光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的應(yīng)用

王朦朦

(河南開(kāi)封科技傳媒學(xué)院,河南 開(kāi)封 475004)

當(dāng)前,人口增長(zhǎng)、氣候變化、環(huán)境污染、能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題日益加劇。由于人類(lèi)對(duì)各類(lèi)資源的過(guò)度開(kāi)采和超前透支,部分自然資源已出現(xiàn)枯竭的風(fēng)險(xiǎn),生態(tài)環(huán)境遭到極大的破壞。于是,人們便把目光轉(zhuǎn)向風(fēng)能、潮汐能、水能、地?zé)崮芎吞?yáng)能等可再生能源,希望可以替代緊缺的不可再生資源,改善資源短缺現(xiàn)狀,謀求長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。太陽(yáng)能是最容易獲得的自然能源之一,地域限制小,能量豐富、清潔環(huán)保,是典型的可再生能源,也是未來(lái)可再生能源發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前,光伏電池技術(shù)已相對(duì)成熟,規(guī)模逐漸壯大,應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的建設(shè)中,會(huì)給體育領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展以及城市升級(jí)改造帶來(lái)較大的積極影響,值得推廣。

1 光伏電池系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電是依托于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,從而實(shí)現(xiàn)供電的技術(shù),包括逆變器、控制器和太陽(yáng)能電池等組件,其中,太陽(yáng)能電池是關(guān)鍵的技術(shù)元件。根據(jù)供電形式的不同,光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為能夠獨(dú)立運(yùn)行的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)、與公共電網(wǎng)相連的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分散式分布的分布式發(fā)電系統(tǒng)等。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,光伏材料日益創(chuàng)新,光伏發(fā)電成本大幅度降低,在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛。首先,光伏發(fā)電技術(shù)可以應(yīng)用到日常生活用電領(lǐng)域,尤其是高原、海島等電力供應(yīng)有困難的邊遠(yuǎn)地區(qū),解決用電不方便的問(wèn)題,還可用于水泵系統(tǒng),解決無(wú)電地區(qū)的用水問(wèn)題;其次,光伏發(fā)電技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域,如交通信號(hào)燈、路燈和交通警示燈等;此外,光伏發(fā)電技術(shù)還可應(yīng)用于通信、氣象、石油和體育等領(lǐng)域,前景十分廣闊。

2 光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的應(yīng)用

光伏電池系統(tǒng)在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的實(shí)際應(yīng)用體現(xiàn)在功能性和建筑設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

2.1 功能性

在功能上,光伏電池作為體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的電力來(lái)源,可以應(yīng)用于體育場(chǎng)館的照明系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域。照明系統(tǒng)是體育場(chǎng)館的重中之重,只有合理、有效的照明系統(tǒng)才能保證運(yùn)動(dòng)員、裁判的良好視野,以及觀(guān)眾的良好觀(guān)感。體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館照明系統(tǒng)中,多種燈具都可以使用光伏電池,如路燈、聚光燈、辦公用燈等,可以使用光伏電池獨(dú)有的自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能,利用太陽(yáng)光的照射時(shí)間來(lái)控制運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的工作時(shí)間。一些觀(guān)賞性燈光,也可以使用光伏電池,如國(guó)家速滑館“冰絲帶”的外部設(shè)計(jì)正是采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù),電池板模塊散落在由屋頂至地面的結(jié)構(gòu)上,散發(fā)著淡藍(lán)色的光,與冬奧會(huì)的主題交相輝映。體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的場(chǎng)地一般空間較大,不同場(chǎng)館之間的距離較遠(yuǎn),常需要車(chē)輛在館內(nèi)運(yùn)輸物品,此時(shí)新能源動(dòng)力系統(tǒng)的車(chē)輛則可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。目前,已經(jīng)有一些團(tuán)隊(duì)在研發(fā)車(chē)載光伏技術(shù),將太陽(yáng)能電池安裝在電動(dòng)汽車(chē)上,提供部分動(dòng)力來(lái)源,該技術(shù)可以提升新能源電動(dòng)汽車(chē)的性能,減少充電時(shí)間和次數(shù)。夏季和冬季體育場(chǎng)館內(nèi)需要運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)以保持適宜溫度,需要耗費(fèi)巨大的電能,太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可以提供電能,以供給空調(diào)設(shè)施用電。另外,當(dāng)體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館內(nèi)沒(méi)有體育賽事時(shí),光伏電池發(fā)出的電能可以輸送至電網(wǎng)中,緩解城市的能耗需求,節(jié)省能源。

