光伏技術(shù)在建筑電氣節(jié)能中的應(yīng)用

張雁洋洋

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司烏魯木齊分院 新疆 烏魯木齊 830000

電氣系統(tǒng)是所有建筑中耗能最大的部分。近年來(lái)，隨著我國(guó)建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，建筑能源消耗也呈上升趨勢(shì)。為推動(dòng)我國(guó)建筑業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展，必須強(qiáng)化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑工程節(jié)能降耗。將光伏技術(shù)引入到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，將極大地提升建筑的節(jié)能效率，推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展。

1 光伏技術(shù)及工作原理

光伏技術(shù)是指通過(guò)太陽(yáng)能輻射，將光能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種技術(shù)。光伏技術(shù)的主要應(yīng)用是太陽(yáng)能電池，也被應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域，光伏技術(shù)的核心是光伏材料的使用。光伏電池是太陽(yáng)光電轉(zhuǎn)換的核心。它是由一層P型半導(dǎo)體和一層N型半導(dǎo)體組成，通過(guò)P-N結(jié)的形成將光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏電池上時(shí)，電池板內(nèi)部受到激勵(lì)，電子從半導(dǎo)體帶中躍遷到導(dǎo)帶中，形成電流并輸出電能。光伏電池板并聯(lián)或串聯(lián)安裝形成的光伏組件，通過(guò)光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，以滿足家居、商業(yè)及公共用途的用電需求。光伏技術(shù)已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如屋頂太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能水泵等，成為現(xiàn)代清潔能源的一個(gè)重要組成部分。

2 建筑電氣節(jié)能的特性需求

2.1 實(shí)用性

在中國(guó)，建筑電氣節(jié)能是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的建筑都需要找到更適合的電氣能源，從而達(dá)到節(jié)能的目的，而將其它能源轉(zhuǎn)換成電能就是其中之一。所以，在普通的建筑電氣節(jié)能中，首先要考慮的是轉(zhuǎn)換設(shè)備的效果，它是否能夠把其它能量轉(zhuǎn)換成真正所需的電能。除此之外，還要考慮到在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度的消耗，會(huì)不會(huì)為了完成目標(biāo)能量的轉(zhuǎn)換而出現(xiàn)不實(shí)際的損耗。所以，在建筑電氣節(jié)能方面，需要轉(zhuǎn)換后的能量能夠滿足實(shí)際需要，從而實(shí)現(xiàn)建筑電氣的“節(jié)能”。從當(dāng)前的角度來(lái)看，新能源是一個(gè)比較好的選擇，其中，光伏、水電、風(fēng)電等能源在建筑電氣節(jié)能方面都可以基本滿足實(shí)際需求。

2.2 合理性

從合理性角度來(lái)看，水電、風(fēng)能、光伏能更符合實(shí)際情況。其中，風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境的要求比較高，通常需要比較開(kāi)闊的區(qū)域來(lái)形成強(qiáng)大的風(fēng)力，并且需要比較平坦的區(qū)域來(lái)便于安裝采集設(shè)備；水力方面，需要在地面有較大落差的地方設(shè)立裝置，以方便采集；而太陽(yáng)能，對(duì)天氣、晝夜等方面的影響更大，受到的影響也更大。所以，新能源在某種程度上都會(huì)被各種因素所限制，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍會(huì)出現(xiàn)一些不合理的地方，要想將其更好地應(yīng)用到建筑電氣節(jié)能領(lǐng)域，就必須要不斷地去克服這些不合理的地方。

2.3 進(jìn)步性

從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度出發(fā)，必須先滿足實(shí)際的要求，然后才能繼續(xù)考慮今后的發(fā)展，因此，在利用電能的過(guò)程中，要考慮到各種因素，例如：用電設(shè)備的額定功率，各個(gè)部門(mén)和地區(qū)的用電狀況，不同時(shí)期的用電需求等等，這些都要求專(zhuān)業(yè)人士有針對(duì)性的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，全面考慮不同的能量轉(zhuǎn)換，對(duì)比不同的方法的長(zhǎng)遠(yuǎn)收益，以最優(yōu)的用電效益，設(shè)計(jì)出符合要求的建筑節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的節(jié)能減排目標(biāo)。

3 光伏技術(shù)在建筑電氣節(jié)能中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 占地面積小

