太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

【摘要】當(dāng)前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)正逐漸在建筑設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。文章探討了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用背景、技術(shù)應(yīng)用以及經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。通過(guò)對(duì)不同建筑類型光伏技術(shù)的應(yīng)用，分析了光伏系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐，展示了其多樣性和靈活性。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩個(gè)維度對(duì)光伏系統(tǒng)的效益進(jìn)行了深入分析，指出其長(zhǎng)期成本效益及顯著的環(huán)保貢獻(xiàn)。最后總結(jié)了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的重要地位和發(fā)展前景，強(qiáng)調(diào)了其在推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展中的關(guān)鍵作用。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能光伏發(fā)電；建筑設(shè)計(jì)；低碳清潔能源

【中圖分類號(hào)】TU854 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）11-0078-03

0 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)電成本持續(xù)下降，光伏發(fā)電已成為能源行業(yè)投資新寵。我國(guó)光伏裝機(jī)預(yù)期以90 GW/年的速度增長(zhǎng)，是實(shí)現(xiàn)“3060”目標(biāo)的關(guān)鍵低碳清潔能源。當(dāng)前，光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和政策支持的不斷加強(qiáng)，使得其在住宅、商業(yè)和工業(yè)建筑中的應(yīng)用日益廣泛。文中詳細(xì)探討了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同建筑類型中的應(yīng)用實(shí)踐，從技術(shù)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，以此為我國(guó)綠色建筑發(fā)展提供所需依據(jù)。

1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)基本原理與分類

1.1 基本原理

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的核心在于光伏效應(yīng)，這是一種直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的物理過(guò)程。光伏電池，作為系統(tǒng)的“心臟”，由半導(dǎo)體材料制成，這些材料在光照下能夠吸收光子并激發(fā)電子，從而產(chǎn)生電流。通過(guò)巧妙地串聯(lián)或并聯(lián)這些光伏電池，形成光伏陣列，可以顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)電能力。隨后，這些直流電經(jīng)過(guò)逆變器的作用，被轉(zhuǎn)換成交流電，以滿足建筑用電需求或輸送至電網(wǎng)。

1.2 系統(tǒng)分類

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)根據(jù)其與電網(wǎng)的連接方式及功能特性，可分為四大類：并網(wǎng)型、離網(wǎng)型、混合型以及建筑一體化光伏系統(tǒng)（BIPV）。并網(wǎng)型系統(tǒng)直接接入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)；離網(wǎng)型則完全獨(dú)立于電網(wǎng)，依靠?jī)?chǔ)能裝置保障供電穩(wěn)定性；混合型則融合了前兩者的特點(diǎn)，兼具靈活性和可靠性；而B(niǎo)IPV更是將光伏技術(shù)與建筑美學(xué)完美融合，成為綠色建筑的重要組成部分。

1.3 在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用背景

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能光伏技術(shù)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能，其屬于清潔、高效、可持續(xù)的能源利用方式。近年來(lái)，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)、能源可持續(xù)性的關(guān)注，光伏發(fā)電技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。我國(guó)出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)可再生能源利用和建筑節(jié)能的政策法規(guī)，為光伏建筑一體化的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。例如，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝和使用，出臺(tái)了若干稅收優(yōu)惠政策、補(bǔ)貼措施，以此降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本。基于我國(guó)政策背景與有關(guān)規(guī)定的雙重推動(dòng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果良好。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同建筑類型中的應(yīng)用

2.1 住宅建筑中的光伏發(fā)電系統(tǒng)

1）屋頂光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在住宅屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需綜合考慮屋頂面積、朝向、傾斜角度以及局部陰影等因素。一般來(lái)說(shuō)，屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下技術(shù)參數(shù)。

