新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排探討

摘要：隨著我國“雙碳”目標的提出，各行各業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)型。建筑行業(yè)作為碳排放大戶，成為推動“雙碳”目標實現(xiàn)的重要影響因素。在此背景下，建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展使光伏發(fā)電在建筑電氣中迎來了全新的發(fā)展機遇?；诖?，我國建筑行業(yè)應(yīng)明確新能源光伏發(fā)電技術(shù)在建筑電氣項目建設(shè)中的重要作用及運用優(yōu)勢，彰顯技術(shù)利用價值，減少能源消耗和建設(shè)污染等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；建筑電氣；節(jié)能減排

DOI：10.12433/zgkjtz.20233102

光伏與建筑的結(jié)合不應(yīng)僅考慮光伏裝機量，還要考慮光伏發(fā)電建材與建筑設(shè)計、城市環(huán)境風(fēng)貌、區(qū)域文化元素等的關(guān)系，應(yīng)利用光伏建材可靈活定制顏色、圖案、尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)厚度、透光度等優(yōu)勢，將光伏建材產(chǎn)品融入建筑設(shè)計。光伏建材需滿足安全、美觀、實用、耐用、經(jīng)濟五大條件，與常見光伏電站中的光伏組件相比，建筑中應(yīng)用的光伏建材產(chǎn)品要求更高。光伏建材產(chǎn)品在滿足安全的前提下，既要滿足業(yè)主、建筑設(shè)計師對美觀、透光度、尺寸等方面的需求，又要堅固耐用，具備較強的發(fā)電能力和經(jīng)濟性，同時滿足以上需求的難度較大。

一、概述

（一）光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電是當前應(yīng)用廣泛的一種發(fā)電形式，在電力生產(chǎn)過程中主要通過硅晶電池實現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)化，再利用控制器將得到的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，控制器也可以實現(xiàn)對交流電的調(diào)節(jié)。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有離網(wǎng)光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電三種，無論哪種發(fā)電形式，均會受到外界環(huán)境的影響，因此加強對光伏發(fā)電影響因素的研究，對提高電氣節(jié)能效果具有重要意義。

（二）建筑電氣節(jié)能減排的原則

在建筑電氣節(jié)能減排工作中，為了使該工作目標得以實現(xiàn)，必須注意遵循以下工作原則：第一，遵守相關(guān)規(guī)范及標準，合理規(guī)劃建筑用能用電，按照分類分項進行實時監(jiān)測和控制，以此及時發(fā)現(xiàn)電能資源的過度損耗問題，分析原因并解決，確保電氣節(jié)能減排工作目標可以高質(zhì)量實現(xiàn)。第二，建筑工程人員要高度重視節(jié)能環(huán)保設(shè)計工作，把握節(jié)能環(huán)保設(shè)計工作的核心內(nèi)容，不斷加強對節(jié)能環(huán)保新技術(shù)新產(chǎn)品的認識和學(xué)習(xí)，利用新技術(shù)、新方案、新產(chǎn)品提高建筑電氣節(jié)能減排水平，從而降低建筑電氣使用成本和運行能耗，提升項目整體的經(jīng)濟效益。第三，各類建筑工程不僅要重視經(jīng)濟效益，還要以節(jié)能環(huán)保原則為準則，選用電氣節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品，大力發(fā)展綠色建筑，提升建筑工程周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為大眾提供宜居的環(huán)境。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已相對成熟，設(shè)備穩(wěn)定可靠，回收成本高，符合建筑電氣節(jié)能減排的各項要求，因此可廣泛應(yīng)用于各類建筑工程項目中。

二、建筑電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

（一）環(huán)保意識不足，對節(jié)能技術(shù)不夠重視

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題。結(jié)合當前施工實踐來看，建筑施工單位的管理水平普遍較低，管理人員環(huán)保意識不足，尚未充分重視節(jié)能技術(shù)，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮節(jié)能技術(shù)的運用作用。同時，施工技術(shù)與管理模式有待完善，需要不斷提高施工效率，減少資源浪費，避免施工成本增加，降低經(jīng)濟效益，影響生態(tài)環(huán)境。

（二）電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題

1.頻率控制策略

主要通過調(diào)整發(fā)電機組的有功功率實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。常見的頻率控制策略包括主動功控制、無功功率控制、風(fēng)險約束控制等。新能源發(fā)電設(shè)備可以參與頻率控制，通過調(diào)整其有功輸出實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的支撐。

2.新能源發(fā)電

對頻率穩(wěn)定性有所貢獻的新能源發(fā)電設(shè)備，例如，風(fēng)力發(fā)電機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以在一定程度上參與系統(tǒng)頻率控制。例如，風(fēng)力發(fā)電機組通過調(diào)整其葉片角度實現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)；光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器控制實現(xiàn)有功功率的調(diào)整，這都有助于提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