相比傳統(tǒng)的發(fā)電方式，如火電、水電等，光伏能實(shí)現(xiàn)分布式、分散式供電，不僅取消了傳統(tǒng)電力站建設(shè)所需的大面積土地，也不需要考慮輸電線路的影響，使建筑設(shè)備占地面積更小，采用更加靈活，可以增加建筑物在限定面積內(nèi)的發(fā)電能力。光伏建筑一般在建筑的外墻或屋頂進(jìn)行搭建，不占用地面面積，既不影響電站布局，也不影響土地的垂直空間利用。在不會(huì)拓寬土地面積的情況下，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大建筑物能提供的能源量的目的。因此，光伏建筑節(jié)能系統(tǒng)可節(jié)省大量土地，使用壽命也長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)定。

3.2 來(lái)源應(yīng)用廣泛

光伏技術(shù)源自太陽(yáng)輻射能，太陽(yáng)可以被各地消費(fèi)，而且無(wú)需地理限制。在光照充足的情況下，光伏電池板就可以進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換。因此，光伏技術(shù)源源不斷地為建筑電氣節(jié)能提供能源。光伏技術(shù)應(yīng)用廣泛，從龐大的電力系統(tǒng)到小型的照明系統(tǒng)，從城市建筑到鄉(xiāng)村住宅都可以應(yīng)用。在建筑中，光伏技術(shù)可以以各種形式出現(xiàn)，包括屋頂、立面和腳手架式構(gòu)架，使得在不同類(lèi)型的建筑中都可以得到應(yīng)用。此外，還可以將光伏技術(shù)與其他技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，如太陽(yáng)能熱水器、空氣集熱器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物能源的全面利用，達(dá)到更加高效的節(jié)能目的。

3.3 對(duì)于地面的破壞程度較低

常規(guī)的非可再生能源工廠常常占據(jù)很大的土地，產(chǎn)生很大的排放和廢棄物問(wèn)題，對(duì)于土地和生態(tài)環(huán)境的破壞也非常嚴(yán)重。而光伏技術(shù)相比之下會(huì)產(chǎn)生更少的破壞效應(yīng)，降低了對(duì)于環(huán)境的影響，光伏電池板一般直接安裝在建筑物上，不需要類(lèi)似挖掘的土地改造工程，不會(huì)對(duì)土壤和環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響，可長(zhǎng)期提供電力支持，更加環(huán)保[1]。

4 建筑電氣的節(jié)能現(xiàn)狀

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)

建筑物的監(jiān)控系統(tǒng)是保障建筑物安全和管理的重要手段之一，在一些傳統(tǒng)建筑物的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，監(jiān)控設(shè)備不夠完善，監(jiān)控范圍有限，監(jiān)控設(shè)備安裝位置不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。這些問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)死角區(qū)域和盲區(qū)，從而增加安全隱患。同時(shí)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理不及時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)積累和處理不及時(shí)的情況。這樣的情況會(huì)增加建筑物的安全隱患，因?yàn)楸O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的及時(shí)處理對(duì)于提前預(yù)警和響應(yīng)異常事件至關(guān)重要。

4.2 照明設(shè)計(jì)不合理

照明系統(tǒng)是建筑電氣設(shè)計(jì)中最基本的要素之一。在一些建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師往往只關(guān)注建筑物的外觀，而忽略了建筑物內(nèi)部的光照環(huán)境。因此，建筑物的某些區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)光線不足或過(guò)強(qiáng)的情況，或者出現(xiàn)反射、耀眼和影子等問(wèn)題。在這些條件下，不但會(huì)影響使用者的視覺(jué)體驗(yàn)，還可能導(dǎo)致健康問(wèn)題和事故發(fā)生。傳統(tǒng)建筑物的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常依據(jù)傳統(tǒng)慣例和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，經(jīng)常出現(xiàn)照明布局不合理的問(wèn)題。例如，在照明設(shè)備的安裝位置上，設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分考慮不同視覺(jué)要求和光源之間的相互作用等問(wèn)題。在這些情況下，可能會(huì)導(dǎo)致照明質(zhì)量的下降，同時(shí)增加能源消耗。

4.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

通風(fēng)系統(tǒng)是傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要部分，它關(guān)系到建筑物內(nèi)部空氣質(zhì)量和舒適度。在傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)計(jì)中，通風(fēng)系統(tǒng)的選擇通常只考慮到能源消耗和初投資等因素，而沒(méi)能充分考慮到通風(fēng)效率和噪聲等問(wèn)題。因此，選擇不當(dāng)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致空氣品質(zhì)下降或者噪聲污染等問(wèn)題。同時(shí)，在一些傳統(tǒng)建筑物的設(shè)計(jì)中，通風(fēng)系統(tǒng)的布局存在不合理的問(wèn)題。例如，通風(fēng)系統(tǒng)采用的是混合風(fēng)模式，在采暖和通風(fēng)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。另外，通風(fēng)系統(tǒng)的損失和噪聲可能會(huì)影響使用者的舒適感。

