光伏新能源技術(shù)在城市智能建筑電氣中的應(yīng)用

曹 剛

（中國能源建設(shè)集團山西電力建設(shè)第三有限公司 山西 太原 030006）

隨著我國建筑業(yè)的持續(xù)繁榮，一批以建筑為主體的智能化建筑開始涌現(xiàn)。雖然智能家居、智能安全監(jiān)控管理小區(qū)等一系列智能建筑，正在為社會創(chuàng)造安全、高效、便捷、健康的智能建筑物居住環(huán)境，但是也給人類的生存和發(fā)展帶來大量的能耗消耗?，F(xiàn)在全球倡導(dǎo)可再生能源利用，而光伏作為新能源之一，很多國家都在關(guān)注。尤其建筑方面，美國從2010 開始，就推出“百萬太陽能屋頂計劃”，而歐美國家的光伏技術(shù)已經(jīng)占據(jù)建筑的40%以上。盡管我國光伏行業(yè)發(fā)展很快，但是我國光伏新能源技術(shù)在建筑工程中的運用，還停留在理論層面，運用到建筑工程中還很少。因此，開展光伏新能源技術(shù)在城市智能建筑電氣中的運用，不僅可以從根本上解決城市智慧建筑電氣的高能耗問題，還可以推進光伏新能源技術(shù)在城市智慧建筑電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而促進我國智慧建筑電氣的發(fā)展。

1 光伏新能源技術(shù)概述

我國在實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化進程中，能源對社會、經(jīng)濟的發(fā)展起到了重要作用。當前，我國經(jīng)濟處于高質(zhì)量發(fā)展時期，能源需求巨大，因此必須重視能源資源的開發(fā)和利用。而在可持續(xù)發(fā)展和綠色經(jīng)濟發(fā)展理念深入人心的背景下，國家發(fā)展對能源的種類和要求越來越高。由于太陽能是一種可再生、潔凈的新能源，在解決我國能源使用問題上有著顯著的作用，已成為國家發(fā)展新能源的一個重要趨勢。如果要將光伏新能源技術(shù)在城市建筑中進行科學(xué)合理的應(yīng)用，那么一定要對光伏新能源技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容有充分認識，對其應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用條件等進行詳盡的分析，為光伏新能源技術(shù)的應(yīng)用提供理論支撐[1]。另外，利用光伏新能源技術(shù)在建筑電力系統(tǒng)中的優(yōu)勢，進行安裝、維護、工作區(qū)等方面的規(guī)劃，并盡可能地避開較高建筑的遮蔽范圍，使其得到更多的陽光，從而不降低器件的工作效能。

2 光伏新能源的優(yōu)勢

光伏發(fā)電站與建筑相融合建設(shè)，具有安裝靈活、占地面積少等特點，將其安裝在城鎮(zhèn)居民的屋頂墻上，方便有效接受太陽照射，隨時接收太陽能，大大節(jié)約建筑的使用空間。只有在太陽光不斷照射下，才可以正常進行發(fā)電，發(fā)揮出基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的效果。光伏發(fā)電站的使用不會產(chǎn)生任何溫室氣體，也不會產(chǎn)生有毒、有害的氣體，能對石油和煤炭等非再生資源而導(dǎo)致大量的溫室氣體現(xiàn)象，及時有效地改善。另外，由于光伏系統(tǒng)的價格越來越低廉，降低了太陽能光伏系統(tǒng)的運行和維護費用，就具備了經(jīng)濟合理、穩(wěn)定和安全的優(yōu)勢。最后，隨著太陽能電池發(fā)電效率不斷提升，以及太陽能電池系統(tǒng)的使用日趨成熟，配置普通型式的太陽能電池板，即可以基本滿足家庭、企業(yè)的能量需要，可以將資源節(jié)約得到最大程度的發(fā)揮。

光伏新能源技術(shù)有3 個方面優(yōu)勢。第一，隨著新一代光伏新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏新能源技術(shù)能夠有效地調(diào)節(jié)光伏峰值電壓，極大地提高光伏電網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。相對于常規(guī)的發(fā)電技術(shù)，光伏新能源技術(shù)投入小。將新型光伏新能源技術(shù)引入到智能城市的電氣工程中，還能有效地提高城市資源的利用效率。第二，采用光伏新能源技術(shù)，用光伏半導(dǎo)體所產(chǎn)生的發(fā)電微效應(yīng)為整個建筑電氣系統(tǒng)提供電力，而電力消耗低、沒有靜電污染，能滿足電氣系統(tǒng)的節(jié)能要求。目前，可以在建筑外墻、屋頂上安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，為建筑提供大量的電能。其中，要想將光伏板的優(yōu)點充分利用起來，必須做好光伏板的安裝和維護工作，還要對其進行合理布局，避免被周邊的建筑所遮蔽，從而讓光伏板更好地接收到太陽能，提高發(fā)電率。第三，光伏發(fā)電站與建筑相融合，占用空間小，可按照建筑具體條件來選取光伏板的安裝面，并依據(jù)建筑物周圍的環(huán)境進行合理布局，以此達到光伏電站的最佳運行效率。同時，光伏電站的建設(shè)與利用具有顯著的經(jīng)濟效益，更大程度節(jié)省建筑的使用空間，在建筑裝置和美化中也起到了重要的作用。

