淺析分布式光伏發(fā)電在建筑中的應(yīng)用

孫昊 白瑋佳

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國·河北 保定 071000

隨著中國綜合實(shí)力的提升，建筑的數(shù)量和規(guī)模隨之?dāng)U大，根據(jù)調(diào)查，當(dāng)前人類能源消耗70%是建筑用能。隨著大家環(huán)保意識(shí)的提升，綠色建筑的數(shù)量和總建筑面積都在增長，而隨著綠色建筑一同發(fā)展起來的，還有光伏發(fā)電技術(shù)。很多發(fā)展國家都非常重視分布式光伏發(fā)電在建筑的應(yīng)用，并且提出了“零能耗建筑”的概念，利用太陽能在建筑中的應(yīng)用建設(shè)更適合的人居環(huán)境。近年來，分布式太陽能發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，中國和社會(huì)十分重視光伏發(fā)電在各個(gè)工作領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。分布式太陽能發(fā)電在不同條件、不同環(huán)境的使用情況是很多觀望者最關(guān)心的問題。論文重點(diǎn)研究建筑中的分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)，淺析分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用。

分布式光伏發(fā)電；建筑；應(yīng)用

1 引言

近些年，光伏開發(fā)利用規(guī)?？焖贁U(kuò)大，技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)加快，成本顯著降低，已經(jīng)成為能源轉(zhuǎn)型的重要領(lǐng)域。分布式光伏發(fā)電憑借其安全可靠、污染小、節(jié)約資源、可適應(yīng)不同地域的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注，尤其體現(xiàn)在并網(wǎng)發(fā)電方面，光伏發(fā)電滿足自產(chǎn)自用，倡導(dǎo)就近消耗，避免了長距離輸電的資源浪費(fèi)，減輕了電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷。目前，使用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑可粗略地分為兩類：第一類是大型公共建筑，第二類是農(nóng)村的住房。論文對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用做簡單的研究與分析[1]。

2 分布式光伏發(fā)電

2.1 分布式光伏發(fā)電簡介

分布式光伏發(fā)電指通過光伏設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在用戶場(chǎng)地建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，使用戶自發(fā)自用，減少了長距離的輸電消耗，在配電系統(tǒng)中平衡調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)了在用電高峰期大電網(wǎng)不穩(wěn)定的劣勢(shì)。目前應(yīng)用最廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是建在用戶房頂?shù)墓夥l(fā)電項(xiàng)目，接入公共電網(wǎng)，并網(wǎng)發(fā)電，產(chǎn)生的電量一部分用于建筑日常的消耗，一部分與公共電網(wǎng)一起為周圍的用戶提供電量。

2.2 分布式光伏發(fā)電的特點(diǎn)

2.2.1 輸出功率較小

一個(gè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的容量在數(shù)千瓦以內(nèi)，與集中式電站相比，光伏發(fā)電的大小對(duì)發(fā)電效率影響小，對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響也很小，小型光伏系統(tǒng)的投資收益率并不會(huì)比大型的低。

2.2.2 污染小，無噪音，環(huán)保效益突出

分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在發(fā)電過程中，由于項(xiàng)目在用戶房屋的附近，是否對(duì)居民生活造成影響十分重要。因其污染小和無噪音的優(yōu)勢(shì)，分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在自產(chǎn)自用的同時(shí)，不會(huì)對(duì)居民日常生活造成影響。

2.2.3 能在一定程度上緩解用電緊張

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活需求逐漸上升，用電量也逐年增加，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在一定程度上用新能源代替了傳統(tǒng)能源，緩解了用電緊張，由于安裝設(shè)備所需空間有限，分布式光伏發(fā)電并不能從根本上解決用電緊張的問題。

2.2.4 削峰填谷

波峰指用電高峰期，此時(shí)電網(wǎng)可能電力不足，電壓不夠；波谷指用電低峰期，此時(shí)電網(wǎng)電力充足，電壓較高。峰谷是必然的，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷甚至超過負(fù)荷，到了晚上負(fù)荷又降到谷底，負(fù)荷的變化將導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，造成電力系統(tǒng)的波動(dòng)。削峰填谷是調(diào)整用電負(fù)荷的一種措施。根據(jù)不同用戶的用電規(guī)律，合理地、有計(jì)劃地安排和組織各類用戶的用電時(shí)間，以降低負(fù)荷高峰，填補(bǔ)負(fù)荷低谷，減小電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，使發(fā)電、用電趨于平衡。