（三）成本壓力過大，節(jié)能技術(shù)落實不到位

雖然在低碳經(jīng)濟的發(fā)展理念下，建筑行業(yè)對節(jié)能減排技術(shù)的重視程度越來越高。然而，結(jié)合建筑工程實踐可以發(fā)現(xiàn)，建筑行業(yè)所需的投資成本也是其他行業(yè)無可比擬的，例如，在電氣設(shè)計的過程中，建筑企業(yè)會為設(shè)計人員提供一個成本指標，要求設(shè)計人員在成本的范圍內(nèi)進行設(shè)計，而設(shè)計人員在巨大的成本壓力之下，基本也無法選擇節(jié)能設(shè)備。

三、新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排探討

（一）培養(yǎng)高素質(zhì)的光伏發(fā)電技術(shù)隊伍

在建筑工程的設(shè)計、建設(shè)及維護階段，為了進一步高質(zhì)量落實新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，要加快培養(yǎng)光伏發(fā)電技術(shù)專業(yè)工作人員，采取有效措施提升人才隊伍的專業(yè)綜合素質(zhì)，使工作人員掌握光伏發(fā)電技術(shù)的核心內(nèi)容，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的高利用效率，助力建筑工程節(jié)能減排工作目標的有效完成。此外，建筑電氣工程設(shè)計工作要滿足國家及地方性規(guī)范標準的需求，同時結(jié)合建筑工程的實際，有針對性地應(yīng)用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)，并在實施過程中不斷優(yōu)化光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用方案、系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備選型。這一舉措能降低光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用成本，充分發(fā)揮光伏發(fā)電的核心價值。

（二）光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

1.技術(shù)特點

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)將太陽能電池組件所產(chǎn)生的直流電力經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成AC電力，再由公用電網(wǎng)進行供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分集中式和分散式兩類。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特征是將電力直接傳輸至電網(wǎng)，再通過電網(wǎng)對不同用戶進行統(tǒng)一分配，適合大規(guī)模的太陽能發(fā)電站；而光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的互聯(lián)互通，通過與電網(wǎng)的連接，實現(xiàn)電能的輸出和負載的供應(yīng)，也可以將多余的電能輸入電網(wǎng)，實現(xiàn)能源的互補和共享。通過充分利用電網(wǎng)的支持和保護功能，光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運行過程中能保證電能輸出的穩(wěn)定性和可靠性，也能確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行，實現(xiàn)雙方的互惠互利。

2.節(jié)能節(jié)排功能

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)可為建筑提供綠色能源，促進電氣節(jié)能減排效果。該技術(shù)可利用建筑物屋頂、車棚，在不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)及防水性能的基礎(chǔ)上建設(shè)光伏構(gòu)件，由此減少能源消耗，降低室內(nèi)屋頂、地面的溫度，降低生產(chǎn)用電成本。例如，10kW及以上的分布式光伏電站在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中，用直采的方式接入有關(guān)的調(diào)度機構(gòu)。在此過程中，可使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和無線網(wǎng)，需保障使用的數(shù)據(jù)滿足調(diào)度數(shù)據(jù)的采集和頻率需求。

（三）太陽能屋頂

目前，在建筑物頂部安裝太陽能板是一種較普遍的太陽能利用方式，隨著建筑行業(yè)發(fā)展水平提升和建筑工程量增加，可以在大多數(shù)高層建筑屋頂發(fā)現(xiàn)太陽能板的身影。將太陽能板安裝在建筑屋頂能實現(xiàn)光照范圍最大化，設(shè)備與屋頂結(jié)構(gòu)緊緊貼合還能減少風(fēng)力對建筑的影響。太陽能屋頂能代替屋頂結(jié)構(gòu)，降低材料用量，經(jīng)濟效益顯著。

其優(yōu)點在于：第一，屋頂是建筑物外側(cè)最大的閑置空間，是建筑物中適合安裝太陽板的位置，高效利用屋頂可大幅提升建筑物的空間利用率。第二，由于屋頂?shù)男逼屡c水平方向都比地面更高，因此屋頂是吸收日光最好的位置。在屋面設(shè)置水平或傾斜的平面，吸收的太陽輻射量將超出垂直立面吸收的太陽輻射量。

在建筑物屋頂安裝太陽能板，屋頂結(jié)構(gòu)不會影響建筑物的總體美感。尤其對于城市化建設(shè)較完善的區(qū)域，可在已有建筑基礎(chǔ)上提升建筑的環(huán)保性。如果將太陽能板設(shè)置在建筑外墻，可能會由于操作不當影響周邊行人與居民的視線，造成眩光污染。建筑密度較高的城市，其外墻遮擋現(xiàn)象較嚴重，多數(shù)地方不適合安裝太陽能板，即使安裝發(fā)電效率也較低。

如果將太陽能板應(yīng)用于高層建筑屋頂，可在建筑物與陽光間建立一種“過渡”結(jié)構(gòu)，提升建筑物的保溫隔熱效果，進而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。目前，國內(nèi)已有較成熟的太陽能屋頂設(shè)計技術(shù)，無論是前期的安裝工作還是后期的維修工作，工藝都較簡便，可推廣運用。

（四）逆變器的設(shè)計

太陽能光伏逆變器是光伏系統(tǒng)中的核心部分，主要功能是將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，再經(jīng)過逆變器將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，從而輸出電能。太陽能光伏逆變器根據(jù)控制方式可以分為有源逆變和無源逆變。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是核心設(shè)備，其性能和質(zhì)量決定了光伏系統(tǒng)的工作效率、可靠性以及安全性。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)從以下方面進行考慮。