3 智能化建筑電氣節(jié)能技術(shù)的問題分析

隨著智能化的不斷推進，我國建筑事業(yè)也得到了快速的發(fā)展，尤其是近幾年民用智能化建筑得到廣泛的應(yīng)用。當前，智能家居、智能建筑小區(qū)安防與管理等在現(xiàn)代樓宇中的應(yīng)用，極大地豐富了建筑的功能性，給人們的日常生活帶來方便。同時，隨著智能化的發(fā)展和應(yīng)用，人們居住環(huán)境得到提高的同時，能耗問題也日益突出，而建筑能源中電力的消費是最主要的一環(huán)。因此，節(jié)能降耗將成為智能化發(fā)展首先考慮的問題。目前，隨著新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，太陽能技術(shù)已經(jīng)變得越來越成熟，并且已經(jīng)被運用到城市智能化建筑的電氣系統(tǒng)中，用于節(jié)能控制。但在實際中，工業(yè)智能化建筑電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)能控制技術(shù)出現(xiàn)了問題，主要原因就是建筑安全自動化和智能化專用電氣設(shè)備，決定系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。此外，新型光伏發(fā)電技術(shù)能對太陽能資源進行有效開發(fā)與應(yīng)用，能夠有效地解決智慧城市的節(jié)能問題。通過光伏新能源技術(shù)在城市智能建筑電能中的運用研究，充分利用技術(shù)優(yōu)勢，更好地去提高城市建筑的智能化程度[2]。

4 光伏新能源技術(shù)的應(yīng)用要點

實施光伏新能源技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用需有一個清晰的認識，必須通過具體實例，對光伏新能源技術(shù)的應(yīng)用思路、應(yīng)用操作以及應(yīng)當考慮的問題等進行歸納，從而為光伏新能源技術(shù)的將來應(yīng)用提供更為切合實際的借鑒材料和經(jīng)驗。本文以一個典型的建筑屋頂光伏為研究對象，分析光伏新能源技術(shù)在建筑中的使用情況，并提出相應(yīng)的解決方案。

1） 太陽能電池陣列設(shè)計。將城市特定環(huán)境及光照資源的實際需求相結(jié)合，根據(jù)建筑自身特征，選擇的光伏模塊為單晶硅光伏模塊，光伏組件具有成本較低，轉(zhuǎn)換效率較高，其商業(yè)化效率可達到16%～20%，實現(xiàn)太陽能資源的最大利用。同時，經(jīng)過成本效益測算及市場分析，確定項目太陽能光伏組件為545 W。在這些電池中，鎳鎘電池及鉛酸鹽電池的單體浮充電壓分別為1.4～1.6 V 及2.2 V?；陔姵馗〕潆妷嚎刂?，要對24 h 內(nèi)負荷的能耗P進行計算。此外，還應(yīng)根據(jù)具體的需求確定蓄電池組的工作電壓VP。其中，前者的計算公式為

式中：V 為負荷的額定電壓；HI 為太陽能電池板的運行電流。后者的計算公式為

式中：VP 為太陽電池板的工作電壓；VF 為電池的充電電壓；VD 為0.5～0.7 之間的反向充二極管P-N節(jié)點上的壓力下降；VT 為由于溫度上升導(dǎo)致的太陽電池的升溫電壓。

2） 表面太陽能輻射計算。當光伏新能源技術(shù)用于智能建筑電氣系統(tǒng)時，表面的太陽能輻射是一個很有實際意義的問題。在對太陽能進行使用時，必須進行太陽輻射進行模擬，并根據(jù)模擬的成果進行設(shè)計、使用等，從而保證太陽能的可持續(xù)使用，同時也保證在智能建筑中的正常使用。光伏陣列水平面太陽能輻射量計算公式為

式中：RD 為傾斜的光伏陣列面的太陽總輻射的量；D 為輻射的散射率；S 為水平方向的陽光直射率。利用輻射量的計算結(jié)果與發(fā)電量結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，確定智能建筑的光伏荷載量[3]。