2.2 建筑設(shè)計(jì)

光伏電池是接收直接照射的太陽(yáng)光進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換,通常需要安裝在建筑物表面,因此,光伏電池是體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館建筑設(shè)計(jì)的一部分。在對(duì)體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考慮光伏電池的位置和材料。光伏電池與建筑物的結(jié)合形式有兩種:一種是以主體建筑為依托,將光伏模塊加裝在建筑物上,可拆卸,這種形式稱(chēng)之為建筑光伏;另一種是光伏電池系統(tǒng)作為建筑物的一部分,鑲嵌在建筑材料上,被稱(chēng)為集成光伏。這兩種形式在體育場(chǎng)館的建筑中都有應(yīng)用。

建筑光伏最常用的安裝位置是在建筑物頂部,頂部系統(tǒng)直接接收太陽(yáng)光照射,不受其他建筑物遮擋,日照資源豐富,并且建筑頂部比較空曠、面積大,不會(huì)對(duì)原有建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響,適合光伏電池系統(tǒng)的安裝。很多體育場(chǎng)館建筑在后期改造過(guò)程中,都采用了頂部加裝太陽(yáng)能光伏材料的設(shè)計(jì),意大利的維羅納圓形體育館在改造過(guò)程中,就是直接在建筑頂層平鋪光伏陣列,從上空看,光伏陣列從圓心開(kāi)始發(fā)散,圓形結(jié)構(gòu)更加突出;美國(guó)的多功能體育中心——斯臺(tái)普斯中心,也是在屋蓋直接布置太陽(yáng)能電池板。

除了建筑物的頂部,墻面也是日照輻射強(qiáng)度比較大的位置,但是由于體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館一般設(shè)計(jì)性較強(qiáng),造型比較特殊,墻面往往是不規(guī)則的,并且每個(gè)墻面的面積差異也較大,給光伏電池系統(tǒng)的布置和安裝造成了較大的難度。東南、西南方向的墻面更容易受到陽(yáng)光照射,有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的鋪設(shè),但體育場(chǎng)館的南北向往往作為短軸,建筑面積較小。這是因?yàn)樾枰陴^內(nèi)外側(cè)設(shè)置觀(guān)眾看臺(tái),而北向看臺(tái)的觀(guān)眾容易受到太陽(yáng)直射影響。這類(lèi)體育場(chǎng)館需要結(jié)合具體的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)決定鋪設(shè)光伏電池系統(tǒng)的面積和數(shù)量。相較而言,棒球場(chǎng)館則比較適合安裝光伏電池系統(tǒng),該類(lèi)體育場(chǎng)館是一個(gè)直角扇形,觀(guān)眾一般多集中在兩個(gè)直角邊上,位于西南或者東南方向,面積較大,并且比較規(guī)整,有利于光伏電池系統(tǒng)的鋪設(shè)。