5 建筑電氣節(jié)能中運(yùn)用光伏技術(shù)分析

5.1 光伏屋頂

光伏屋頂屬于一種較為普遍的光伏新能源技術(shù)的應(yīng)用方式，隨著建筑物的數(shù)量和高度的不斷增長(zhǎng)，經(jīng)?？梢栽谝恍└邔咏ㄖ锌吹焦夥蓓?shù)纳碛?。將光電器件安裝在屋頂上，可使其與采光面積更廣，且與屋頂緊密相連，可防止風(fēng)對(duì)其造成的損害。同時(shí)，將其應(yīng)用于屋頂，還可節(jié)省屋頂建筑材料，提高建筑效益。從安裝面積上來(lái)說(shuō)，樓頂是建筑中空余面積較大的一塊，具有較為理想的地理位置，非常適合安裝光伏系統(tǒng)。屋頂可以吸收更多的太陽(yáng)輻射，并且在屋頂水平面及傾斜面上，所取得的輻射量要比垂直立面要大得多。特別是對(duì)于一些高層建筑較多，建筑比較密集，外墻遮擋現(xiàn)象嚴(yán)重的大城市來(lái)說(shuō)，在屋頂安裝光伏系統(tǒng)非常方便，而且效果好，還可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模安裝。將太陽(yáng)能電池板應(yīng)用于建筑屋頂，雖能取得良好的節(jié)能效果，但若大面積應(yīng)用，將會(huì)對(duì)城市環(huán)境產(chǎn)生影響。此外，若不加以妥善處理，還可能造成光污染，從而影響到居民的日常生活。這些都是在安裝太陽(yáng)能電池板時(shí)要考慮到的。將太陽(yáng)能電池裝到屋頂上，相當(dāng)于在太陽(yáng)光和建筑物間形成一個(gè)過(guò)渡，可以提高建筑物的保溫效果，減少建筑物的能耗。當(dāng)前，光伏屋頂技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，它的安裝和后期維護(hù)都很方便，而且它的效率很高，成本也很低，可以進(jìn)行大規(guī)模的推廣，在世界范圍內(nèi)的建筑系統(tǒng)中，光伏新能源技術(shù)的應(yīng)用主要是以光伏屋頂為主導(dǎo)。

5.2 光伏幕墻

光伏幕墻一般指的是將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表層，它將建筑外幕墻技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了完美的融合，光伏幕墻取代了過(guò)去的外墻面，既避免了對(duì)環(huán)境的污染，又十分節(jié)能。光伏幕墻的建設(shè)也可以起到隔絕外部噪音、改進(jìn)傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔音、保障建筑內(nèi)部溫度等作用。在對(duì)建筑物光伏幕墻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要以實(shí)際情況和自己的特性為基礎(chǔ)，將當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射特性和建筑物周?chē)沫h(huán)境相結(jié)合，只有這樣，才可以將光伏幕墻的性能充分發(fā)揮出來(lái)，提高節(jié)能效果。

5.3 光伏溫室

當(dāng)前，光伏溫室已被陸續(xù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，伴隨著人民生活水平的不斷提升，光伏溫室在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)展。目前，光伏溫室已經(jīng)被用于鮮花養(yǎng)殖、畜牧業(yè)、林業(yè)以及果樹(shù)生產(chǎn)等領(lǐng)域。從實(shí)際來(lái)看，植物的生長(zhǎng)對(duì)光線的需求非常高，在溫室中采用光伏技術(shù)，既可以延長(zhǎng)光照時(shí)間，又可以保證作物的品質(zhì)，對(duì)食品安全有很大的幫助。將光伏技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室，既能節(jié)約土地資源，又能為溫室內(nèi)的其它設(shè)備提供電能，滿足農(nóng)戶的生產(chǎn)和生活需要。除此之外，在溫室中，很容易出現(xiàn)保溫和升溫的問(wèn)題，特別是夏天，氣溫過(guò)高，會(huì)對(duì)蔬菜的正常生長(zhǎng)造成不利的影響。而利用光伏技術(shù)，利用紅外線將外面的溫度隔離開(kāi)來(lái)，這樣就不會(huì)在溫室中產(chǎn)生過(guò)多的熱量，能夠確保蔬菜的健康生長(zhǎng)。同時(shí)，到了冬天，溫室的紅外波段向外輻射的程度也會(huì)隨之降低，從而避開(kāi)了白天和黑夜的巨大溫差，起到了一定的保溫效果。