首先，確定可用屋頂面積為A m2。假設(shè)屋頂總面積為S m2，扣除遮擋和不適合安裝的區(qū)域，剩余可用面積見(jiàn)式（1）。

A = S .η （1）

式中：屋頂有效利用率η，η= 0.7～0.9。

其次，合理計(jì)算光伏組件安裝數(shù)量?？紤]光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸一般為1.65 m×0.99 m，面積1.63 m2，假設(shè)選擇組件額定功率300 W?？砂惭b的光伏組件數(shù)量N = A/1.63，根據(jù)安裝數(shù)量計(jì)算總裝機(jī)容量P = N×0.3。

最后，進(jìn)一步估算年發(fā)電量E（kW .h）。結(jié)合當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射量G（h/年），以及系統(tǒng)效率ηs，一般取值為0.75～0.85。年發(fā)電量見(jiàn)式（2）。

E = P . G .ηs " " "（2）

例如，某住宅屋頂總面積100 m2，屋頂有效利用率0.8，當(dāng)?shù)啬昃?yáng)輻射量1 500 h/年，系統(tǒng)效率為0.8，則可安裝的光伏組件數(shù)量N≈49，總裝機(jī)容量P = 14.7 kW，年發(fā)電量E = 17.6 kW .h。結(jié)合上述計(jì)算，設(shè)計(jì)可在住宅屋頂中，合理配置屋頂光伏系統(tǒng)，最大化利用可用面積，實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)電效益。

2）陽(yáng)臺(tái)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。陽(yáng)臺(tái)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在高層建筑中，具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，在設(shè)計(jì)陽(yáng)臺(tái)光伏系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮陽(yáng)臺(tái)的面積和方位，以及光伏組件的安裝方式和尺寸。

一般來(lái)說(shuō)，在陽(yáng)臺(tái)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，建議選擇小型光伏組件，組件尺寸1 m×0.5 m。安裝時(shí)，組件可垂直或傾斜固定在陽(yáng)臺(tái)護(hù)欄上，或作為陽(yáng)臺(tái)頂棚的一部分。如建筑陽(yáng)臺(tái)長(zhǎng)4 m、寬1.2 m可安裝約8塊光伏組件，每塊組件的額定功率為100 W，總裝機(jī)容量為800 W。

在安裝光伏組件時(shí)，需考慮組件的角度，以優(yōu)化太陽(yáng)能吸收效果。一般來(lái)說(shuō)，傾斜角度應(yīng)在30o～45o之間，以達(dá)到最大化光照，并保障其美觀性、安全性的應(yīng)用效果。組件間的連接，則需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜及接頭，以保證電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

此外，結(jié)合地區(qū)年發(fā)電量其是根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照諚l件有所不同而定。在日照較好的地區(qū)，功率為800 W的系統(tǒng)每年可產(chǎn)生約900 kW .h的電能?？捎行Ы档图彝ル娏Τ杀?，且可與儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合使用，將白天產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，供夜間或停電時(shí)使用，以此順利提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用效率，為居民提供更為可靠的電力保障。

2.2 商業(yè)建筑中的光伏發(fā)電系統(tǒng)

1）外墻光伏幕墻設(shè)計(jì)——分格設(shè)計(jì)。在商業(yè)建筑中，外墻光伏幕墻設(shè)計(jì)可提供所需的發(fā)電功能，提升建筑美觀、節(jié)能效果。而分格設(shè)計(jì)是幕墻設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，一般采用晶硅和薄膜兩種不同材質(zhì)的光伏面板進(jìn)行分析。

首先，光伏組件的尺寸并未有強(qiáng)制規(guī)定，各廠家大批量生產(chǎn)的光伏組件尺寸均存在差異。因此，在實(shí)際的分格設(shè)計(jì)中，建議幕墻分格尺寸按照廠家的標(biāo)準(zhǔn)組件尺寸設(shè)計(jì)。例如，晶硅光伏組件的常見(jiàn)尺寸為1.65 m×0.99 m，薄膜光伏組件的尺寸可能為1.24 m×0.63 m。根據(jù)這些尺寸，將幕墻劃分為相應(yīng)的單元格，保障每一單元格均可配備光伏組件尺寸。

