光伏空調(diào)的應(yīng)用研究及分析

徐盤靈

［合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司，安徽 合肥 230000］

0 引言

2021 年11 月，中美發(fā)布了《中美關(guān)于在21 世紀(jì)20 年代強(qiáng)化氣候行動(dòng)的格拉斯哥聯(lián)合宣言》，承諾加強(qiáng)氣候合作，捍衛(wèi)《巴黎協(xié)定》的成果，避免了格拉斯哥會(huì)議“淪為空談”，彰顯了大國(guó)擔(dān)當(dāng)。我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”頂層設(shè)計(jì)逐步完善，推進(jìn)思路逐步清晰。2021 年10 月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》，國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，兩者共同構(gòu)成貫穿碳達(dá)峰、碳中和兩個(gè)階段的頂層設(shè)計(jì)。

持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及實(shí)施節(jié)能提效，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。立足我國(guó)的大環(huán)境下，節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境更是基本國(guó)策。工業(yè)、交通和建筑，被公認(rèn)為全球三大“能耗大戶”。據(jù)世界銀行預(yù)計(jì)，到2030 年，若要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，70%的潛力在建筑節(jié)能減排方面。建筑能耗在我國(guó)能源總消費(fèi)中所占的比例已達(dá)40%，并且近年來(lái)一至保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)耗能在建筑耗能中占比已超40%，大型公共建筑中的空調(diào)系統(tǒng)耗能約占比達(dá)50～65%，數(shù)據(jù)中心機(jī)房中除IT 設(shè)備能耗外空調(diào)系統(tǒng)耗能占比甚至超過(guò)80%。隨著功能日趨復(fù)雜及體量日趨龐大建筑的增加，隨著人民對(duì)室內(nèi)環(huán)境更衛(wèi)生、更舒適的要求，隨著空調(diào)市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，空調(diào)使用頻率的增加，也帶來(lái)了諸如能耗增加、碳排放超標(biāo)、熱島效應(yīng)等系列問(wèn)題，這些問(wèn)題如果得不到有效解決，將會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的能源危機(jī)及生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題。

加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展光伏發(fā)電、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電，推動(dòng)煤炭消費(fèi)盡早達(dá)峰。在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)大調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，清潔能源特別是太陽(yáng)能的技術(shù)發(fā)和應(yīng)用亟待發(fā)展。太陽(yáng)能的利用方式中主要分太陽(yáng)能光伏利用和太陽(yáng)能熱利用。太陽(yáng)能光伏利用是利用光伏材料吸收太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)換為電能供給到公共電網(wǎng)或個(gè)人電用戶；太陽(yáng)能熱利用是利用吸熱材料吸收太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能供給到供熱管網(wǎng)或熱用戶。在太陽(yáng)能光伏利用中，采用光伏空調(diào)對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行制冷和供暖，在有效改善建筑室內(nèi)環(huán)境溫濕度的同時(shí)，可以從源頭有效減少煤炭消費(fèi)，避免了煤炭在生產(chǎn)發(fā)電過(guò)程中的環(huán)境污染及碳排放等問(wèn)題，在使用過(guò)程成有效減少公共電網(wǎng)的用電荷載，順便起到“削峰填谷”的作用[1]。

1 光伏空調(diào)的研究

光伏空調(diào)是近幾年新出的產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)已有廠家生產(chǎn)并投入使用。據(jù)格力介紹，格力光伏空調(diào)系統(tǒng)覆蓋工廠、學(xué)校、商業(yè)辦公、住宅等應(yīng)用場(chǎng)景，目前已為超過(guò)30 個(gè)國(guó)家和地區(qū)搭建了8000 余套光伏空調(diào)系統(tǒng)。那么光伏空調(diào)復(fù)雜么，與平常使用的空調(diào)有什么區(qū)別？其實(shí)光伏空調(diào)可以理解為一臺(tái)太陽(yáng)能空調(diào)。它的基本結(jié)構(gòu)和制冷原理和普通空調(diào)完全相同，唯一不同的是在空調(diào)的外機(jī)上面配一套太陽(yáng)能發(fā)電板，利用太陽(yáng)能發(fā)電板，給空調(diào)的壓縮機(jī)等供電，如圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)易太陽(yáng)能空調(diào)

當(dāng)然，這是為了便于理解簡(jiǎn)單舉例，實(shí)際上太陽(yáng)能板與空調(diào)外機(jī)之間還有太陽(yáng)能光伏組件、蓄電池、逆變器、控制器等部件。太陽(yáng)能光伏空調(diào)系統(tǒng)中，對(duì)于節(jié)能減排及方便使用影響較大的主要是光伏組件、蓄電池兩個(gè)部件。

光伏組件主要包括太陽(yáng)能電池片、光伏玻璃、封裝材料、背板、邊框及接線盒，如圖2 所示。

圖2 光伏組件結(jié)構(gòu)

