人召唤着青睐的目光。它正以骄傲的自身优点为世人解决诸多问题带来胜利的曙光，能源短缺、污染严重等一些令世人很头疼的问题也终会因为它的发展而渐渐消失。我们对太阳能的发展瞩目以待。
在涉及较广的太阳能领域里面，太阳能光伏发电得到了飞跃的发展，应用领域也开始从空间向地面拓展。而在地面应用中，人们又开始把目光转向于声势浩大的屋顶计划。世界各国都相继提出了自己的发展策略，都开始将屋顶计划的理念植入人们的心中。
光伏发电简介
（1）发展历史
光伏发电自从其最基础理论——光电效应1839年被法国科学家贝克雷尔发现以来，就一直没有停过它发展的脚步。虽然它的理论的提出给我们的光伏发电的发展提供了保障，但是发展之路也很艰难，理论应用于实际的难题很长时间没有解决。直到1954年美国科学家恰宾和皮尔松首次制成实用单晶硅太阳能电池，诞生将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术，当时的效率为6%，光伏发电的实际应用才真正开始迈步。同年，韦克尔发现砷化镓亦有光伏效应，并在玻璃上沉淀硫化镉薄膜，制成第一块薄膜太阳能电池。三年后，硅太阳能电池的效率达到8%，在原有的基础上提升了2%。1958年太阳能电池迎来了它的第一次重大革命，它登上了太空，实现了它的首次太空运用。而事隔多年后，具体的是1995年，它又带来了它的奇迹般飞跃，高效聚光砷化镓太阳电池效率达到32%，高于以往任何水平。随后太阳能发电越来越受到重视，特别是1996年以来，世界光伏发电高速发展，应用范围越来越广。各国屋顶计划的提出又将光伏发电带上了新的高峰，可以说是光伏发电应用的第二次重大革命。（2）优点
作为可再生能源的一个重要分支，光伏发电几乎继承了太阳能的所有优点：较少受地域控制，安全可靠，无噪音，低污染，无需消耗燃料，架设输电线路即可就地发电供电，以及建设周期短等（3）原理
它的基础是利用半导体PN结的光电效应。当半导体界面上产生光生电压时，用导线构成闭合电路对负载供电，即完成了光伏发电的基本过程。如图所示，当太阳光照射到半导体界面时，半导体中负粒子向N板移动，而正粒子向P板移动，从而在半导体界面上形成电压。其中反射防止膜的作用就是使半导体尽可能多的吸收阳光。
屋顶计划的背景
正当光伏发电飞速发展时，它的应用越来越受到世人的关注，于是人们想到能够充分接受阳光的屋顶。一些国家的重要部门也开始注意到屋顶计划所蕴含的巨大效益，相继提出了各国不同的发展计划。屋顶计划的社会效益和经济效益也开始被广大消费者所认同，并乐于在自己的屋顶上安装太阳能发电系统。
但是各国的条件不同，发展时期不同，发展基础也不尽相同，遇到的困难更是多种多样，形势复杂。但屋顶计划依然受到欢迎，屋顶计划今后的发展需要每一个人的参与和努力。
屋顶系统的原理：
作为一个屋顶系统，首先要有一套完整的设备，如图所示。安装在屋顶上的就是太阳能电池组件，它用于吸收太阳光，并进行太阳能发电，是屋顶系统中的关键设施。可以用导线将太阳能电池组件所发的电引入到逆变器，在逆变器里可以将直流电转变为交流电，再用于对家庭用户供电，用户所用的电量则通过电表显示。其中防反充二极管的作用是防止蓄电池通过太阳能电池组件放电，控制器的作用则是对蓄电池过放电和过充
电进行保护。在有太阳时，用户向电网供电，电表倒转；而在没有太阳时，电网向用户供电，电表正转，用户相当于每月只需交“净电费”。
光伏屋顶计划的提出和发展历史
目前世界各国都对太阳能产业采取了诸多鼓励性策施，实施了各种长期的政府计划，如英国的百万“绿色住宅”建筑计划，美国的“百万太阳能屋顶计划”，欧洲的“百万屋顶计划”，日本的“阳光屋顶计划”等等。各国都不同程度的制定了一些政策法规，树立了各个阶段的目标计划。
其中美国屋顶计划于1997年6月26日被克林顿总统宣布实施。它的提出主要是由于最近几年温室气体如CO2的大量排放，造成气候变暖，其次是美国已经基本掌握了光伏发电和热利用技术，开始进入大规模生产阶段。其准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是太阳能光伏发电系统和热利用系统，同时它还确定了一些指数，如图表所示。
表美国屋顶计划的指数列表年份1997太阳能建筑物（座）2000系统规模（KW）1年生产力（MW）
11998850016.55.71998
199985001154.91999
2000235002554.3200020055100032702.92005
