淺析太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理及建筑一體化技術(shù)在節(jié)能建筑中的應(yīng)用

國(guó)強(qiáng)

摘要：如今，能源的日益枯竭、環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重，人們也在密切關(guān)注著這些問(wèn)題，人們的環(huán)境保護(hù)和能源供應(yīng)意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，也都在尋求可靠的可再生能源。而太陽(yáng)能作為一種可再生能源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景，也是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必然選擇。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是將太陽(yáng)能輻射能通過(guò)光生伏特效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，由于它不需要使用燃料，所以也不會(huì)污染環(huán)境，是具有清潔性、環(huán)保性的可再生能源，而且還可以持續(xù)供給，如果將其與建筑一體化，那么對(duì)于推動(dòng)節(jié)能建筑的發(fā)展來(lái)說(shuō)，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏發(fā)電；建筑一體化技術(shù)；節(jié)能建筑

1太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)和建筑一體化

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料在太陽(yáng)光照射下所產(chǎn)生的電位差現(xiàn)象，將太陽(yáng)光輻射直接轉(zhuǎn)化成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。就目前的情況來(lái)看，其主要有兩種形式，即獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行。獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)又被分為了直流負(fù)載獨(dú)立系統(tǒng)和交流負(fù)載獨(dú)立系統(tǒng)。如今，光伏系統(tǒng)的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛，在太空、交通以及太陽(yáng)能建筑等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，而對(duì)于太陽(yáng)能光伏建筑，其是未來(lái)發(fā)展中主要的研究方向，需要特別的重視。建筑一體化主要是在建筑設(shè)計(jì)的初期使用新型的太陽(yáng)能光伏技術(shù)，進(jìn)而形成一個(gè)有機(jī)組成部分，對(duì)其進(jìn)行整個(gè)設(shè)計(jì)以及施工和調(diào)試的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要確保建筑的美學(xué)特性，同時(shí)還要確保太陽(yáng)能光伏技術(shù)的使用性能，有效地結(jié)合這兩方面，從而也就形成了一體化設(shè)計(jì)。光伏建筑一體化系統(tǒng)目前主要有兩種形式，即光伏屋頂結(jié)構(gòu)以及光伏墻結(jié)構(gòu)。對(duì)于光伏屋結(jié)構(gòu)的組成主要有三種形式，第一種是光伏組件與低層建筑結(jié)合，第二種是光伏組件與小高層、高層建筑結(jié)合，第三種光伏組件與公共建筑結(jié)合。

2太陽(yáng)能光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。

3光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。

2）太陽(yáng)能電池方陣：在光生伏特效應(yīng)的作用下，太陽(yáng)能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。太陽(yáng)能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽(yáng)能電池，多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池三種。

由此可見(jiàn)太陽(yáng)能電池中單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高。

3）蓄電池組：其作用是貯存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。

4）沖放電控制器：是能自動(dòng)防止蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電的設(shè)備。

5）逆變器：是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。目前國(guó)內(nèi)并網(wǎng)逆變器的效率一般為92～97%之間。

4光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1） 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)：獨(dú)立光伏發(fā)電也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。由于需裝設(shè)蓄電池組，系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較高。

2） 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池方陣并網(wǎng)逆變器組成，

不經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，通過(guò)并網(wǎng)逆變器直接將電能輸入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)相比離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池儲(chǔ)能和釋放的過(guò)程，減少了其中的能量消耗，節(jié)約了占地空間，還降低了配置成本。

3） 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場(chǎng)或靠近用電現(xiàn)場(chǎng)配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備。

目前應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是建在城市建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項(xiàng)目。

4） 光伏發(fā)電系統(tǒng)按負(fù)荷形式可分為下列三種系統(tǒng)

4.1小型系統(tǒng)，裝機(jī)容量不大于20kWP的系統(tǒng)。

4.2中型系統(tǒng)，裝機(jī)容量在20kWP-400kWP之間的系統(tǒng)。

4.3大型系統(tǒng)，裝機(jī)容量大于400kWP以上的系統(tǒng)。

5太陽(yáng)能光伏發(fā)電與建筑一體化技術(shù)在節(jié)能建筑中的應(yīng)用

1）透光技術(shù)的應(yīng)用

在建筑中，頂部光伏采光是最常用的方式，效果也非常的顯著。在頂部進(jìn)行采光，一方面，太陽(yáng)相當(dāng)于直射在頂部，能夠使太陽(yáng)能的吸收率得到提高，使玻璃幕墻不能對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行足夠吸收的弊端得以解決；另一方面，在頂部進(jìn)行采光時(shí)，還要對(duì)沒(méi)有遮擋或者遮擋率比較低的地方進(jìn)行選擇，這樣能夠保證最大的吸收太陽(yáng)能。除此之外，為了能夠?qū)μ?yáng)能進(jìn)行最大化的吸收，在安裝時(shí)可以選擇透明度比較高的材質(zhì)。對(duì)太陽(yáng)能光伏采光頂進(jìn)行利用，能夠使太陽(yáng)能對(duì)建筑物的輻射大幅降低，進(jìn)而增大建筑物的受光率，并且起到對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行遮擋的作用。

