淺談太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化的應(yīng)用

李辰晨

中國建材國際工程集團(tuán)有限公司江蘇分公司 江蘇 南京 210000

引言

隨著世界性能源危機(jī)的爆發(fā)和生態(tài)環(huán)境的惡化，風(fēng)能、太陽能以及水能等清潔可再生能源快速發(fā)展。與其他能源相比，太陽能具有分布廣泛、安全以及可持續(xù)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并可以將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能，滿足人們的各項(xiàng)供熱需求。綠色建筑是近年來建筑領(lǐng)域興起的一種新的建筑理念，以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源為技術(shù)手段，為用戶提供一個安全、舒適、健康的居住環(huán)境，是未來建筑發(fā)展的主流方向。將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于綠色建筑，可以充分利用太陽能資源，降低建筑能耗，滿足綠色建筑發(fā)展需求，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，符合綠色建筑發(fā)展要求。

1 太陽能光伏建筑一體化概述

通過分析太陽能光伏建筑一體化的構(gòu)架可以看出，其主要是在太陽能光伏技術(shù)的理論基礎(chǔ)上利用方陣的模式，在建筑的最表層構(gòu)架一個系統(tǒng)、立體的太陽能矩陣。這個矩陣既可以是一個獨(dú)立的系統(tǒng)，獨(dú)立承擔(dān)該棟建筑的日常能源消耗，又可以將其并入國家電網(wǎng)，輸入自身轉(zhuǎn)化的能源，進(jìn)而達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效果。在設(shè)計(jì)這個矩陣的時(shí)候，除了考慮該矩陣最大能源轉(zhuǎn)換率，還應(yīng)符合該建筑的設(shè)計(jì)理念，確保其既環(huán)保又美觀。由于光伏矩陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，因而倍受關(guān)注。第一，太陽能光伏建筑一體化的能源轉(zhuǎn)化過程不會產(chǎn)生污染物，而且其設(shè)備可以重復(fù)循環(huán)使用，具有一定的綠色性，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的作用。第二，太陽能光伏建筑一體化設(shè)備主要安裝于建筑的屋頂、外墻等部位，在充分發(fā)揮建筑效能的同時(shí)，節(jié)約了原本建筑太陽能方陣所需的空間[1]。

2 太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化的應(yīng)用

（1）太陽能光熱技術(shù)。在古代時(shí)期，我們的先人對太陽能輻射到地表的熱能利用就已經(jīng)駕輕就熟了。而如今，不論是在我國幅員遼闊的農(nóng)村、城鎮(zhèn)地區(qū)，還是在城市人口密集的老舊小區(qū)，都可以看見光熱技術(shù)應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)物——太陽能熱水器。太陽能光熱轉(zhuǎn)化比光電轉(zhuǎn)化技術(shù)更為成熟、應(yīng)用更廣，例如：太陽能熱水器，被動式太陽房等。與建筑有效結(jié)合且最普遍的應(yīng)用是太陽能熱水系統(tǒng)。隨著太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)逐漸成熟，該技術(shù)也經(jīng)歷了從農(nóng)村到城市，從零星用戶到大面積住宅，從單一熱水器到整個熱水系統(tǒng)的質(zhì)變。還可利用光熱技術(shù)發(fā)電，因其技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)電成本較傳統(tǒng)發(fā)電低，且在無光照時(shí)仍可持續(xù)發(fā)電幾個小時(shí)。按太陽能輻射量到達(dá)地面的多少，可將中國各地劃分為五類地區(qū)，一類地區(qū)年總輻射量可達(dá)五類地區(qū)的兩倍有余，這就造成太陽能熱水系統(tǒng)在資源豐富地區(qū)的使用效率高，但供應(yīng)成本較低，在建筑設(shè)計(jì)和制定政策時(shí)要因地制宜。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑外墻的應(yīng)用。綠色建筑要求盡可能減少建筑材料的使用，充分利用太陽能、風(fēng)能等自然資源，為居住者創(chuàng)造一個自然、宜居的環(huán)境。建筑外墻是最容易接受太陽直射的地方，也最容易囤積太陽能，能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)化為電能，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往將太陽能光伏板、玻璃幕墻集成PV玻璃幕墻，不僅可以隔絕太陽輻射，還可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供應(yīng)建筑內(nèi)部的照明系統(tǒng)，減少外部墻體的溫度，降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷。PV板外觀優(yōu)美、結(jié)構(gòu)輕、色彩豐富，可以賦予建筑現(xiàn)代感和時(shí)尚感，因此在現(xiàn)代建筑中廣泛應(yīng)用[2]。

（3）電氣自動化在光伏發(fā)電無功補(bǔ)償控制中的運(yùn)用。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身存在一定的復(fù)雜性，即光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中所運(yùn)用到的結(jié)構(gòu)部件主要為電子元件，光伏發(fā)電系統(tǒng)在啟動的過程中電子元器件會產(chǎn)生諧波，這給電力系統(tǒng)的維護(hù)帶來了一定的困難，不利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性，而且在實(shí)際運(yùn)用的過程中，還會因存在電壓不足的問題而導(dǎo)致電壓的超負(fù)荷運(yùn)行，這樣的工作情況不利于保證太陽能光伏發(fā)電的有效性，而且還會影響太陽能光伏發(fā)電的效率和質(zhì)量。而且如果在電子元器件啟動的過程中產(chǎn)生了無功率損耗，還會造成電能的浪費(fèi)。因此在實(shí)際的運(yùn)行過程中需要合理科學(xué)運(yùn)用電氣自動化技術(shù)，其中在這個過程中主要運(yùn)用電氣自動化技術(shù)來進(jìn)行無功實(shí)際需求量的判定，通過判定將功率的損耗控制在一個合理的范圍之內(nèi)，這樣就能有效避免電壓不穩(wěn)等情況的出現(xiàn)，以此來維護(hù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（4）光伏建筑一體化（BIPV）。就光伏建筑一體化而言，它主要由采光頂、幕墻以及構(gòu)件三部分組合而成的。對于光電采光頂，它就是把太陽能光伏板運(yùn)用到屋面上，需要確保光伏板有著良好的透光性能。通常情況下，透光率大約在10%到50%之間；對于光伏幕墻，就是把太陽能光伏板當(dāng)作建筑的玻璃幕墻，需要確保太陽能光伏板具有良好的發(fā)電性能，雖然它與傳統(tǒng)的玻璃幕墻有著相同的構(gòu)造，但它可以把太陽能轉(zhuǎn)化為電能；對于光伏構(gòu)件，就是把光伏板當(dāng)作構(gòu)件應(yīng)用到建筑中，比如遮陽構(gòu)件、圍護(hù)構(gòu)件、欄桿等，這樣一來，不僅可以起到了美觀的作用，而且還節(jié)省了大量的建筑構(gòu)件。

（5）光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑天窗中的應(yīng)用。天窗是建筑屋頂?shù)拈_口，雖然與太陽的接觸面積較小，但是可以減少室內(nèi)采光，并充分利用太陽能電板將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能和電能，有效降低室內(nèi)溫度。天窗采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以減少白天室內(nèi)的照明用電。因此，在新建或者改建建筑設(shè)計(jì)中，可以采用光伏板代替天窗玻璃[3]。

3 結(jié)束語

太陽能建筑通過太陽能光熱技術(shù)、光伏電力技術(shù)與建筑的有效結(jié)合，將供給人們免費(fèi)、清潔、取之不盡的能源，符合當(dāng)下全球倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的革新，太陽能建筑的設(shè)計(jì)和建造越來越普及，也被更多的人認(rèn)可。