2.3 離網(wǎng)與并網(wǎng)

2.3.1 離網(wǎng)系統(tǒng)

離網(wǎng)系統(tǒng)也稱獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)，是不依賴電網(wǎng)而獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，主要由太陽能電池板、儲(chǔ)能蓄電池、充放電控制器、逆變器等部件組成。太陽能電池板發(fā)出的電直接流入蓄電池并儲(chǔ)存起來，需要給電器供電時(shí)，蓄電池里的直流電流經(jīng)逆變器并轉(zhuǎn)換成220V的交流電。

2.3.2 并網(wǎng)系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)就是太陽能發(fā)電、家庭電網(wǎng)、公共電網(wǎng)聯(lián)系在一起，太陽能發(fā)電直接通過逆變成國家電網(wǎng)需要的并電要求電壓，并優(yōu)先供家庭使用，當(dāng)太陽能的發(fā)電量超過家用電器使用的電量時(shí)，多余的電就輸送到了公共電網(wǎng)；而當(dāng)太陽能的發(fā)電量不能滿足家用電器使用時(shí)，就自動(dòng)從電網(wǎng)中補(bǔ)充。

目前，光伏發(fā)電一般包括并網(wǎng)系統(tǒng)和離網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)直接接入電網(wǎng)一般不需要蓄電池，離網(wǎng)系統(tǒng)需要蓄電池，不過由于蓄電池成本較高，目前應(yīng)用比較少，目前主推的是并網(wǎng)系統(tǒng)。在離網(wǎng)發(fā)電中，由于蓄電池的使用，使其對(duì)于削峰填谷的作用優(yōu)于一般的并網(wǎng)發(fā)電，在峰段儲(chǔ)蓄電量不增加電網(wǎng)負(fù)荷，在谷段填補(bǔ)負(fù)荷低谷。如果將蓄電池運(yùn)用到并網(wǎng)發(fā)電中，峰段發(fā)電用于建筑自用，多余電量儲(chǔ)存，到晨昏期不能發(fā)電時(shí)使用儲(chǔ)存的電量，不影響電網(wǎng)；到了谷段把余下的電量輸入公共電網(wǎng)填補(bǔ)低谷，這種方法算是對(duì)傳統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電的一種升級(jí)。如果可以解決蓄電池成本較高的問題，這種方法未來將有很大的市場(chǎng)[2]。

3 建筑能耗

建筑能耗包括在建造中建筑材料，施工一直到建造完成的總能耗，主要包括在使用過程中建筑的運(yùn)行能耗，一般包括采暖、空調(diào)、照明電器能耗、電器能耗占據(jù)建筑能耗的主導(dǎo)部分。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求越來越來高，對(duì)空氣的品質(zhì)，舒適度有著很高的要求，建筑“軟件”能耗，也迅速上升。建筑能耗、農(nóng)業(yè)能耗，交通運(yùn)輸能耗共稱為民生能耗，建筑中的空調(diào)能耗就占據(jù)民生能耗的22%。

4 分布式光伏發(fā)電在建筑上的應(yīng)用

光伏構(gòu)件在建筑中有多種安裝形式，根據(jù)材料和性能來設(shè)計(jì)光伏構(gòu)件和建筑的合理結(jié)合。一般多層建筑會(huì)采用光伏屋面節(jié)能，指的是將光伏構(gòu)件安裝在房頂，可以接受最大限度的太陽輻射。超高層建筑采用光伏幕墻節(jié)能，簡單來說就是光伏幕墻，再將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)本身具有遮陽功能。建筑通過玻璃幕墻，在整個(gè)夏季避免陽光直射，節(jié)省空調(diào)能耗。普通高層采用光伏墻面節(jié)能和光伏屋面節(jié)能，將光伏構(gòu)件裝置在外圍墻面，在收集墻面太陽能的同時(shí)，降低室內(nèi)的溫度，減少室內(nèi)空調(diào)的使用，節(jié)省電力資源。

5 大型公共建筑中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

隨著國家綜合實(shí)力的提升，公共建筑的數(shù)量和規(guī)模隨之?dāng)U大，公共建筑除采暖外的單位建筑面積能耗特別大，單棟面積超過20000m2，采用中央空調(diào)時(shí)，其單位建筑面積消耗是不采用空調(diào)消耗的3～8倍，研究分布式光伏發(fā)電在公共建筑中的應(yīng)用，是向?qū)崿F(xiàn)“0 能耗建筑”跨越的一大步。