5.4 輸電線路電氣節(jié)約

在建筑電氣節(jié)能領(lǐng)域，光伏技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于建筑物屋頂、幕墻等領(lǐng)域，輸電線路上同樣可以進(jìn)行光伏技術(shù)的應(yīng)用。在許多情況下，建筑物和城市垃圾站等設(shè)施具有許多小型電氣負(fù)載，如弱電傳感器、市政路燈以及需要隨時(shí)驅(qū)動(dòng)的智能家居設(shè)備等。在這些場(chǎng)景下，如果使用阻隔開(kāi)關(guān)作為輸電線路的電源，將會(huì)浪費(fèi)大量的能源，缺乏高效的電力供應(yīng)和能源儲(chǔ)存方式。通過(guò)在輸電線路上置入光伏電池板等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)地面化的電力工程，并利用光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，將能量?jī)?chǔ)存于電池中。這一方案可以極大地減少城市垃圾站等設(shè)施的用能損耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。通過(guò)光伏技術(shù)的應(yīng)用，可以向氣候變化和環(huán)境污染等方向邁出重要的一步，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的發(fā)展和節(jié)能減排的目標(biāo)[4]。在實(shí)現(xiàn)光伏技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，需要注意選擇優(yōu)質(zhì)的光伏電池板和電池組，以實(shí)現(xiàn)更加高效的能源利用。同時(shí)，還需要合理設(shè)計(jì)輸電線路的布局和電力儲(chǔ)存系統(tǒng)的配置，以實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和可靠的電力供應(yīng)。只有通過(guò)全面、高效的電氣設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，才能為城市垃圾站等設(shè)施提供更加可靠、節(jié)能、環(huán)保的電力供應(yīng)服務(wù)，為人民群眾創(chuàng)造更加美好的生活和工作環(huán)境，為全球能源問(wèn)題的解決貢獻(xiàn)力量。

5.5 監(jiān)控系統(tǒng)

在建筑監(jiān)控系統(tǒng)中，光伏技術(shù)也可以得到廣泛地應(yīng)用。在這種監(jiān)控系統(tǒng)中，主要的設(shè)備包括攝像機(jī)、傳感器和其他監(jiān)測(cè)裝置，可以用于監(jiān)控建筑物或其周邊的變化。這些設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳輸至監(jiān)視中心。由于監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備較多，為了保障其穩(wěn)定運(yùn)行，需要必要的電源支撐。而光伏技術(shù)可以通過(guò)光伏電池板和儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電能，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的長(zhǎng)期和穩(wěn)定的運(yùn)行。光伏發(fā)電是一種可再生的能源，可以降低能源消耗并減少對(duì)環(huán)境的影響。光伏技術(shù)提供的電源支撐可以確保監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定并可靠地運(yùn)行。利用光伏技術(shù)提供的可再生能源進(jìn)行建筑監(jiān)控是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法。使用光伏技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)可以節(jié)約電力成本，同時(shí)也可以保護(hù)環(huán)境[5]。

5.6 照明系統(tǒng)

在建筑的照明系統(tǒng)中，光伏技術(shù)可以作為一種獨(dú)立的電力源來(lái)提供能源，也可以與城市電力系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保。光伏電池板可以安裝在建筑頂部或立面上，以收集太陽(yáng)能提供電力，并將電力儲(chǔ)存于電池中，供照明系統(tǒng)使用。這種系統(tǒng)不但具有獨(dú)立供電的優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)與普通電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，充分發(fā)揮光伏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保?；诠夥夹g(shù)的照明系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。根據(jù)照明光度和照明時(shí)間等方面的需求，可以設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的光伏照明系統(tǒng)。因此，光伏技術(shù)的采光利用效率更為高效。此外，光伏技術(shù)的采用還能帶來(lái)很多其他的好處[6]。

6 結(jié)論

綜上所述，隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑行業(yè)使用的電器日益增多，建筑電氣節(jié)能的重要性日益凸顯，同時(shí)也帶來(lái)了能源危機(jī)與環(huán)境污染問(wèn)題。當(dāng)前，隨著眾多科研工作者對(duì)光伏技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，使新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛。在光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用過(guò)程中，需要相關(guān)行業(yè)人員繼續(xù)進(jìn)行探索，對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行持續(xù)深入，對(duì)其缺陷進(jìn)行改進(jìn)，將其更好地運(yùn)用到日常生活中，緩解能源短缺問(wèn)題。