光伏技術在建筑中的應用研究

項若軒

（中國水電工程顧問集團有限公司，北京100101）

1 引言

隨著社會經濟的飛速發展，人們的生活水平不斷提高，人們在生產和生活中對能源的需求量日趨增加。目前，國內能源提供主要以化石能源為主，化石能源為不可再生能源，面臨著資源日益減少趨于枯竭的問題；而且大量化石能源的使用也嚴重污染了人類賴以生存的生態環境[1]。如何保證經濟建設中能源的持續供應的同時又滿足社會各界對綠色生態環境的要求，是擺在相關部門面前的一大難題。這道題的答案就是可再生能源，其中，以太陽能為能源的光伏發電技術憑借其可持續、清潔、環保、安全的特點，在綠色建筑中得到了廣泛應用。

2 光伏發電的相關內容

2.1 光伏發電的基本原理

光伏發電的基本原理是光生伏特效應，光伏電池在這一過程中發揮著能量轉化作用。在太陽光照射到光伏電池時，光能會被電池吸收，在電池內形成光生電子，光生電子會和空氣發生隔離反應，這樣產生的電荷在長期的積累過程中匯聚形成光生電壓，即光生伏特效應。在電場的作用下，光伏電池在接入負載后，光生電子會流出，電能被輸出和利用，從而實現從太陽能到電能的轉化。

2.2 光伏發電與建筑一體化概述

光伏發電和建筑一體化是指將光伏發電應用到建筑行業的發展中構成一體化的建筑系統。光伏建筑一體化的實施方式主要分為2種：（1）光伏系統與建筑的結合，光伏系統設置在建筑中，可先有建筑后建光伏，也可二者同時建設；（2）光伏系統與建筑的集成，光伏電池及相關材料作為建筑物的構件存在，在實施過程中光伏工程需要和建筑工程建設共同進行。

3 光伏發電技術在綠色建筑中的應用

3.1 光伏幕墻技術的應用

光伏幕墻是現在光伏發電和建筑一體化中使用較為廣泛的一種技術，光伏幕墻技術主要指的是在玻璃幕墻內部應用雙玻璃光伏組件替代普通材料，這樣光伏幕墻會兼具光伏發電以及隔音、隔熱、安全等功能。在光伏玻璃幕墻技術的應用過程中，除了可實現充分利用太陽能發電的目標，還可以實現綠色建筑指標控制的目的，可在相關工程中加大光伏幕墻技術的應用力度，為建筑行業的可持續發展提供支持。

3.2 光伏采光技術的應用

頂部采光技術是建筑工程常用的節能措施之一，白天通過自然采光代替建筑內部分照明，起到節能降耗的效果。由于太陽光線直射屋頂，因此，在建筑頂部安裝的光伏電池板相對于玻璃幕墻可接收到更多的輻射能量，利用小時數更多，發電量更優。在頂部采光設計加入光伏技術有2種模式：（1）與光伏幕墻技術類似，采用雙玻璃組件可同時滿足采光與發電的要求；（2）采用透明材料與常規光伏組件混布的方式，常規組件可按規則排列，也可按圖案（企業名稱、LOGO等）排列，該方式可減少太陽光帶來的熱輻射，多用于炎熱地區[2]。光伏采光頂的應用，有利于減少太陽對建筑物的輻射，提高受光率，推動綠色建筑建設的進一步發展。

4 光伏技術在建筑中的應用實例

4.1 應用背景

某商業辦公樓屬于新建公共建筑，且被申報成綠色建筑二星級的設計標識，該商業辦公樓的建筑用電面積是17 000m2，地上建筑面積是860 000m2，共4棟高層商業辦公樓，1層和2層的設計功能為商鋪，3層及以上設計的是辦公樓。該項目需要在實施中引用一種及以上綠色可再生能源，才能滿足綠色建筑及節能方面相關要求和規定。根據工程建設條件及功能需求，本工程制定了光伏建筑一體化、空氣源熱泵等多個方案，在進行經濟、技術、施工難度等的方面的比選后，最終選擇光伏建筑一體化方案。

4.2 光伏發電設計流程

4.2.1 負荷分析及安裝容量

相關人員通過分析該項目的實際情況，最終將本工程光伏發電系統的對應負荷確定為長期負荷和短時負荷2種：長期負荷為安全通道、步行樓梯、地下室等公共場所照明設施，該類負荷長期穩定；短時負荷為各商戶或辦公室照明設施，負荷隨工作時間變化。

根據負荷變化情況，結合當地的輻照水平及商業樓總體規劃方案，設計人員確定最終的安裝容量，力求節能效益、經濟效益的最大化。從圖1可知，除早晨部分時段，其他時段的發電量均可完全消耗，使用率較高。

4.2.2 光伏系統規劃

該棟商業辦公樓1層為商戶的大門，2層為廣告牌預留空間，3層和4層為玻璃幕墻，屋頂位置有多處挑空。利用南側的玻璃幕墻并在屋頂安裝光伏組件，既可以滿足建筑物功能要求，又保證了光伏發電的效率。根據容量規劃及安裝位置大小，確定最終的光伏組件選型，合理規劃逆變器容量及安裝位置，使其就近接入對應負荷，可減少電纜敷設的投資，又能減少電能傳輸的損耗，一舉兩得[3]。

4.2.3 節能及經濟效益分析

該地區年利用小時約為1100h，考慮到平鋪布置、垂直布置、揚塵、陰雨等因素的影響，該商業辦公樓光伏系統利用小時數暫定為950h，商業用電按照1.2元/（kW·h）計算，當光伏安裝容量為100kWp時，該系統各項指標詳見表1。

圖1 光伏發電曲線與負荷曲線對比圖

表1 光伏發電系統各指標表

由表1可知，合理的利用光伏建筑一體化技術，不僅能給企業帶來不錯的經濟效益；還能有效地減少CO2的排放，降低化石能源的使用量，節能效果顯著。

5 結語

綜上所述，在社會經濟的快速發展中，大量化石能源的使用使生態環境受到了嚴重的污染。由于太陽能具有可持續性、清潔性、環保性的特點，光伏發電與建筑一體化技術已經得到了大量的應用。隨著人們環保意識的不斷提高，光伏發電配套技術的不斷進步，光伏發電與建筑一體化技術將在綠色節能建筑工程扮演更為重要的角色，為建筑業的可持續發展提供有利的保障。