太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳喜軍

摘要：近年來(lái)隨著越來(lái)越多的已有建筑面臨著更新改造，同時(shí)，節(jié)能減排、減少環(huán)境污染、可持續(xù)發(fā)展已成為建筑行業(yè)新的發(fā)展方向。太陽(yáng)能發(fā)電作為近幾年來(lái)進(jìn)步最快的新能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在了建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其大面積的應(yīng)用對(duì)改善中國(guó)能源結(jié)構(gòu)，降低建筑能耗，保護(hù)環(huán)境有著深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)意義。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能技術(shù)；光伏；建筑設(shè)計(jì)；應(yīng)用

目前中國(guó)的城鎮(zhèn)化率已經(jīng)很高，城市的發(fā)展從原先的城市大建設(shè)逐步過渡到了少量新建建筑的開發(fā)與大量既有建筑更新改造同時(shí)并存的階段，許多城市建筑根據(jù)城市的發(fā)展需要進(jìn)行相應(yīng)的更新，太陽(yáng)能發(fā)電在建筑設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用將起到一舉多得的示范效應(yīng)。

1太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)原理

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，即利用太陽(yáng)能電池組件接收太陽(yáng)光，同時(shí)將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，或存儲(chǔ)于蓄電池中，或應(yīng)用于交、直流負(fù)荷等領(lǐng)域中。

太陽(yáng)能組件在建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合太陽(yáng)光譜波長(zhǎng)特點(diǎn)及適合P-N環(huán)境下的光生電場(chǎng)效應(yīng)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件及建筑物朝向的合理布置，獲得最有效的利用光資源的方式。

2太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)的組成

2.1太陽(yáng)能電池板

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的有效利用，在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)敷設(shè)過程中，需注意將多個(gè)電池板以并聯(lián)或串聯(lián)的形式進(jìn)行連接，繼而有效的將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，滿足用戶對(duì)電能的供給需求。但在太陽(yáng)能電池板配置過程中，應(yīng)注意根據(jù)建筑物的特點(diǎn)或是采用鋼化玻璃，或是采用柔性封裝的形式，且讓太陽(yáng)能電池板的運(yùn)行環(huán)境溫度盡量在-40℃～+60℃之間，并保持風(fēng)力強(qiáng)度<12級(jí)，這樣不但會(huì)延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池板的使用壽命達(dá)到25年以上，還可以獲得最佳的收益比。

2.2蓄電池

蓄電池在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)運(yùn)行中承擔(dān)著存儲(chǔ)能量的作用，合理的配置蓄電池的容量及采用性價(jià)比高的相應(yīng)材料的蓄電池對(duì)系統(tǒng)的整體造價(jià)起著至關(guān)重要的作用。隨著電池技術(shù)的飛速發(fā)展，像磷酸鐵鋰蓄電池、超級(jí)電容等一大批壽命長(zhǎng)、充放電速度快的優(yōu)于鉛酸的新型蓄電池得到了極大的應(yīng)用。隨著未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)將在更廣闊的天地得到應(yīng)有。

2.3控制---逆變器

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充-放電控制、太陽(yáng)能利用的最佳效果，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制---逆變器元器件的質(zhì)量?jī)?yōu)劣、精確控制算法的合理性、電性能保護(hù)的完整性構(gòu)成了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心。同時(shí)，為了適應(yīng)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以采用適合現(xiàn)場(chǎng)需要的微逆、組串逆變器、集散逆變器、直流發(fā)電等多種可供選擇的控制設(shè)備。優(yōu)質(zhì)的太陽(yáng)能控制---逆變器設(shè)備不但提高了效率、保障了太陽(yáng)能源源不斷的轉(zhuǎn)化為電能，還對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了很好的保護(hù)作用。

2.4智能監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)代太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)可以做到了全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、診斷控制、綜合管理，通過組串甚至組件級(jí)的監(jiān)測(cè)能夠最大限度的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的不良信息，同時(shí)可以遠(yuǎn)程啟停單個(gè)組串、組件接入。系統(tǒng)通過有線、無(wú)線多種方式的組網(wǎng)方案可以提供豐富的運(yùn)營(yíng)分析管理功能，可以涵蓋生產(chǎn)管理、運(yùn)行管理、維護(hù)管理、資產(chǎn)管理、人員管理等增值功能。通過部署簡(jiǎn)單化，監(jiān)控界面友好化，操作方便化，省時(shí)高效的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用中的運(yùn)維保障功能。

