太陽能發電技術在建筑設計中的應用

陳喜軍

摘要：近年來隨著越來越多的已有建筑面臨著更新改造，同時，節能減排、減少環境污染、可持續發展已成為建筑行業新的發展方向。太陽能發電作為近幾年來進步最快的新能源發電技術已經廣泛的應用在了建筑設計領域，其大面積的應用對改善中國能源結構，降低建筑能耗，保護環境有著深遠的經濟與社會意義。

關鍵詞：太陽能技術；光伏；建筑設計；應用

目前中國的城鎮化率已經很高，城市的發展從原先的城市大建設逐步過渡到了少量新建建筑的開發與大量既有建筑更新改造同時并存的階段，許多城市建筑根據城市的發展需要進行相應的更新，太陽能發電在建筑設計中的有效應用將起到一舉多得的示范效應。

1太陽能發電技術原理

太陽能發電技術，即利用太陽能電池組件接收太陽光，同時將太陽光轉化為電能，或存儲于蓄電池中，或應用于交、直流負荷等領域中。

太陽能組件在建筑設計應用中應結合太陽光譜波長特點及適合P-N環境下的光生電場效應，結合當地的氣象條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太陽能發電技術系統的組成

2.1太陽能電池板

為了實現對太陽能的有效利用，在太陽能光伏系統敷設過程中，需注意將多個電池板以并聯或串聯的形式進行連接，繼而有效的將太陽光能轉化為電能，滿足用戶對電能的供給需求。但在太陽能電池板配置過程中，應注意根據建筑物的特點或是采用鋼化玻璃，或是采用柔性封裝的形式，且讓太陽能電池板的運行環境溫度盡量在-40℃～+60℃之間，并保持風力強度<12級，這樣不但會延長太陽能電池板的使用壽命達到25年以上，還可以獲得最佳的收益比。

2.2蓄電池

蓄電池在太陽能光伏系統運行中承擔著存儲能量的作用，合理的配置蓄電池的容量及采用性價比高的相應材料的蓄電池對系統的整體造價起著至關重要的作用。隨著電池技術的飛速發展，像磷酸鐵鋰蓄電池、超級電容等一大批壽命長、充放電速度快的優于鉛酸的新型蓄電池得到了極大的應用。隨著未來儲能技術的不斷進步，太陽能發電技術將在更廣闊的天地得到應有。

2.3控制---逆變器

為了實現對蓄電池的充-放電控制、太陽能利用的最佳效果，太陽能光伏發電系統中的控制---逆變器元器件的質量優劣、精確控制算法的合理性、電性能保護的完整性構成了太陽能發電系統的核心。同時，為了適應太陽能發電技術在建筑設計中的應用，可以采用適合現場需要的微逆、組串逆變器、集散逆變器、直流發電等多種可供選擇的控制設備。優質的太陽能控制---逆變器設備不但提高了效率、保障了太陽能源源不斷的轉化為電能，還對整個系統的穩定運行起到了很好的保護作用。

2.4智能監控系統

現代太陽能發電系統已經可以做到了全系統監測、診斷控制、綜合管理，通過組串甚至組件級的監測能夠最大限度的發現系統中的不良信息，同時可以遠程啟停單個組串、組件接入。系統通過有線、無線多種方式的組網方案可以提供豐富的運營分析管理功能，可以涵蓋生產管理、運行管理、維護管理、資產管理、人員管理等增值功能。通過部署簡單化，監控界面友好化，操作方便化，省時高效的實現太陽能發電系統在建筑設計應用中的運維保障功能。

3太陽能光伏技術在建筑中的應用

第一，太陽能光伏技術的BAPV應用，是通過充分利用工廠、商場、家庭等建筑屋頂的有效使用面積，構建合理的安裝方式、最佳的傾斜角度的太陽能發電系統，同時在滿足國家標準、安全防范、消防要求、審美視覺等要求的前提下將太陽能發電系統融入了各類建筑的設計、建設當中。BAPV應用對建筑技術要求不高，為通用的太陽能發電技術在建筑中的應用。

第二，BIPV即太陽能與建筑一體化應用的方式，讓建筑物本身利用太陽能資源進行發電。建筑物需從設計、施工、審美等多角度出發，讓太陽能組件和建筑物完美的結合在一起，同時注重摒棄傳統建設理念，利用光伏組件代替外遮陽、外幕墻、采光頂等部分，達到一體化的發電、節能降耗設計效果。此外，在BIPV應用理念下，為了打造一體化建筑空間，要求建筑單位在太陽能光伏系統設計過程中，在注重將隔熱、安全、發電、隔音等效用融于一體的同時，電氣設計不能僅僅滿足于傳統的規范要求，在電纜的選型、敷設、防護等級要求上要根據實際情況優于國家標準及企業標準，甚至要特殊考慮才能達到設備長期運行的最佳標準。

例如，光伏幕墻在設計過程中，為了達到一體化設計效果，同時滿足多種采光角度的變化需逆變器的MPPT合理配置，由此實現對太陽能輻射的最佳利用。（見圖1）

第三，太陽能發電、LED燈、變頻水泵等節能設備的綜合利用。通過在節能建筑中利用具有壽命長，光效高（50～80lm/W）、環保、安全特點的LED燈；具有節能、高效的變頻控制功能的節能水泵等設備最終規避了傳統發電中的資源浪費問題，提高了整個建筑的能耗比。

建筑外圍圍護結構負荷占建筑空調總負荷的10-30%左右。在冬季，圍護結構熱損失是影響采暖能耗的重要因素。加強圍護結構保溫隔熱，不但可以減少采暖空調的能耗，還可以提高建筑空間使用的舒適度。以保溫隔熱+太陽能利用為設計切入點，夏天能有效的吸收利用太陽能資源轉化為電能，冬天利用光伏組件優良的隔熱透光能力可以極大的減少熱損失。

4結語

當前太陽能在建筑行業的應用更多的還只是局限在光熱設備上，而由于光電轉化利用還存在著成本偏高，回收周期長，需要依托政策補貼保障等問題，不能廣泛的大面積的應用。而由于太陽能具有取之不盡、用之不竭、普適性好的優越性能，同時隨著近年來普通大眾對節能環保意識的不斷增強，使得太陽能發電在建筑領域的各個環節都有了用武之地。隨著太陽能技術的發展及其被廣泛的使用，相信BAPV、建筑光伏一體化（BIPV）、被動式太陽能建筑等創新應用將會得到越來越廣泛的應用。

參考文獻：

[1]秦小茅.能源消耗與環境污染之間的關系探討.資源節約與環保：2014（5）.

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

（作者單位：水電水利規劃設計總院）