集成光伏是光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于建筑中的一種形式,集成光伏與建筑本身融為一體,不需要過(guò)多考慮安裝的問(wèn)題,只要是易于接收太陽(yáng)光的位置都可用集成光伏組件代替原有的建筑部分,有利于光伏電池系統(tǒng)的推廣,是未來(lái)光伏電池應(yīng)用的主要方向。集成光伏形式也給體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館設(shè)計(jì)帶來(lái)更多可能性。以“龍”為造型設(shè)計(jì)的中國(guó)高雄龍騰體育場(chǎng)就是采用集成光伏的形式。該體育場(chǎng)以龍為主題,蜿蜒曲折,光伏電池板就像巨龍身上的鱗片穿插在體育館屋頂上,這也是全球首個(gè)完全由太陽(yáng)能供電的體育場(chǎng)館。龍騰體育館的表層建筑由懸臂、螺旋鋼管和光伏電池板組成。懸臂結(jié)構(gòu)承載主要重力負(fù)荷,通過(guò)間隔連接的方式構(gòu)成屋頂?shù)闹黧w架構(gòu);螺旋鋼管包覆在懸臂外,對(duì)懸臂的結(jié)構(gòu)起輔助支撐作用;太陽(yáng)能電池板則鑲嵌在懸臂的間隔中形成屋頂。由于懸臂間隔的形狀不同,太陽(yáng)能電池板的形狀和尺寸也各不相同,巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)思與太陽(yáng)能電池板的高超工藝相得益彰。

在全球倡導(dǎo)“碳中和”的今天,“綠色體育”和可持續(xù)發(fā)展演變?yōu)樾聲r(shí)期的體育發(fā)展觀(guān)念。場(chǎng)館是承辦體育賽事的主要載體,在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的建筑設(shè)計(jì)中加入新能源技術(shù)正是“綠色辦賽事”的重要體現(xiàn)。光伏電池系統(tǒng)將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能,使體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館實(shí)現(xiàn)綠色電力供應(yīng),賽后還可以供應(yīng)其他民生用電,充分響應(yīng)了“綠色體育”的號(hào)召。

3 光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中應(yīng)用的意義

將新興的光伏電池系統(tǒng)應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的建設(shè)中,可充分發(fā)揮光伏電池的優(yōu)勢(shì),有著積極的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

首先,光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中應(yīng)用,可以充分利用太陽(yáng)能資源,節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。傳統(tǒng)的電能由煤炭和天然氣轉(zhuǎn)化而來(lái),開(kāi)采程序比較復(fù)雜,需要大量的勞動(dòng)力參與,儲(chǔ)存及運(yùn)輸費(fèi)用昂貴,后期還需要一定的維護(hù)費(fèi)用,總體生產(chǎn)成本較高。光伏電池系統(tǒng)借助太陽(yáng)能板在室外直接吸收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)換為電能,只需將太陽(yáng)能板安裝在體育運(yùn)動(dòng)館的建筑結(jié)構(gòu)中,不需要額外的存儲(chǔ)、運(yùn)輸,既節(jié)省了土地資源、勞動(dòng)力資源,也降低了成本,維護(hù)起來(lái)相對(duì)高效、簡(jiǎn)單,大大節(jié)約了能源開(kāi)采后的其他費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。從體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的運(yùn)營(yíng)方來(lái)看,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的運(yùn)作主要靠電力來(lái)支撐,尤其是賽事活動(dòng)往往在用電高峰期舉辦,電價(jià)較高,電費(fèi)支出是一筆龐大的費(fèi)用。光伏電池部分或者完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)供電系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的應(yīng)用,可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)方的運(yùn)營(yíng)成本,降低支出,使運(yùn)營(yíng)方將更多的工作重心放在賽事活動(dòng)上。