3太陽(yáng)能光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

第一，太陽(yáng)能光伏技術(shù)的BAPV應(yīng)用，是通過充分利用工廠、商場(chǎng)、家庭等建筑屋頂?shù)挠行褂妹娣e，構(gòu)建合理的安裝方式、最佳的傾斜角度的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、安全防范、消防要求、審美視覺等要求的前提下將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)融入了各類建筑的設(shè)計(jì)、建設(shè)當(dāng)中。BAPV應(yīng)用對(duì)建筑技術(shù)要求不高，為通用的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用。

第二，BIPV即太陽(yáng)能與建筑一體化應(yīng)用的方式，讓建筑物本身利用太陽(yáng)能資源進(jìn)行發(fā)電。建筑物需從設(shè)計(jì)、施工、審美等多角度出發(fā)，讓太陽(yáng)能組件和建筑物完美的結(jié)合在一起，同時(shí)注重摒棄傳統(tǒng)建設(shè)理念，利用光伏組件代替外遮陽(yáng)、外幕墻、采光頂?shù)炔糠?，達(dá)到一體化的發(fā)電、節(jié)能降耗設(shè)計(jì)效果。此外，在BIPV應(yīng)用理念下，為了打造一體化建筑空間，要求建筑單位在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在注重將隔熱、安全、發(fā)電、隔音等效用融于一體的同時(shí)，電氣設(shè)計(jì)不能僅僅滿足于傳統(tǒng)的規(guī)范要求，在電纜的選型、敷設(shè)、防護(hù)等級(jí)要求上要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至要特殊考慮才能達(dá)到設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的最佳標(biāo)準(zhǔn)。

例如，光伏幕墻在設(shè)計(jì)過程中，為了達(dá)到一體化設(shè)計(jì)效果，同時(shí)滿足多種采光角度的變化需逆變器的MPPT合理配置，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能輻射的最佳利用。（見圖1）

第三，太陽(yáng)能發(fā)電、LED燈、變頻水泵等節(jié)能設(shè)備的綜合利用。通過在節(jié)能建筑中利用具有壽命長(zhǎng)，光效高（50～80lm/W）、環(huán)保、安全特點(diǎn)的LED燈；具有節(jié)能、高效的變頻控制功能的節(jié)能水泵等設(shè)備最終規(guī)避了傳統(tǒng)發(fā)電中的資源浪費(fèi)問題，提高了整個(gè)建筑的能耗比。

建筑外圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占建筑空調(diào)總負(fù)荷的10-30%左右。在冬季，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失是影響采暖能耗的重要因素。加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱，不但可以減少采暖空調(diào)的能耗，還可以提高建筑空間使用的舒適度。以保溫隔熱+太陽(yáng)能利用為設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，夏天能有效的吸收利用太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)化為電能，冬天利用光伏組件優(yōu)良的隔熱透光能力可以極大的減少熱損失。

4結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前太陽(yáng)能在建筑行業(yè)的應(yīng)用更多的還只是局限在光熱設(shè)備上，而由于光電轉(zhuǎn)化利用還存在著成本偏高，回收周期長(zhǎng)，需要依托政策補(bǔ)貼保障等問題，不能廣泛的大面積的應(yīng)用。而由于太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭、普適性好的優(yōu)越性能，同時(shí)隨著近年來(lái)普通大眾對(duì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，使得太陽(yáng)能發(fā)電在建筑領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)都有了用武之地。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展及其被廣泛的使用，相信BAPV、建筑光伏一體化（BIPV）、被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑等創(chuàng)新應(yīng)用將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦小茅.能源消耗與環(huán)境污染之間的關(guān)系探討.資源節(jié)約與環(huán)保：2014（5）.

[2]鄭世有，奧雅納.建筑物自城市更新中的角色.世界建筑導(dǎo)報(bào)：2012（2）.

（作者單位：水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院）