基于太阳能光伏技术的节能建筑 系统的设计与研究

    引言

    能源是社会发展的原动力，现代建筑对于煤炭、石油、天然气等传统能源的过分依赖，不仅增加了能源的消耗，而且污染环境。有资料显示，目前建筑能耗占社会总能耗的30%左右，而暖通空调能耗约占建筑能耗的95%。随着我国人民生活水平的不断提高和城市化进程的加快，建筑能耗占社会能源总消耗量的比例也在持续增加。提倡建筑节能不仅能缓解社会经济发展与能源供应不足而产生的能源紧张问题，而且能降低污染物排放，有效保护环境。

    太阳能作为一种无污染的能源，同时也是人类可利用的最丰富的能源。在我国约占国土面积2/3 的地区年平均辐射总量在3340～8400MJ/m2，年日照时数超过2200h，相当于110～280kg/h标准煤的热值。因此，研发太阳能在建筑中综合利用的技术，探究太阳能技术与建筑节能的有机结合将具有积极而深远的意义。

    1、光伏技术

    1. 1 　太阳能电池的发电原理

    太阳能电池是对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒、铟、铜等，其中硅是较成熟的光伏原件。晶体硅目前能规模生产的产品发电效率在13%～17%，非晶体硅效率在7%～10%左右。即1m2电池板在1kW太阳能量的照射下，分别产生130～ 170Wp和70～100Wp 的电能。硅的发电原理是：当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P - N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

    1. 2 　光伏发电的基本工作原理

    太阳能光伏技术，即太阳能发电技术，其基本工作原理是：太阳能电池板在白天的光照条件下接收太阳光并产生电能，使太阳电池组件产生一定的电动势(即发电)，并通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换产生的电能储存在蓄电池里。到需要用电时，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。太阳能电池板本身只能发电而不能储存电能，它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电器而言，直流电器可以直接使用，逆变器能够将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网，因此太阳能光伏发电系统的运行方式基本可分为光伏并网发电系统和独立光伏发电系统。系统结构见图1、图2。




    2、太阳能光伏发电系统的组成和特点

    光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成。其中各部分设备的作用是：

    (1) 太阳能电池方阵：太阳能电池方阵是太阳能发电系统中的核心部件，也是太阳能发电系统中价值最高的部分，其作用是将太阳的辐射能转化为电能，可以送往蓄电池中储存起来，也可以直接推动负载工作。

    (2) 蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：自放电率低；使用寿命长；深放电能力强；充电效率高；少维护或免维护；工作温度范围宽；价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。

    (3) 充放电控制器： 控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿的功能。
 

    (4) 逆变器：普通变压器的逆运行原理，是将太阳能电池板或蓄电池输出的直流电转换成所需要的交流电的设备。逆变器的功能是：过载保护；短路保护；接反保护；欠压保护；过压保护；过热保护等。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

    (5) 交流配电柜：其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量作用。

    3. 1 建筑耗能现状

    建筑能耗主要指采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯、通风等方面的能耗。据统计，建筑能耗在我国能源总消费中所占的比例已经达到27. 6%，且仍将继续增长。我国目前城镇民用建筑运行耗电占我国总发电量的25%左右，北方地区城镇供暖消耗的燃煤占我国非发电用煤量的15%～20%。这些数值仅为建筑运行所消耗的能源。我国现有441亿m2存量建筑，95%属于高能耗建筑。近年来我国每年新增建筑达16～20 亿m2，高能耗建筑占90%以上。在我国， 建筑能耗已占到全社会总能耗的30%左右，且仍将继续增长。我国目前城镇民用建筑运行耗电占我国总发电量的25%左右，北方地区城镇供暖消耗的燃煤占我国非发电用煤量的15%～20%。燃煤紧张，南方拉闸限电，北方冬季供暖受阻，能源价格不断上涨。因此建筑节能势在必行。

    3. 2 　建筑节能

    所谓建筑节能，最初是指减少建筑物中能量的流失，现在则普遍称为提高建筑物中的能源利用率，即在保证提高建筑物舒适度的前提下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。它所界定的范围是指建筑使用能耗，包括空调、采暖、照明、家用电器、炊事等方面的能耗。

    4. 1 　太阳能光伏技术在建筑中的应用概况

    截止2006 年，我国房屋总建筑面积约400亿m2，其中城市房屋131亿m2，城市住宅面积81.1亿m2，农村住宅面积大约161亿m2，城镇住宅屋顶可利用面积8 亿m2，农村住宅屋顶可利用面积32亿m2，共计40亿m2，如果20%安装太阳能光伏方阵就有80GWp。2020年和2050年可利用建筑面积分别增加50%和1 倍，若太阳电池阵列效率分别从现在的10%增加到15%和20%，则屋顶资源量从现在的80GWp分别增加到180GWp 和320GWp。近年来，太阳能光伏技术在建筑中的应用——光伏建筑一体化(BIPV Building Integrated Photovoltaic) 已经成为太阳能利用研究的热点，也出现了大量的成功示范工程并开始被大规模采用。光伏发电与建筑相结合具有节约占地，提高发电效率，减少输电线路的投资和损失，替代或部分替代建筑材料等优点。

    4. 2 　BIPV 的设计原则和策略

    BIPV 是指把光伏发电系统建设或者集成在现有建筑物或者新建筑物上，既能满足光伏发电功能，又与建筑物友好，甚至提升建筑物的功能或美感。BIPV 在设计及使用中应遵循一定的建筑标准，主要应包括： (1) 分析建筑物所在地的地理气候条件及日照情况，这是决定是否选用BIPV 的先决条件； (2) 考虑建筑物的周边环境条件，应确保建筑物能最大面积的收集太阳能，提高太阳能的转换率； (3) 光伏组件与建筑物的外装饰应协调、融合，不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命，不能对建筑物本身产生损害和不良影响； (4) 太阳能产品、构件能够实现预制板式的工业标准化、系列化和商业通用化，与屋顶和墙壁等建筑构件具有可替代性； (5) 具有适用性、经济性、舒适性、美观性； (6) 建筑物接收太阳能不得再另外占用土地和增加其他设施。(7) 能够分散发电，避免远距离传输和分电损失，降低输电和分电投资及维修成本。

    4. 3 　光伏组件与建筑一体化的设计途径

    从光伏方阵与建筑墙面、屋顶的结合来看，主要为屋顶光伏电站和墙面光伏电站。而从光伏组件与建筑的集成来讲，主要有光电幕墙、光电采光顶、光电遮阳板等形式。目前光伏建筑一体化主要有八种形式(表1)。

    近几年，在一些发达国家“零能房屋”得到了一定的发展，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、无污染，它代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势，许多国家的政府(如美国，德国) 都指定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20%的计划。发达国家光伏项目的成功实施也为我国的光伏发展提供了许多值得借鉴的经验。如何将太阳能光伏设备和建筑设计进行有机的结合，这个问题应成为太阳能产业界和建设行业共同研究讨论的一个问题，建筑如何与太阳能设备很好的结合起来也已成为摆在我们眼前的事实。

参考文献

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