201010140046102.02010成本（美元/W）6.5年份
1997年CO2少排放量（103t)2创造工作机会（个）300131800
393800
11111000103740000
351071500德国政府也宣布从1999年1月开始实施“十万太阳能屋顶计划”，他志向于到2003年底安装10万套光伏屋顶系统，总容量在300－500MW，每个屋顶约3－5KW。这个计划在德国政府的大力支持下，已基本达到预期目标。
上海作为中国的经济发达地区之一，也开始着眼于太阳能的开发和利用，其中光伏屋顶计划也成为一项重要内容，并开始得到试点应用。由美国道森公司制造的采用最新型的非晶硅技术的上海第一套实际应用并获准并网的50千瓦太阳能光伏发电系统，近日在新江湾城体育中心建成并调试成功。这是上海目前已建成的最大的光伏建筑一体化项目。在正常光照条件下，它能够基本满足体育场的照明用电。
几种适用于边远地区的用户系统
由于边远地区家庭用户之间一般距离比较大，对边远地区排列散落的用户供电较困难，通常为了输电拉一根电柱的费用又较大，于是独立的家庭光伏发电系统受到了广大农牧民的欢迎，也为他们的生产生活带来了巨大的方便。同时通常边远地区生态脆弱，环境容易受到破坏，独立的光伏发电系统为解决环境问题带来了希望。现在主要用于边远地区的系统有以下几种类型:
（1）16瓦系统：主要由太阳能电池组件及支架、控制器、免维护密封铅酸蓄电池组和机箱组成，采用直流供电，便携式，可为2盏6～8瓦的直流节能灯和收录机供电。每日可供电4～5小时。
（2）76瓦系统：主要由38瓦太阳能电池组件2块及支架、一体化控制/逆变器、免维护密封铅酸蓄电池组组成，采用交流供电，可为2盏6～11瓦交流节能灯、1台14～20英寸彩色电视接收机及1台收录机供电。每日可供电5小时。
（3）105瓦系统：主要由35瓦太阳能电池组件3块及支架、一体化控制/逆变器、免维护密封铅酸蓄电池组组成，采用交流供电，可为4盏6～11瓦交流节能灯、1台20～24英寸彩色电视接收机、1台收录机和1台录像机或其他小型家用电器供电，并可为可充电的刮胡刀或可充电的小容量干电池充电。每日可供电5小时。
同时，三种系统都能在三天阴雨天气里对用户持续进行供电。
屋顶计划的应用
光伏屋顶由于其占地面积不大，且只占用屋顶资源，应用比较方便，在城市和军队中得到了应用。同时还应用于一些学校的建筑物（如上海德国学校）和一些民房（如台湾八里乡居民用房）。总之，光伏屋顶正在逐渐得到推广和应用。
屋顶计划面临的问题
太阳能光伏发电虽经过了半个多世纪的发展，已形成初步的理论基础，但光伏屋顶技术的起步仍然比较晚，并未获得非常卓越的发展，其中有的仍然还面临着严峻的挑战，这些包括：
（1）如何让超过1MW的太阳能电池与建筑物的屋顶和外墙相结合，既能够遮挡一部分阳光，又能够让一部分阳光射入建筑物内部？
作为一个理想的建筑，我们既要能尽可能的环保，有利于我们的健康，又要有一个比较
温馨的环境，需要使人感到有一个明亮的视觉。虽然光伏屋顶满足了第一个要求，但它的缺陷也摆在我们面前。为了这个问题的解决，德国设计师们将不同透明度的太阳能电池安装于双面玻璃之间，并且在电池片与电池片之间留出一定的空隙。这样一部分阳光就能够透过空隙照射进来，找到了问题的一种解决方式。
(2)太阳能的成本太高，严重制约了太阳能的发展，使人们在一个美好的事物面前又显得缩手缩脚，使在光伏屋顶的发展上添加了许多的问号。
成本太高的一个重要原因就是太阳能电池的原材料硅晶技术只有美、日、德等少数几国掌握，其他国家如我国，90%以上的太阳能电池原料依靠进口，造成价格高昂，短时期内很难下降。现在世界上的光电转换效率一般都在15%左右，与其他能源相比，大约相当于生物质发电（沼气发电）的7～12倍、风能发电的6～10倍，更是传统煤电方式的11～18倍。
要想降低成本，提高转换效率是关键。我国国内的光伏产业正以30%的速度发展，给我们带来了信心。但是不得不承认，屋顶技术的瓶颈短时期很难有所突破。
(3)太阳能电池组件会增加房屋的整体承重，而且电池组件的接收板定位件在暴雨时常引起屋顶面的裂缝，引起不必要的麻烦。
屋顶计划本来就是为了方便广大群众，使生产生活得到实质性的提高，我们必须要保证质量。法国第一大屋面瓦生产厂商IMERYS公司，成功突破了光电转换技术，用光电太阳能接收器取代传统屋面瓦。这种屋面瓦重量很轻，基本不用借助屋架来加固，而且可以完整嵌入传统屋面瓦，在防水方面又做了专门设计。同时，它几乎不改变房屋的外形，使房屋保持它的原有造型。