1.系統(tǒng)容量

光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常包括多塊光伏組件，在實際安裝過程中，應(yīng)詳細分析太陽能電池組件的功率以及安裝位置，確保逆變器穩(wěn)定運行。

2.運行模式選擇

逆變器需要選擇運行模式。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括MPPT和最大功率點跟蹤兩種運行模式。其中，MPPT模式可以使光伏電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，從而輸出電能；而最大功率點跟蹤模式是使光伏電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，從而使其輸出電能。

3.孤島檢測裝置

孤島檢測裝置主要是用來檢測光伏系統(tǒng)中是否出現(xiàn)故障，確保光伏系統(tǒng)正常運行。

4.防雷保護設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，應(yīng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行防雷保護設(shè)計。一般采用防雷器對電路進行保護，能有效避免由于雷擊而造成的嚴重后果。

（五）光伏電池板安裝方式

為了更好地利用光能，科學(xué)安裝光伏電池板也是提高光伏發(fā)電效率、降低企業(yè)能耗的重要途徑?，F(xiàn)階段，光伏電池板安裝方式主要包括固定式、單軸跟蹤式以及雙軸跟蹤式三種。

固定式是將光伏電池板固定安裝在某個位置，并處于靜止不動，該種安裝方式應(yīng)用廣泛、安裝方式簡單、安全性高，也是三種安裝方式成本最低的一種。

單軸跟蹤安裝形式主要借助單軸自動跟蹤器對光伏電池板的角度進行動態(tài)化調(diào)整，主要根據(jù)外界光照強度的變化而改變，相比較固定式安裝方式最多可提高30%的發(fā)電量。當前，單軸自動跟蹤安裝方式也分為單軸跟蹤和極單軸跟蹤，極單軸跟蹤安裝方式由于施工成本較高，容易受到大風(fēng)的影響，應(yīng)用并不廣泛。

雙軸跟蹤安裝方式是根據(jù)太陽光的照射情況可以轉(zhuǎn)向各個方向，雙軸系統(tǒng)可以最大程度上利用太陽輻射的光能。該種安裝方式能在光照資源較差的地方應(yīng)用，吸收太陽能，相比較固定式安裝提高40%的發(fā)電量，但造價較高，安裝技術(shù)有待進一步完善。基于此，本文光伏新能源節(jié)能改造采用固定式安裝方式，以此降低改造項目對企業(yè)所產(chǎn)生的成本壓力。

（六）光伏列陣技術(shù)

依靠單一光伏電池產(chǎn)生電能無法滿足供電需求，還需采用光伏列陣技術(shù)進行多塊光伏電池排列組合，在實現(xiàn)電能充分采集的同時，利用逆變器等設(shè)備將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而實現(xiàn)供電目標。而設(shè)計光伏列陣需要根據(jù)太陽照射角度、時長等因素分析光伏發(fā)電效率，根據(jù)不同地區(qū)和季節(jié)的光照強度變化進行研究，采取適合的方法進行光伏電池排列，確保列陣可以盡可能輸出更多電能。采用跟蹤技術(shù)監(jiān)測光伏電池最大發(fā)電功率，通過檢測電流和電荷與同場其他電池進行比較，確定電能轉(zhuǎn)換慢的原因，提出有效改進措施，確保有效提高光伏發(fā)電效率。在光伏列陣的最大開路電壓處，確認列陣輸出電壓不超逆變器最大允許輸入電壓，電流不超逆變器最大輸入電流，通過調(diào)整串聯(lián)組件數(shù)使功率輸出接近逆變器額定功率。使列陣的電壓、電流和功率與逆變器匹配，實現(xiàn)最高逆變效率，為實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電奠定基礎(chǔ)。

（七）逆變器的設(shè)計

第一，系統(tǒng)容量。光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常包括多塊光伏組件，在實際安裝過程中，應(yīng)詳細分析太陽能電池組件的功率以及安裝位置，確保逆變器穩(wěn)定工作。第二，最大功率點跟蹤控制算法。為了保證太陽能電池組件的功率持續(xù)輸出，需要對其進行最大功率點跟蹤控制算法的設(shè)計。最大功率點跟蹤控制算法主要分為無反饋和有反饋兩種算法，常用的是有反饋法，可以減少跟蹤誤差，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

四、結(jié)語

綜上所述，建筑工程行業(yè)迎來了重要的發(fā)展機遇，但隨著建筑工程數(shù)量的日益增多，建筑電氣能耗快速增加，不僅加劇了傳統(tǒng)化石資源消耗，也不利于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的維護。因此，隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新能源光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)運而生，并迅速得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)可以有效降低建筑電氣工程的用電能耗，解決環(huán)境污染問題，打造真正的“綠色建筑”，并加快實現(xiàn)建筑電氣節(jié)能減排目標，促進建筑行業(yè)的穩(wěn)步和健康發(fā)展。

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作者簡介：亢濤（1984），男，山西省襄汾縣人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。