由于單片太陽(yáng)電池片輸出電壓較低，未封裝的電池片由于環(huán)境的影響電極容易脫落，因此必須將一定數(shù)量的單片電池采用串、并聯(lián)的方式密封成太陽(yáng)電池組件，以避免電池電極和互聯(lián)線受到腐蝕，另外封裝也避免了電池碎裂，方便了戶外安裝，封裝后一系列構(gòu)件組合稱為光伏組件。太陽(yáng)能光伏組件能夠直接吸收太陽(yáng)能，并利用太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體PN 結(jié)的“光生伏特效應(yīng)”將吸收的太陽(yáng)能按光伏組件自身的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換為直流電能，為空調(diào)或蓄電池提供動(dòng)力。光伏領(lǐng)域第三方市場(chǎng)調(diào)研與咨詢機(jī)構(gòu)PVInfoLink 最新發(fā)布的2021年全球組件出貨排名顯示，前十大光伏組件供應(yīng)商中，中國(guó)公司占據(jù)8 席，并包攬前6 名。光伏組件的最大產(chǎn)能和最先進(jìn)技術(shù)均在我國(guó)。目前，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)23%，光伏組件主要靠提高轉(zhuǎn)化效率來(lái)降低成本，未來(lái)隨著光學(xué)優(yōu)化（如使用透光性更高的鍍膜玻璃、反射性更強(qiáng)的背板）、電學(xué)優(yōu)化（如使用多主柵、半片及疊瓦技術(shù)）、結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如采用無(wú)框及雙面玻璃等結(jié)構(gòu)），轉(zhuǎn)換效率還會(huì)更高[2]。

蓄電池是太陽(yáng)能光伏空調(diào)中儲(chǔ)存能量的主要部件。夜間沒(méi)有光照，但依舊可能會(huì)有空調(diào)需求，陰雨天也是如此，因此一套合格的光伏空調(diào)系統(tǒng)，除了光伏組件、空調(diào)內(nèi)外機(jī)之外，還需要配電單元與儲(chǔ)能單元?？紤]太陽(yáng)能具有間歇性和晝夜變化的特點(diǎn)，在光照充足的時(shí)段太陽(yáng)能光伏組件能夠提供充足的電能保障系統(tǒng)工作，多余的電能輸向蓄電池或市政電網(wǎng)儲(chǔ)存，但在夜晚或多云的情況下，太陽(yáng)能光伏組件不能提供足夠的電能，此時(shí)儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)的電量或者市政電網(wǎng)的電量可以用作補(bǔ)充[3]。

由此得知，根據(jù)光伏發(fā)電情況及空調(diào)系統(tǒng)工作需求，以光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)系統(tǒng)為例，光伏發(fā)電及蓄電池工作情況主要分為以下5 種情況。

（1）當(dāng)純市政電網(wǎng)輸電工作模式時(shí)，光伏組件系統(tǒng)不發(fā)電，主機(jī)向市政電網(wǎng)取電運(yùn)行，機(jī)組相當(dāng)于常規(guī)高效變頻離心機(jī)，工作模式如圖3 所示。

圖3 純市政電網(wǎng)輸電工作模式

（2）當(dāng)純光伏發(fā)電工作模式時(shí)，主機(jī)不工作，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能全部向儲(chǔ)能電池或市政電網(wǎng)送電，機(jī)組提供光伏逆變器功能，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)常規(guī)光伏發(fā)電站。

（3）當(dāng)純光伏發(fā)電工作模式時(shí)，主機(jī)工作，光伏發(fā)電功率等于主機(jī)耗電功率，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能全部用于主機(jī)耗電，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能完全自發(fā)自用，對(duì)外實(shí)現(xiàn)零耗電。

（4）當(dāng)純光伏發(fā)電工作模式時(shí)，若光伏發(fā)電功率大于主機(jī)耗電功率，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能一部分用于主機(jī)耗電，其余剩余部分輸向儲(chǔ)能電池或市政電網(wǎng)。

（5）當(dāng)純光伏發(fā)電工作模式時(shí)，若光伏發(fā)電功率小于主機(jī)耗電功率，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量不滿足主機(jī)耗電量，需要從市政電網(wǎng)或儲(chǔ)能電池補(bǔ)充部分電能[4]。

2 光伏空調(diào)的應(yīng)用分析

（1）光伏發(fā)電的降本增效。國(guó)家能源局日前公布2021 年光伏發(fā)電建設(shè)運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國(guó)光伏發(fā)電新增并網(wǎng)容量5488 萬(wàn)kW，其中集中式光伏電站2560.07 萬(wàn)kW，分布式光伏2927.9kW。近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)迭代升級(jí)不斷加快，智能制造迅速推廣，光伏發(fā)電成本下降了90%以上。與此同時(shí)，我國(guó)光伏發(fā)電成本也有了大幅降低，截至2022 年已降至0.3 元/kW·h 時(shí)以內(nèi)。“十四五”期間還將降到0.25 元/kW·h 以下，屆時(shí)光伏發(fā)電成本將低于絕大部分煤電。如進(jìn)一步考慮生態(tài)環(huán)境成本，光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。未來(lái)，光伏發(fā)電的成本還將進(jìn)一步降低，而化石能源的環(huán)境成本、排放成本還會(huì)上升。

