光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用研究

項(xiàng)若軒

（中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)有限公司，北京100101）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中對(duì)能源的需求量日趨增加。目前，國(guó)內(nèi)能源提供主要以化石能源為主，化石能源為不可再生能源，面臨著資源日益減少趨于枯竭的問題；而且大量化石能源的使用也嚴(yán)重污染了人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境[1]。如何保證經(jīng)濟(jì)建設(shè)中能源的持續(xù)供應(yīng)的同時(shí)又滿足社會(huì)各界對(duì)綠色生態(tài)環(huán)境的要求，是擺在相關(guān)部門面前的一大難題。這道題的答案就是可再生能源，其中，以太陽能為能源的光伏發(fā)電技術(shù)憑借其可持續(xù)、清潔、環(huán)保、安全的特點(diǎn)，在綠色建筑中得到了廣泛應(yīng)用。

2 光伏發(fā)電的相關(guān)內(nèi)容

2.1 光伏發(fā)電的基本原理

光伏發(fā)電的基本原理是光生伏特效應(yīng)，光伏電池在這一過程中發(fā)揮著能量轉(zhuǎn)化作用。在太陽光照射到光伏電池時(shí)，光能會(huì)被電池吸收，在電池內(nèi)形成光生電子，光生電子會(huì)和空氣發(fā)生隔離反應(yīng)，這樣產(chǎn)生的電荷在長(zhǎng)期的積累過程中匯聚形成光生電壓，即光生伏特效應(yīng)。在電場(chǎng)的作用下，光伏電池在接入負(fù)載后，光生電子會(huì)流出，電能被輸出和利用，從而實(shí)現(xiàn)從太陽能到電能的轉(zhuǎn)化。

2.2 光伏發(fā)電與建筑一體化概述

光伏發(fā)電和建筑一體化是指將光伏發(fā)電應(yīng)用到建筑行業(yè)的發(fā)展中構(gòu)成一體化的建筑系統(tǒng)。光伏建筑一體化的實(shí)施方式主要分為2種：（1）光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合，光伏系統(tǒng)設(shè)置在建筑中，可先有建筑后建光伏，也可二者同時(shí)建設(shè)；（2）光伏系統(tǒng)與建筑的集成，光伏電池及相關(guān)材料作為建筑物的構(gòu)件存在，在實(shí)施過程中光伏工程需要和建筑工程建設(shè)共同進(jìn)行。

3 光伏發(fā)電技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用

3.1 光伏幕墻技術(shù)的應(yīng)用

光伏幕墻是現(xiàn)在光伏發(fā)電和建筑一體化中使用較為廣泛的一種技術(shù)，光伏幕墻技術(shù)主要指的是在玻璃幕墻內(nèi)部應(yīng)用雙玻璃光伏組件替代普通材料，這樣光伏幕墻會(huì)兼具光伏發(fā)電以及隔音、隔熱、安全等功能。在光伏玻璃幕墻技術(shù)的應(yīng)用過程中，除了可實(shí)現(xiàn)充分利用太陽能發(fā)電的目標(biāo)，還可以實(shí)現(xiàn)綠色建筑指標(biāo)控制的目的，可在相關(guān)工程中加大光伏幕墻技術(shù)的應(yīng)用力度，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

3.2 光伏采光技術(shù)的應(yīng)用

頂部采光技術(shù)是建筑工程常用的節(jié)能措施之一，白天通過自然采光代替建筑內(nèi)部分照明，起到節(jié)能降耗的效果。由于太陽光線直射屋頂，因此，在建筑頂部安裝的光伏電池板相對(duì)于玻璃幕墻可接收到更多的輻射能量，利用小時(shí)數(shù)更多，發(fā)電量更優(yōu)。在頂部采光設(shè)計(jì)加入光伏技術(shù)有2種模式：（1）與光伏幕墻技術(shù)類似，采用雙玻璃組件可同時(shí)滿足采光與發(fā)電的要求；（2）采用透明材料與常規(guī)光伏組件混布的方式，常規(guī)組件可按規(guī)則排列，也可按圖案（企業(yè)名稱、LOGO等）排列，該方式可減少太陽光帶來的熱輻射，多用于炎熱地區(qū)[2]。光伏采光頂?shù)膽?yīng)用，有利于減少太陽對(duì)建筑物的輻射，提高受光率，推動(dòng)綠色建筑建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

