面向大城市居民小區(qū)的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用分析

張云天

摘 要：論文總結(jié)了應(yīng)用于民用建筑的太陽能光伏電池和光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)大城市居民小區(qū)具有建筑密度大、樓層高、樓間距小的特點(diǎn)，以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保利用太陽能為目標(biāo)，提出了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的選擇建議。在考慮太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的成本、環(huán)?；A(chǔ)上，在大城市采用光伏-建筑一體化設(shè)計是發(fā)展趨勢，同時大城市居民小區(qū)具有直流負(fù)荷比例高、維護(hù)水平高，將小區(qū)光伏發(fā)電與直流配電網(wǎng)相結(jié)合更有利于太陽能利用效率的提高，有利于智能社區(qū)的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：太陽能光伏發(fā)電 太陽能電池 大城市居民小區(qū) 直流配電網(wǎng)

中圖分類號：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0022-03

隨著社會公眾的環(huán)保意識的提高以及新材料、現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，充分利用可再生的太陽能已經(jīng)越來越受到政府和公眾的重視。目前太陽能技術(shù)已經(jīng)在新能源發(fā)電、交通、航空航海和空間站建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。充分利用可再生的太陽能發(fā)電，建立節(jié)能、環(huán)保、舒適的居住空間也成了社會的共識。因此，該文根據(jù)當(dāng)前各種太陽能發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展，以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保利用太陽能為目標(biāo)，考慮大城市居民小區(qū)具有建筑密度大，高樓較多、屋頂面積小、樓間距較小等特點(diǎn)，分析適用于大城市居民小區(qū)的太陽能發(fā)電技術(shù)的選擇方案。

1 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 太陽能的應(yīng)用形式

目前，居民小區(qū)應(yīng)用太陽能的途徑主要可分為太陽能光伏發(fā)電和光熱轉(zhuǎn)換兩種形式。

太陽能光熱技術(shù)是將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)。在居民小區(qū)，常見的直接利用太陽能的方式有：（1）利用太陽能空氣集熱器供暖。（2）利用太陽能熱水器提供生活熱水。（3）利用集熱-儲熱的原理建造太陽房等。間接利用太陽能的主要方式是利用太陽能制冷。其中利用太陽能制冷技術(shù)仍處于研究階段，相關(guān)技術(shù)正在進(jìn)入攻堅克難階段，預(yù)計未來將會取得突破性進(jìn)展。

太陽能光伏發(fā)電是以太陽能電池為中介將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)有單獨(dú)發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電兩種發(fā)電方式，在城市小區(qū)，因為供電的可靠性要求，通常是采用并網(wǎng)發(fā)電方式，它是由太陽能電池陣列、蓄電池組、保護(hù)和控制系統(tǒng)、逆變器、小區(qū)負(fù)荷等設(shè)備構(gòu)成，其中光伏電池陣列是由多個太陽能電池板串并聯(lián)而成，是整個系統(tǒng)最核心、最有價值的組件。

1.2 太陽能電池技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

到目前為止太陽能電池技術(shù)已歷經(jīng)三代，第一代主要為晶體硅太陽能電池；第二代是基于薄膜技術(shù)的太陽能電池；第三代是高倍聚光光伏電池。

晶體硅太陽能電池是以硅元素作為基本原材料，主要包括單晶硅和多晶硅太陽能電池兩類。這是發(fā)展最早、技術(shù)最成熟、已經(jīng)形成了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的太陽能電池技術(shù)，約占據(jù)93%的市場份額，其轉(zhuǎn)換效率在15%～20%。晶體硅太陽能電池最大的技術(shù)瓶頸是原材料硅的價格較為昂貴且供應(yīng)不足，造成晶體硅電池價格呈現(xiàn)上漲趨勢。表1給出了對單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池的主要特性。

薄膜太陽能電池所需要的硅材料極少或是不需要，因而與晶體硅太陽能電池相比，在生產(chǎn)成本上有明顯的優(yōu)勢。薄膜太陽能電池可分為硅基、碲化鎘（CDTE）、銅銦鎵硒（CIGS）、砷化鎵（GAAS）薄膜電池以及染料敏化（DSSC）太陽電池等[1]。薄膜太陽能電池應(yīng)用已經(jīng)逐步展開，其中2014年12月我國首個兆瓦級CIGS薄膜太陽能電站在云南石林投運(yùn)，其發(fā)電效率比同等規(guī)模的晶體硅太陽能電站高出10%。根據(jù)大城市居民小區(qū)的需要，表2給出了主要薄膜太陽能電池的技術(shù)特性。染料敏化太陽電池是一種采用由有機(jī)材料構(gòu)成核心部件的太陽能電池，在原材料上具有潛在的優(yōu)勢，可以大面積成膜，具有可設(shè)計性強(qiáng)，質(zhì)輕，可塑性好，是一種有前景的太陽能電池技術(shù)，但是目前僅停留在實驗階段。