5.1 現(xiàn)狀

5.1.1 節(jié)能減排

“十三五”規(guī)劃中提到要實(shí)現(xiàn)2020年和2030年非化石能源分別占一次能源消費(fèi)比重15%和20%的目標(biāo)，光伏是重要力量。越來越多的大型公建為響應(yīng)國家號(hào)召在屋頂設(shè)置了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)或者在設(shè)置光伏幕墻，同時(shí)根據(jù)國家的鼓勵(lì)政策可以享受到補(bǔ)貼。將分布式發(fā)電用于建筑內(nèi)能源消耗，降低了建筑整體能耗，從而減輕大型建筑大能耗對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。

5.1.2 便于管理

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分為接入系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)本體兩部分；接入系統(tǒng)部分又包括公共電網(wǎng)接入部分和用戶側(cè)接入部分。公共電網(wǎng)接入部分由供電企業(yè)負(fù)責(zé)投資建設(shè)，建設(shè)和管理責(zé)任單位為地市供電企業(yè)或縣區(qū)供電企業(yè)。用戶側(cè)接入部分和發(fā)電系統(tǒng)本體由項(xiàng)目業(yè)主負(fù)責(zé)投資建設(shè)，也就是由建筑的投資方負(fù)責(zé)建設(shè)發(fā)電系統(tǒng)主體，在這種形態(tài)下，維護(hù)和修理的可靠性得以保證。

此外，非居民家庭的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，項(xiàng)目業(yè)主根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)本體工程建設(shè)情況，在工程建設(shè)的前期、中期和后期委托有資質(zhì)的電力質(zhì)量質(zhì)檢部門監(jiān)督和簽證。這為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理又增加了一層保障。

5.1.3 效用不高

并網(wǎng)模式可有三種方式“全部自用、自發(fā)自用余量上網(wǎng)、全部上網(wǎng)”。“全部上網(wǎng)”更多是發(fā)電站的模式，這里不做討論，“全部自用”和“自發(fā)自用余量上網(wǎng)”是建筑中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)更常見的模式。部分建筑結(jié)合“被動(dòng)房”的技術(shù)和理念實(shí)現(xiàn)能源的自給自足，可以做到多余電量上網(wǎng)的目標(biāo)，但此類建筑并沒有普及。大部分的大型公共建筑因其自耗能較高，發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出的電量無法滿足自身的需要，對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)更是微乎其微。不可否認(rèn)，大型建筑中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為降低能耗做出了貢獻(xiàn)，但是并不能成為能源占比改革的主力軍。

6 農(nóng)村住房中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

除部分煤，電等商品能源外，在許多地區(qū)，農(nóng)民還以燃燒秸稈，薪柴等生物質(zhì)能。城鄉(xiāng)之間由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展等的差異，電器擁有的數(shù)目和使用時(shí)間長度的不同，在能源消耗上差距也較大。下面分析農(nóng)村住房分布式光伏發(fā)電現(xiàn)狀和存在的問題。

6.1 現(xiàn)狀

6.1.1 節(jié)能減排

為響應(yīng)國家號(hào)召，農(nóng)村的住房也在屋頂設(shè)置了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。例如，在中國合肥市，許多光伏企業(yè)紛紛在農(nóng)村市場(chǎng)布局，光伏發(fā)電給農(nóng)民不僅帶來便利，也帶來不菲的收入。在中國東部沿海地區(qū)，很多農(nóng)民家里早已別墅成群，家庭光伏發(fā)電早已成為流行趨勢(shì)。可以說，家庭光伏發(fā)電在農(nóng)村市場(chǎng)的發(fā)展已呈現(xiàn)越來越蓬勃的姿態(tài)，前景大好。相比大型公共建筑，農(nóng)村的住房容積率很小，發(fā)電自用在可以滿足大部分住房需求下，可以將更多的余電傳上網(wǎng)，降低了能耗。