（2）光伏空調(diào)技術(shù)發(fā)明應(yīng)用。光伏直驅(qū)變頻空調(diào)技術(shù)，將光伏直流電直接并入變頻空調(diào)機(jī)載換流器的直流母線，相比傳統(tǒng)的光伏發(fā)電+變頻空調(diào)模式省去了上網(wǎng)和供電時(shí)進(jìn)行交/直流電轉(zhuǎn)換的能量損耗，提升系統(tǒng)效率6%～8%。首創(chuàng)三元換流技術(shù)，建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)、變頻空調(diào)負(fù)載和公用電網(wǎng)三者之間的三元換流模型，現(xiàn)了電能在直流側(cè)雙向流動(dòng)、多路混合。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)切換五種運(yùn)行模式，電能動(dòng)態(tài)切換時(shí)間小于10ms。

（3）2021 年 11 月，格力舉行光伏（儲(chǔ)）直流變頻多聯(lián)機(jī)技術(shù)推介會(huì)，正式推出綠色節(jié)能技術(shù)——光伏（儲(chǔ)）直流空調(diào)系統(tǒng)。光伏（儲(chǔ)）直流空調(diào)系統(tǒng)由光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和能源信息管理系統(tǒng)組成，搭載格力光伏直驅(qū)變頻技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電力自發(fā)自用，還能夠?qū)⒍嘤嚯娏抗┙o其他用電設(shè)備[5]。

（4）2021 年6 月，國(guó)家能源局綜合司下發(fā)關(guān)于報(bào)送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知。根據(jù)文件，項(xiàng)目申報(bào)試點(diǎn)縣（市、區(qū)）要具備豐富的屋頂資源、有較好的消納能力，黨政機(jī)關(guān)建筑屋頂總面積光伏可安裝比例不低于50%，學(xué)校、醫(yī)院、村委會(huì)等公共建筑不低于40%，工商業(yè)廠房屋頂不低于30%，農(nóng)村居民屋頂不低于20%。隨著整縣光伏政策的推進(jìn)，光伏的應(yīng)用形式和分布式消納問(wèn)題成為關(guān)鍵。光伏（儲(chǔ)）直流空調(diào)系統(tǒng)具有直流直驅(qū)、自發(fā)自用等特點(diǎn)，是對(duì)零碳電能的更高效利用，是一種新型的分布式發(fā)用電一體化解決方案，是整縣光伏政策在建筑上落地的最佳途徑。

3 光伏空調(diào)的發(fā)展方向

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了一部分優(yōu)秀的光伏空調(diào)產(chǎn)品，包括大型的光伏直驅(qū)變頻空調(diào)，中小型的光伏（儲(chǔ)）直流變頻多聯(lián)機(jī)，這些都是研發(fā)持續(xù)投入及技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)果，說(shuō)明我國(guó)在光伏空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成就。但在當(dāng)今時(shí)代背景下，還是有4 點(diǎn)值得關(guān)注。

（1）太陽(yáng)能有其天然不穩(wěn)定性，因此光伏發(fā)電也有其不穩(wěn)定性，這就增加了電網(wǎng)調(diào)控、平衡的難度，要加大智慧電網(wǎng)的建設(shè)。

（2）加快重大技術(shù)創(chuàng)新示范，推進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、運(yùn)行管理，推快儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，避免棄光棄電，穩(wěn)定空調(diào)系統(tǒng)的電能供給[6]。

（3）將太陽(yáng)能光伏空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)用在更廣泛的建筑節(jié)能領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到太陽(yáng)能光伏空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)效果與節(jié)能效果，運(yùn)行管理時(shí)也要糾正人們使用空調(diào)的不良習(xí)慣，如避免空調(diào)溫度的過(guò)高或過(guò)低、無(wú)人使用時(shí)空調(diào)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉等行為。

（4）光伏空調(diào)用電自給自足，為了保證全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，必須備足足夠的儲(chǔ)能。大型項(xiàng)目空間開(kāi)闊，可以安裝足夠的光伏組件與儲(chǔ)能單元，保障日常用電。但是家用光伏空調(diào)沒(méi)有這樣的光伏組件安裝條件，即使有安裝條件，設(shè)備成本也比較昂貴。未來(lái)的家用光伏空調(diào)需要質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，才能走進(jìn)尋常百姓家中，惠及人民。

4 結(jié)語(yǔ)

由于晝夜變換、陰雨及季節(jié)等自然因素的影響，以及光伏空調(diào)設(shè)備成本因素的影響，太陽(yáng)能光伏空調(diào)目前僅在重點(diǎn)項(xiàng)目或大型項(xiàng)目中應(yīng)用，光伏空調(diào)在推廣的道路上依然有許多困難需要解決，未來(lái)要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V和應(yīng)用還任重道遠(yuǎn)。為了更好地發(fā)展太陽(yáng)能光伏空調(diào)，開(kāi)拓太陽(yáng)能空調(diào)新領(lǐng)域，要加快太陽(yáng)能光伏組件和光伏直驅(qū)技術(shù)的突破，加快研究制冷技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)的改變，使得太陽(yáng)能光伏空調(diào)能規(guī)模化推廣和應(yīng)用到更多的建筑當(dāng)中。