总之，虽然制约太阳能发展因素包括市场、技术以及管理体制等方面，但即使如此，太阳能理念的推广仍是最主要的制约因素。太阳能屋顶计划要想有一个飞快地发展，就必须要得到用户的支持。但调查显示很多人都不了解太阳能，更何况使用太阳能呢？可以说，光伏屋顶面临的最大挑战就是如何使更多的人承认它。
屋顶计划的发展思路
正因为屋顶计划面临着诸多的困难，所以我们就必须要有一个完整并且严密的发展思路。我们可以在各级政府的政策导向和激励机制的基础上，加强太阳能知识教育，培养高素质、高理念人才，并且要加强光伏产品的检测认证和建筑准入制度，完善规范标准和相关技术流程，充分发挥生产者和投资者的积极性，形成一个和谐健康的发展势头。
我们以后可以加强和完善屋顶计划的发展策略，我们可以从以下几个方面来进行下一步的规划：
（1）加强被动太阳能技术和太阳能光伏光热技术的融合；
（2）加强保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机融合；（3）致力于传统的建筑构造与现代技术和理念的融合；（4）力求保持建筑的初始投资和生命周期内投资的平衡；（5）谋求生态驱动设计理念向常规设计理念的渗透；
屋顶计划的具体分析
正当世界太阳能高速发展，开始成为全球竞争产业的时候，我国国内太阳能的发展也给我们带来了希望。令人振奋的是，我国太阳能进入大规模实用阶段条件成熟。首先表现在太阳能利用逐步形成共识，政府扶持力度加大，并随着京都议定书的签订和像可再生能源法等相关法律法规的出台，为我国太阳能发展提供了政策保障。其次是我国太阳能利用的相关技术问题都得到了较好的解决，其中包括CVT\\PWM最大功率跟踪控制技术、并网逆变技术、系统的实时数据采集和数据传输技术等，使我国具备了设计和建造实用的一定规模的并网光
伏发电系统的能力。再者，我国太阳能屋顶计划的应用前景非常广阔。我国大部分地区的太阳光强度都满足光伏发电的基本要求，而且还拥有许多太阳能丰富区。这些都为我国发展太阳能确立了前提。
如果屋顶安装上太阳能发电系统，勿庸置疑，它将会带给用户巨大的效益。它拥有以下几个非常突出的优点：
（1）它可以增强建筑的美观性。采用“屋面瓦”来代替原屋面上部分建筑瓦片，既能够进一步减少建筑成本，又能够达到防水遮阳的效果。它与建筑融为一体，外表独特美观。另一方面，它还能带来一定的旅游价值；（2）光伏发电系统一旦完成，它将大大降低建筑物的能耗。据测算，在标准日照条件（1000瓦/平方米）下，安装太阳能发电系统，1平方米屋顶可获得130—180瓦电。这样建筑物就可以利用电池组件所发的电来进行照明，并且电量过剩后，还可拉电上网，获取一点盈利；（3）光伏屋顶对环境污染小，并且能够减排大量CO2。据专家预测，太阳能电池累计用量达到600MW，大约相当于每年减排二氧化碳59万t。而据国家电力部统计，每生产一度电，大约需要350克左右的煤。众所周知，煤是温室气体的主要来源，而太阳能光伏发电就能够减少煤的燃烧。
其实，太阳能屋顶计划除了这些优点以外，还有一定的经济可行性。虽然经粗略估计建造一个光伏屋顶平均需要15万元的费用，但它的发展形势却很乐观。据预测，国际上有可能在2020年将太阳能电池的成本由现在的3-4美元/WP降至1美元/WP，届时将建造500MW的大工厂。同时，经专家预测知，一套太阳能发电系统寿命可高达30-35年，并且在使用期间基本无需维护，因此它的投入基本只需考虑初始投资费用。
根据一些太阳能公司的估计，一套太阳能发电系统的投资回收期只需12.5年，当然这其中包含政府的补助（主要通过上网电价的补贴，我国的上网电价是4-5元/W）。这样算来，对于一个家庭用户来说，可以净得20年左右的盈利，这应该是一个比较可观和吸引人的数字。
结语
正如在背景中介绍的一样，由于近些年来全球经济的高速发展，原有的有限的不可再生能源越来越不能满足人们的需求。当人们正为能源枯竭而感到担忧时，严重的环境污染又接踵而至，这就迫使人们不得不寻找解决的办法。
光伏屋顶计划因其可再生性和无污染性而具有无限广阔的应用前景。同时，它又能满足人们对土地资源的需求（它占用的仅仅是屋顶）。也正因如此，据专家预测，在21世纪末和22世纪初，太阳能光伏发电必将发展成为全世界的重要发电技术之一，会在整个电力构成中占有相当大的比重。那时，人们也不再会受诸多因素所烦扰。
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