2）光伏器件作為屋頂材料

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中最大的優(yōu)勢(shì)是將光伏氣作為屋頂?shù)牟牧?，這樣不需要額外的建筑空間，能夠得到廣泛的使用，同時(shí)屋頂具有很多的太陽(yáng)光照射，就算是在冬天，也能夠?qū)崿F(xiàn)白天日照，從而提高太陽(yáng)能的使用效率。另外，屋頂材料的光伏器件能夠通過(guò)施工與屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，從而能夠有效地控制大風(fēng)以及暴風(fēng)雨等方面所產(chǎn)生的影響。最后使用太陽(yáng)能電池組件代替屋面保溫隔熱，不僅能夠保護(hù)建筑物面，防止受到影響，同時(shí)也能夠有效地控制整體的應(yīng)用成本，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。

3）光熱發(fā)電

在建筑物中對(duì)太陽(yáng)能光熱加以利用進(jìn)行發(fā)電，不再使用傳統(tǒng)的發(fā)電方式，可以避免使用昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，從而使發(fā)電的成本得到減少。而且，利用光熱發(fā)電還有將太陽(yáng)能加熱的水儲(chǔ)存起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，即使沒(méi)有光照，也可以將汽輪帶動(dòng)發(fā)電好幾個(gè)小時(shí)。利用光熱進(jìn)行發(fā)電時(shí)，充分合理的利用資源，發(fā)揮資源的價(jià)值，在技術(shù)和資金條件的允許下，還可以綜合利用多種能源，進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)電，也可以考慮聯(lián)合熱電站進(jìn)行發(fā)電。

4）光伏幕墻技術(shù)的應(yīng)用

如今，光伏建筑一體化主要是光伏幕墻在建筑中的應(yīng)用。光伏幕墻技術(shù)主要是在玻璃幕墻夾層中壓入光伏方陣，在玻璃幕墻內(nèi)使用雙玻璃光伏組件來(lái)替代普通的材料，從而能夠使其具備相應(yīng)的功能，包括隔音、隔熱以及安全等方面，光伏玻璃幕墻能夠最大程度利用太陽(yáng)能，有效地達(dá)到綠色控制作用，因此，建筑光伏一體化技術(shù)也是未來(lái)主要的發(fā)展方向，需要重點(diǎn)加強(qiáng)該部分的研究。

6太陽(yáng)能光伏發(fā)電在建筑工程中的優(yōu)勢(shì)

在建筑工程中使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)變得越來(lái)越廣泛。運(yùn)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，不僅可以起到節(jié)能能源的作用，還可以減少對(duì)環(huán)境的污染與破壞。主要的表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，通過(guò)使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)生。這種發(fā)電的方式對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)是沒(méi)有污染的；第二，使用光伏發(fā)電的機(jī)械設(shè)備成本比較高，但設(shè)備使用的時(shí)間很長(zhǎng)，材料的占地面積也比較小，只需要在屋頂上面進(jìn)行簡(jiǎn)單的安裝就可以，不用占用其他的場(chǎng)地與空間，這樣可以在工廠中進(jìn)行廣泛的使用，通常情況下，在住戶的住所旁也可以進(jìn)行應(yīng)用；第三，太陽(yáng)白天的光照會(huì)很強(qiáng)，電池可以在這一時(shí)間進(jìn)行能源的大量?jī)?chǔ)存，在晚間用電高峰的時(shí)候就可以提供使用，光伏發(fā)電生產(chǎn)的電力能源就可以有效的解決人們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)的用電緊張的情況，為地區(qū)的發(fā)電廠減少很大的壓力；第四，在居民的居住場(chǎng)所的屋頂或者墻壁上安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置，可以保證太陽(yáng)能的吸收，減少陽(yáng)光照射導(dǎo)致的建筑的損傷。也可以有效的避免光能的浪費(fèi)，在夏季還可以降低室內(nèi)的溫度，起到很好的效果；第五，對(duì)于建筑一體化技術(shù)中太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的使用，可以隨時(shí)使用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的能源，這在居民的生活中是非常重要的。為人們的生活帶來(lái)很大的便捷，也節(jié)約了電能的使用與浪費(fèi)，為國(guó)家的全面發(fā)展提供重要的幫助；第六，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境的零破壞，因?yàn)樗粫?huì)排放任何有害的物質(zhì)，對(duì)自然造成環(huán)境的破壞。所以，在現(xiàn)代化的建筑工程中應(yīng)用太陽(yáng)能光伏技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很多的優(yōu)點(diǎn)，不僅美觀，而且可以保護(hù)環(huán)境，起到節(jié)約能源的作用。這一技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家中也是被廣泛的使用。光伏發(fā)電項(xiàng)目的使用與國(guó)家未來(lái)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向是一致的，有利于國(guó)家健康、可持續(xù)的發(fā)展，也是未來(lái)高新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的標(biāo)志。

7結(jié)語(yǔ)

總而言之，建筑工程中應(yīng)用太陽(yáng)能光伏一體化是主要的發(fā)展方向，不僅能夠有效地進(jìn)行能源控制，同時(shí)也能夠提高太陽(yáng)能的利用效率，有效地將自然資源進(jìn)行合理利用，進(jìn)而達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的，因此需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)其的研究。

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（作者單位：中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司）