6.1.2 前景明朗

農(nóng)村住房改造和供暖能源轉(zhuǎn)型對(duì)建筑行業(yè)來說是一個(gè)重點(diǎn)課題。如上所述，在合肥和東南沿海地區(qū)安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為流行趨勢(shì)，但是在北方的農(nóng)村卻很少看到。安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)可以減少冬天供暖所消耗的傳統(tǒng)能源。值得一提的是，農(nóng)村住房在冬季自行供暖的情況下，環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的現(xiàn)象普遍存在，雖然安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)后不能從根本上解決這個(gè)問題，但可以有效緩解傳統(tǒng)能源的使用帶來的污染問題[3]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量按照季節(jié)排序，依次是春季、秋季、夏季、冬季。在多數(shù)時(shí)間，分布式光伏系統(tǒng)處于盈利狀態(tài)。雖然分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展迅速，但綜合整個(gè)比例來看，分布式光伏發(fā)電占比還比較小，有很大的發(fā)展空間。

6.1.3 管理困難

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村的安裝，大多采用租賃模式或者是合同能源管理模式，亦或是與當(dāng)?shù)卣?lián)合，建立光伏示范村，將所有屋頂承包給光伏公司做光伏發(fā)電系統(tǒng)。這種形式將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁到光伏公司或政府身上，農(nóng)民可以選擇自己用電或者不用電，每月只需收取租金。但是在發(fā)展農(nóng)村市場(chǎng)上，由于農(nóng)民對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍不了解，因此在發(fā)展過程中并不如意。從農(nóng)民角度來看，他們存在顧慮：安裝光伏發(fā)電裝置會(huì)不會(huì)破壞屋頂、會(huì)不會(huì)影響美觀、破壞風(fēng)水，投資收益能不能回收成本、產(chǎn)品質(zhì)量可不可靠。這些大多是因?yàn)樗麄儗?duì)光伏系統(tǒng)或這個(gè)產(chǎn)品并不了解。

從企業(yè)角度來看，在農(nóng)村發(fā)展分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，一些實(shí)際問題滯待解決，屋頂條件參差不齊，構(gòu)件的安裝對(duì)于屋頂?shù)某兄?、面積、朝向、遮擋、角度等方面都有著嚴(yán)苛要求，這些問題給設(shè)計(jì)安裝帶來很大的不便；在施工進(jìn)行時(shí)，為了滿足農(nóng)民日常勞作的需求，安裝分布式光伏發(fā)電的施工周期也會(huì)較長。

6.1.4 運(yùn)行受阻

有些農(nóng)村地區(qū)處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，離電站距離遠(yuǎn)，用電荷分散，需長距離配電網(wǎng)輸送電能，為了提高電能質(zhì)量，加大建設(shè)分布式光伏發(fā)電站，導(dǎo)致接入的位置和容量大小不確定，造成電能分布不均衡，使整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。在多個(gè)光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)時(shí)，薄弱的配電網(wǎng)系統(tǒng)很難承載，對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)的運(yùn)行和控制帶來很大挑戰(zhàn)。

7 面臨的挑戰(zhàn)

2018年4月，國家能源局發(fā)布《分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目管理辦法》（征求意見稿），分布式光伏電站重新劃分為小型分布式光伏發(fā)電設(shè)施和小型分布式光伏發(fā)電站兩種類型：對(duì)上網(wǎng)模式與上網(wǎng)電量的占比進(jìn)行限定；對(duì)于不符合規(guī)定上網(wǎng)模式的分布式項(xiàng)目，不再支付補(bǔ)貼或超出部分不支付補(bǔ)貼。這說明，除戶用之外的分布式光伏項(xiàng)目必須加大自發(fā)自用的比例，否則將無法享受分布式光伏的優(yōu)惠政策，同時(shí)分布式光伏的發(fā)展將整體受到限制，但在其他分布式項(xiàng)目的高要求下，企業(yè)或會(huì)將更多的注意力放到戶用光伏上，進(jìn)而刺激戶用光伏的蓬勃發(fā)展。

8 總結(jié)和展望

隨著大家對(duì)節(jié)約資源綠色建設(shè)的觀念逐漸增加，我們可以看到，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有著廣闊的前景，在國家的大力支持下，中國光伏產(chǎn)業(yè)體系不斷完善，技術(shù)也更加成熟，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為中國建筑的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)巨大力量。

我們可以看到，無論大型公共建筑中，還是農(nóng)村住房中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，都在為國家能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)助力。由此觀之，建筑中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有非常大的發(fā)展?jié)摿?，只要我們穩(wěn)步走在這條探索之路上，將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣到全國各地，實(shí)現(xiàn)真正的綠色建設(shè)指日可待。