3） 光伏系統(tǒng)效率計算。光伏系統(tǒng)的效率與兩個因素有關(guān)，一是太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率，即發(fā)電效率；二是所發(fā)電力在并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的損失。其中，光伏發(fā)電的總體效率主要取決于光伏發(fā)電的光伏發(fā)電效率、逆變器的發(fā)電效率以及光伏發(fā)電的發(fā)電效率。在實踐中，太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池板在光照強度為1 000 W /m2時的真實直流輸出功率與額定功率之比，換流站的效率是交流電力與直流電力之比。其中，交流并網(wǎng)效率是逆變器輸出和高壓電網(wǎng)傳輸效率，以升壓變壓器效率為基準。光伏系統(tǒng)總效率=光伏陣列效率×逆變器效率×交流并網(wǎng)效率，在對光伏系統(tǒng)利用率進行分析，應(yīng)根據(jù)工程大小及具體的需求來確定。

4） 其他。在太陽能光伏系統(tǒng)中，需要建立一個控制系統(tǒng)，對電氣和能源展開一系列的控制。此外，還需要建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，對日照輻射量、環(huán)境溫度及風(fēng)速等相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)進行檢測，將信息記錄并反饋到系統(tǒng)中，利用傳感器和儀表來獲得功率、電流、電壓、容量等相關(guān)數(shù)據(jù)，進行最優(yōu)控制和能源管理，提供強大的數(shù)據(jù)支撐。同時，太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)安裝防雷和接地裝置，并根據(jù)相關(guān)防雷規(guī)范的要求和當?shù)刂車h(huán)境條件，接地裝置要符合電氣及安全規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，保證光伏系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全、穩(wěn)定的運行[4]。

5 光伏新能源在建筑電氣的應(yīng)用前景分析

1） 新型空調(diào)。把光伏新能源技術(shù)運用到空調(diào)等建筑用電設(shè)備上，借助智能控制器，展開合理的使用，對建筑內(nèi)部的溫度綜合調(diào)控。同時，綜合使用光電蓄能電池的能量，按照智能控制邏輯進行加熱和保溫冷卻，并在供暖制熱的過程中，以儲存的太陽能和其它光能為主要能源，達到潔凈環(huán)保的目的。在太陽照射下，生成的熱能在儲蓄電能及制熱保溫過程時，將一些能源轉(zhuǎn)化成熱能，借助介質(zhì)保溫保熱。一般而言，發(fā)熱器的溫度愈高，發(fā)出的熱量就愈多，加熱的速度也就愈快。因此，通過多層熱能媒介疊加，提升傳熱和隔熱的效率。另外，在整個建筑中長期使用制熱或制冷，會導(dǎo)致室內(nèi)溫度循環(huán)不好，需要利用智能建筑控制技術(shù)，并與太陽能光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，解決建筑的濕熱循環(huán)，將濕度控制在一個合理的、舒適的水平上。其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)將室內(nèi)和室外的設(shè)備結(jié)合起來，使用太陽能開放式循環(huán)系統(tǒng)，對空氣和水蒸氣等周期性進行溫度和水分的調(diào)節(jié)，既節(jié)約能源又提高效率，還可以最大限度地降低固態(tài)碳的排放，而且運行和管理也要比一般的濕熱處理器更加簡便。

2） 光伏系統(tǒng)與建筑集合。將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)合，利用太陽能光伏模塊、光伏發(fā)電配套設(shè)備等光伏系統(tǒng)集成安裝在建筑物的外部，最大限度吸收太陽光，成為建筑的一個組成部分。其中，要對建筑功能及安全等因素進行全面的分析，將光伏模塊設(shè)置在建筑的各個方面，通過儲蓄設(shè)備將能源收集起來，以滿足建筑的多種應(yīng)用。目前，許多大型光伏建筑都安裝光伏板，通過光伏新能源技術(shù)的普及，促進我國光伏發(fā)電城市化的發(fā)展[5]。

6 結(jié)束語

當前，我國一直在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟，奉行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，進行節(jié)能技術(shù)的推廣。而光伏新能源作為一種可再生資源，穩(wěn)定、高效、持續(xù)地提供能源，用于智能建筑的電力開發(fā)。此外，光伏太陽能屬于可開發(fā)的清潔能源，有效緩解能源不足的問題，還具有污染小、可再生等優(yōu)點。因此，進行光伏新能源技術(shù)研究，可實現(xiàn)光伏太陽能的開發(fā)和利用，為解決城市能源短缺等問題產(chǎn)生積極的影響。