4 光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 應(yīng)用背景

某商業(yè)辦公樓屬于新建公共建筑，且被申報(bào)成綠色建筑二星級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)，該商業(yè)辦公樓的建筑用電面積是17 000m2，地上建筑面積是860 000m2，共4棟高層商業(yè)辦公樓，1層和2層的設(shè)計(jì)功能為商鋪，3層及以上設(shè)計(jì)的是辦公樓。該項(xiàng)目需要在實(shí)施中引用一種及以上綠色可再生能源，才能滿足綠色建筑及節(jié)能方面相關(guān)要求和規(guī)定。根據(jù)工程建設(shè)條件及功能需求，本工程制定了光伏建筑一體化、空氣源熱泵等多個(gè)方案，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、施工難度等的方面的比選后，最終選擇光伏建筑一體化方案。

4.2 光伏發(fā)電設(shè)計(jì)流程

4.2.1 負(fù)荷分析及安裝容量

相關(guān)人員通過分析該項(xiàng)目的實(shí)際情況，最終將本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)負(fù)荷確定為長(zhǎng)期負(fù)荷和短時(shí)負(fù)荷2種：長(zhǎng)期負(fù)荷為安全通道、步行樓梯、地下室等公共場(chǎng)所照明設(shè)施，該類負(fù)荷長(zhǎng)期穩(wěn)定；短時(shí)負(fù)荷為各商戶或辦公室照明設(shè)施，負(fù)荷隨工作時(shí)間變化。

根據(jù)負(fù)荷變化情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐妮椪账郊吧虡I(yè)樓總體規(guī)劃方案，設(shè)計(jì)人員確定最終的安裝容量，力求節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益的最大化。從圖1可知，除早晨部分時(shí)段，其他時(shí)段的發(fā)電量均可完全消耗，使用率較高。

4.2.2 光伏系統(tǒng)規(guī)劃

該棟商業(yè)辦公樓1層為商戶的大門，2層為廣告牌預(yù)留空間，3層和4層為玻璃幕墻，屋頂位置有多處挑空。利用南側(cè)的玻璃幕墻并在屋頂安裝光伏組件，既可以滿足建筑物功能要求，又保證了光伏發(fā)電的效率。根據(jù)容量規(guī)劃及安裝位置大小，確定最終的光伏組件選型，合理規(guī)劃逆變器容量及安裝位置，使其就近接入對(duì)應(yīng)負(fù)荷，可減少電纜敷設(shè)的投資，又能減少電能傳輸?shù)膿p耗，一舉兩得[3]。

4.2.3 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益分析

該地區(qū)年利用小時(shí)約為1100h，考慮到平鋪布置、垂直布置、揚(yáng)塵、陰雨等因素的影響，該商業(yè)辦公樓光伏系統(tǒng)利用小時(shí)數(shù)暫定為950h，商業(yè)用電按照1.2元/（kW·h）計(jì)算，當(dāng)光伏安裝容量為100kWp時(shí)，該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)詳見表1。

圖1 光伏發(fā)電曲線與負(fù)荷曲線對(duì)比圖

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)各指標(biāo)表

由表1可知，合理的利用光伏建筑一體化技術(shù)，不僅能給企業(yè)帶來不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益；還能有效地減少CO2的排放，降低化石能源的使用量，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)語

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中，大量化石能源的使用使生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染。由于太陽能具有可持續(xù)性、清潔性、環(huán)保性的特點(diǎn)，光伏發(fā)電與建筑一體化技術(shù)已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用。隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，光伏發(fā)電配套技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電與建筑一體化技術(shù)將在綠色節(jié)能建筑工程扮演更為重要的角色，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有利的保障。