從適用于大城市居民小區(qū)建筑的角度看，由于非晶硅薄膜電池可制作成半透明的類玻璃形狀，且具有較高的吸收系數(shù)，因此非常適合于與光伏-建筑一體化小區(qū)工程相結(jié)合，作為建筑物的玻璃幕墻、玻璃窗以及建筑墻面。CIGS薄膜電池由于其緩沖層CdS具有潛在的毒性，國產(chǎn)化水平較低，價格較高，但轉(zhuǎn)換效率高，比較適合用于商住兩用型小區(qū)、公寓型小區(qū)或是小區(qū)中的大型公共建筑的玻璃幕墻。CDTE薄膜太陽能電池成本較高，且有一定污染，可用作大型建筑的屋頂，而GAAS薄膜電池價格過高，一般不用于居民建筑。

2 居民小區(qū)的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用選擇

在我國，特別是一些低層建筑比較密集的中小城市、廣大農(nóng)村地區(qū)，太陽能熱水器技術(shù)已經(jīng)得到廣泛利用和推廣。但是這種利用方式無法適用于大城市居民小區(qū)，一方面是因為高層建筑物不能提供安裝位置，另一方面是因為這種雜亂無章的安裝嚴(yán)重影響建筑物的視覺美觀效果，破壞環(huán)境的和諧，不能實現(xiàn)與建筑物的完美結(jié)合[2]。目前推出的壁掛式大陽能熱水器是比較適合大城市居民小區(qū)的太陽能光熱利用的產(chǎn)品。

同時，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域也具有廣泛的利用和推廣空間。城市居民小區(qū)有許多公共用電設(shè)備，如小區(qū)路燈、草坪庭園景燈、高層建筑樓梯間、地下車庫的照明，樓房的電梯以及變頻調(diào)速的水泵、風(fēng)機(jī)等，這些設(shè)備數(shù)量多、總體耗電量大，都可以首先考慮采用太陽能光伏發(fā)電供電。在小區(qū)的公共區(qū)域放置太陽能電池板是一個優(yōu)選方案。除考慮房屋的承重和成本問題外，可以采用3種放置太陽能電池的方式：（1）放置在建筑屋頂，并加砌與建筑外觀一致的護(hù)攔，同時利用太陽能電池組件替代保溫隔熱層的作用，對于已建小區(qū)還可以與社區(qū)屋頂“平改坡”結(jié)合起來加裝太陽能電池組件。（2）在樓梯間頂部專門加裝一個放置太陽能電池板的閣樓，并采用與建筑外觀協(xié)調(diào)和諧的斜屋頂設(shè)計，維護(hù)整體環(huán)境的協(xié)調(diào)。（3）對于新建的多層建筑和高層建筑，外墻與太陽光接觸面積最大，采用與太陽能電池一體化的玻璃幕墻、透明絕熱材料，實現(xiàn)光伏-建筑一體化，同時達(dá)到美觀和裝飾效果。

在城市居民小區(qū)中，通常采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與市政電網(wǎng)并聯(lián)供電的形式，如圖1所示。但是當(dāng)小區(qū)內(nèi)太陽能光伏發(fā)電容量比較大，且小區(qū)內(nèi)直流負(fù)載比例較高時，小區(qū)采用分布式直流配網(wǎng)供電[3]，將市政電網(wǎng)通過交流-直流變換作為并聯(lián)電源，如圖2所示，更有利于太陽能光伏發(fā)電的利用，且具有更好的效率。這是因為：（1）太陽能光伏發(fā)電輸出直流電，直接接入直流配電網(wǎng)，可以節(jié)省大量的DC-AC換流環(huán)節(jié)。（2）大部分民用負(fù)載都是直流負(fù)載，比如個人電腦、電視、充電設(shè)備、電熱器、照明負(fù)荷，采用直流配電網(wǎng)后，整體效率更高；同時對于采用變頻技術(shù)的家用電器，如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)，如果采用傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)，需要經(jīng)過AC-DC-AC變換，而采用直流配電網(wǎng)則只需要采用DC-AC變換。因而直流配電系統(tǒng)的整體效率更高。（3）同時直流配電網(wǎng)更可靠，且沒有頻率和無功問題，也沒有傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的諧波污染問題。（4）直流配電網(wǎng)的可控性，更有利用于未來智能社區(qū)的建設(shè)[4]。

3 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電在大城市民用領(lǐng)域也具有廣闊的發(fā)展空間。但是由于大城市的地價貴、樓間距小、高層建筑多，相對中小城市、農(nóng)村來說，利用太陽能光伏發(fā)電的空間較小、單位投資高、發(fā)電成本高，回收成本年限長，如果采用全國統(tǒng)一的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，難于達(dá)到預(yù)定的促進(jìn)作用。因此，需要靠政府政策扶持，鼓勵企業(yè)、社會公益投資，同時與綠色社區(qū)、智能社區(qū)建設(shè)結(jié)合起來，達(dá)到更好的整體社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海濤.太陽能利用研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（9）：38-39.

[2] 彭瑛.民用建筑太陽能的利用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，26（5）：90-94.

[3] 黃家室.建筑小區(qū)應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電供配電方式探討[J].建筑電氣，2009，28（2）：22-25.

[4] 江道灼，鄭歡.直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（08）：98-104.