其次,光伏電池系統(tǒng)在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的應(yīng)用,符合“綠色運(yùn)動(dòng)”的理念,綠色環(huán)保。隨著社會(huì)的發(fā)展,人類(lèi)利用資源的手段和技術(shù)越來(lái)越先進(jìn),對(duì)地球資源的挖掘、破壞也越來(lái)越嚴(yán)重。由于現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快,用電量持續(xù)增加,人們對(duì)煤炭、天然氣、石油等資源的開(kāi)采規(guī)模越來(lái)越大,這些自然資源不可再生,資源儲(chǔ)量日益減少,能源緊缺問(wèn)題嚴(yán)重。同時(shí),這些資源在開(kāi)采過(guò)程中通常需要大規(guī)模施工作業(yè),可能會(huì)破壞原始生態(tài)環(huán)境。煤炭等資源在轉(zhuǎn)化為電能過(guò)程中,還會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體,污染大氣環(huán)境,破壞地球的生態(tài)平衡。光伏電池系統(tǒng)則可以充分利用太陽(yáng)能資源,陽(yáng)光照射地球表面能夠產(chǎn)生巨大的能量,資源十分豐富,取之不盡、用之不竭,可以彌補(bǔ)其他自然資源緊缺帶來(lái)的問(wèn)題,緩解能源危機(jī)。同時(shí),太陽(yáng)能資源清潔環(huán)保,無(wú)需開(kāi)采,不會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞,后續(xù)使用過(guò)程中也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。近年來(lái),國(guó)家和國(guó)際社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度越來(lái)越高,中國(guó)更是在全球范圍內(nèi)大力推動(dòng)全球生態(tài)環(huán)境治理工作的發(fā)展,不斷推出“可持續(xù)發(fā)展”“綠色發(fā)展”“節(jié)能減排”“碳中和”等理念以及多項(xiàng)生態(tài)文明建設(shè)舉措,加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)進(jìn)程,以應(yīng)對(duì)氣候變化、能源緊缺等全球性挑戰(zhàn)。新型能源的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)正是對(duì)上述政策的積極響應(yīng),尤其將光伏電池系統(tǒng)應(yīng)用在耗電量較大的體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館內(nèi),減少了傳統(tǒng)電能的消耗,而運(yùn)動(dòng)本身就代表著熱愛(ài)生命、擁抱自然,體現(xiàn)著陽(yáng)光、積極的精神,光伏電池系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)不謀而合。

再次,光伏電池系統(tǒng)體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的應(yīng)用,保證了用電的安全、可靠。光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定,不易受其他因素影響,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)容易,不易出現(xiàn)設(shè)備故障問(wèn)題。第一,光伏發(fā)電系統(tǒng)在接受陽(yáng)光。并將光能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行利用或者儲(chǔ)存的過(guò)程中,不受資源儲(chǔ)量的限制,也不需要異地運(yùn)輸,保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。光伏電池設(shè)備可以拓寬體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的選址范圍,打破地理位置的限制。第二,光伏發(fā)電系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建,安裝和拆卸比較便捷,不需要大型的設(shè)備進(jìn)行施工,減少了人員施工和設(shè)備運(yùn)行的危險(xiǎn)。第三,光伏電池往往設(shè)計(jì)在體育館建筑的頂層,既節(jié)省了空間又保證了用電安全,一舉兩得。

最后,光伏電池系統(tǒng)在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中的應(yīng)用,還可以促進(jìn)科技創(chuàng)新,促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館用電量大、用電時(shí)間集中,對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性是一個(gè)巨大的考驗(yàn),光伏電池需要提高使用率,積累使用經(jīng)驗(yàn),不斷創(chuàng)新、優(yōu)化,快速成長(zhǎng)起來(lái),體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館建筑是較為適合光伏電池系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的造型多樣,對(duì)光伏電池材料的要求較高,就需要不斷對(duì)材料的性能進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新,以滿(mǎn)足使用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

體育運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)強(qiáng)身健體、愉悅身心的活動(dòng),對(duì)國(guó)民素質(zhì)發(fā)展有著重要的作用,體育場(chǎng)館的建設(shè)也應(yīng)緊跟時(shí)代的潮流,創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)機(jī)制,優(yōu)化硬件設(shè)施。光伏電池屬于新能源技術(shù)的一種,是科技不斷發(fā)展的成果,將光伏電池系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在大型體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的設(shè)計(jì)中,可以節(jié)省自然資源、降低場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)成本,貼合“綠色辦賽事”的理念,同時(shí)促進(jìn)科技創(chuàng)新與國(guó)民素質(zhì)聯(lián)動(dòng)發(fā)展,有著蓬勃的發(fā)展前景。