其次，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，若某廠家提供的晶硅光伏組件尺寸為1.65 m×0.99 m，則幕墻分格尺寸可設(shè)計(jì)為1.65 m×0.99 m。考慮到安裝、維護(hù)的便捷性，需在每個(gè)單元格之間預(yù)留一定的間隙，可定為0.05 m，以確保組件安裝時(shí)有足夠的調(diào)整空間。若選擇薄膜光伏組件，假設(shè)尺寸為1.24 m×0.63 m，則幕墻分格尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)為1.24 m×0.63 m。需注意的是，薄膜光伏組件具有較高的柔性，可根據(jù)建筑外墻的曲面進(jìn)行安裝，以此為設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。

最后，在進(jìn)行幕墻分格設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮光伏組件的排列方式，常見(jiàn)的排列方式有水平排列和垂直排列。水平排列時(shí)，組件的長(zhǎng)邊平行于地面，適用于較寬的幕墻設(shè)計(jì)；垂直排列時(shí)，組件的長(zhǎng)邊垂直于地面，適用于較高的幕墻設(shè)計(jì)。

2）光伏停車棚設(shè)計(jì)。首先，單支撐立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、占用空間小，適合于空間緊湊的停車場(chǎng)。每個(gè)單車位的停車棚長(zhǎng)5 m、寬2.5 m，立柱高2.5 m。設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)能電池板直接作為屋面系統(tǒng)，電池板通過(guò)鋁合金壓塊固定。每塊太陽(yáng)能電池板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1.65 m×0.99 m。一般采用4個(gè)壓塊進(jìn)行固定，以確保穩(wěn)固和耐用?？紤]到防水問(wèn)題，可以在太陽(yáng)能電池板之間增加泡沫棒和填充密封膠，并在上部覆蓋彩鋼或鋁合金蓋板，以提升防水性能。

其次，雙支撐底柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)固性、安全性較高，適用于停車場(chǎng)或需要承受較大荷載的區(qū)域。一般每個(gè)單車位停車棚長(zhǎng)5 m、寬2.5 m，支柱高2.5 m。在雙支撐支柱結(jié)構(gòu)中，同樣采用太陽(yáng)能電池板作為屋面系統(tǒng)，電池板通過(guò)鋁合金壓塊固定。每塊太陽(yáng)能電池板規(guī)格為1.65 m×0.99 m，采用4個(gè)壓塊進(jìn)行固定。為了防止漏水，板間增加泡沫棒并填充密封膠，上部覆蓋彩鋼或鋁合金蓋板。

2.3 大型工廠屋頂中的光伏發(fā)電系統(tǒng)

工業(yè)建筑中大型工廠屋頂面積以及結(jié)構(gòu)更適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需結(jié)合屋頂面積、承重能力、排布方式以及電力需求等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)電效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1）屋頂面積與光伏組件選擇。假設(shè)某工廠屋頂面積10 000 m2。根據(jù)光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如1.65 m×0.99 m，每塊組件的面積1.63 m2。為了確保組件之間有足夠的間隙用于維護(hù)和通風(fēng)，實(shí)際安裝的組件數(shù)量會(huì)略少于理論計(jì)算。

2）承重能力與支架設(shè)計(jì)。首先，需進(jìn)行承載能力的計(jì)算。結(jié)合屋頂結(jié)構(gòu)、材料，進(jìn)一步確定承重能力，假設(shè)屋頂由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，承重能力200 kg/m2。光伏系統(tǒng)總重量包括光伏組件、支架、配件以及積雪、風(fēng)荷載等因素。光伏組件重量約15 kg/m2，支架和配件重量約5 kg，總重量20 kg/m2，得出光伏系統(tǒng)總重量為20 kg/m2。進(jìn)一步考慮到風(fēng)荷載、積雪的影響，假設(shè)當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪厚度0.3 m，雪密度100 kg/m2，則雪荷載=30 kg/m2。假設(shè)風(fēng)荷載10 kg/m2，則總荷載=60 kg/m2。

其次，進(jìn)行支架設(shè)計(jì)時(shí)，需確定其穩(wěn)定性、耐久性，建議使用鋁合金或鍍鋅鋼材料，此類材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]。

在設(shè)計(jì)中，若采用固定傾角支架，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：①橫梁承載光伏組件，立柱支撐橫梁。立柱間距、高度根據(jù)光伏組件尺寸和傾角確定；②用于固定光伏組件與支架，采用高強(qiáng)度鋁合金壓塊，每塊光伏組件使用4個(gè)壓塊固定。壓塊尺寸為60 mm×40 mm，壁厚3 mm；③支架基礎(chǔ)固定在屋頂上，采用膨脹螺栓或化學(xué)錨栓固定，以確保支架的穩(wěn)定性。膨脹螺栓規(guī)格為M12×120 mm。支架設(shè)計(jì)需確保每個(gè)支撐點(diǎn)的荷載均勻分布，以減少局部應(yīng)力集中。

3）排布方式與傾角。排布方式和傾角的處理過(guò)程直接影響到光伏發(fā)電的效率。一般來(lái)說(shuō)，組件應(yīng)以南向傾斜安裝，最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥葴p去10o，以保證最大化光照接收。對(duì)于固定傾角的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)可提供全年穩(wěn)定的發(fā)電量。

4）電力需求與系統(tǒng)規(guī)模。根據(jù)工廠的電力需求，確定光伏系統(tǒng)的規(guī)模。假設(shè)工廠電力需求為50 000 kW .h，當(dāng)?shù)啬昃照諘r(shí)數(shù)4 h，則所需的光伏系統(tǒng)總裝機(jī)容量為12 500 kW .h?？紤]系統(tǒng)效率和損耗，實(shí)際安裝容量應(yīng)略高于計(jì)算值，建議安裝容量為13 000 kW .h。

3 在建筑設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

首先，光伏系統(tǒng)初始投資成本較高，但隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，光伏組件和安裝成本逐年下降。目前，光伏系統(tǒng)的成本約5元/W，投資回收期約5～7年[2]。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠顯著降低建筑的電力開(kāi)支。以裝機(jī)容量100 kW的光伏系統(tǒng)為例，每年可發(fā)電約120 000 kW .h，按0.8元/（kW .h）計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)約96 000元[3]。此外，我國(guó)較多地區(qū)對(duì)光伏發(fā)電實(shí)行補(bǔ)貼政策和電力上網(wǎng)電價(jià)支持，進(jìn)一步提升了當(dāng)?shù)毓夥到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)率。因此，從長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自給自足的綠色能源供應(yīng)，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的投資吸引力[4]。

3.2 環(huán)境效益分析

首先，光伏發(fā)電屬于清潔能源，其運(yùn)行過(guò)程中不排放CO2、SO2等有害氣體，減少了溫室氣體的排放，有助于緩解全球氣候變化。其次，光伏發(fā)電利用太陽(yáng)能這種再生能源，可進(jìn)一步減少對(duì)化石燃料的依賴，達(dá)到降低環(huán)境污染、減少資源消耗的效果。與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生煙塵、廢水和廢渣，可有效避免對(duì)水資源和土壤的污染，有助于保護(hù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

不同類型的建筑在不同的應(yīng)用階段都會(huì)產(chǎn)生較大的電力損耗，導(dǎo)致建筑物無(wú)法適應(yīng)節(jié)能要求。采用分布式光伏發(fā)電，可有效改變傳統(tǒng)的建筑用電模式，充分利用太陽(yáng)能，達(dá)到降低傳統(tǒng)能源的消耗，促進(jìn)建筑及其周邊的生活環(huán)境向綠色、節(jié)能、健康的方向發(fā)展的設(shè)計(jì)效果。未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和政策的進(jìn)一步支持，光伏發(fā)電系統(tǒng)將在更多建筑類型中得到推廣應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的建筑愿景提供有力支持。

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