光伏發電系統在綠色建筑中的應用

申 翔

（廣西大學，廣西 南寧 530000）

0 引 言

隨著世界性能源危機的爆發和生態環境的惡化，風能、太陽能以及水能等清潔可再生能源快速發展。與其他能源相比，太陽能具有分布廣泛、安全以及可持續強等優點，并可以將其轉化為電能和熱能，滿足人們的各項供熱需求。綠色建筑是近年來建筑領域興起的一種新的建筑理念，以保護環境、節約能源為技術手段，為用戶提供一個安全、舒適、健康的居住環境，是未來建筑發展的主流方向。將光伏發電系統應用于綠色建筑，可以充分利用太陽能資源，降低建筑能耗，滿足綠色建筑發展需求，達到節能減排的目標，符合綠色建筑發展要求。

1 光伏發電系統與綠色建筑

1.1 光伏發電系統

光伏發電系統是利用光生伏特效應，不需要加熱過程直接將光能轉化為電能的發電系統。光伏發電系統主要由光伏方陣、蓄電池組、蓄電池控制器、逆變器以及自動跟蹤系統等構成[1]。光伏方陣是由若干個光伏組件或者光伏板按照一定順序進行組裝構成的直流發電單元，在光照情況下可以吸收光能。在光生伏特效應下，利用太陽能電池兩端的電動勢將光能轉化為電能。蓄電池組主要是存儲太陽能電池方陣產生的電能，并隨時為用戶提供電能。蓄電池控制組自動控制蓄電池過度放電或者充電，以免縮短蓄電池組的使用壽命。逆變器主要負責將直流電轉換為交流電。自動跟蹤系統的主要作用是自動跟蹤太陽輻射度。太陽能發電量與太陽光的輻射角度有關，太陽光和光伏方陣呈直角時發電量最大。由于太陽光一年四季、每天早上和傍晚的角度在不斷變化，因此需要及時調整光伏方陣，達到最佳的受光效果。太陽能光伏發電系統不容易受到地域環境的限制，具有無污染、無噪聲、不需要消耗能源和架設輸電線設備就可以就地發電等特點，因此近年來國家大力建設太陽能發電站。

1.2 綠色建筑

綠色建筑指在建筑的全壽命周期內，因地制宜，采用節能環保技術降低建筑各類資源的損耗，減少建筑使用過程中的污染，為用戶提供一個安全、舒適、健康、適宜的空間，達到人與自然和諧相處。按照《綠色建筑評價標準》（GB／T50378-2006）中的相關要求，綠色建筑在設計過程中必須遵循節約資源的原則，充分利用太陽能和風能，采用節能的建筑圍護結構和采暖設施，減少空調設備、采暖設備的使用率[2]。

2 光伏發電系統在綠色建筑中的應用

2.1 光伏發電系統在建筑外墻的應用

綠色建筑要求盡可能減少建筑材料的使用，充分利用太陽能、風能等自然資源，為居住者創造一個自然、宜居的環境。建筑外墻是最容易接受太陽直射的地方，也最容易囤積太陽能，能夠將太陽能直接轉化為電能，為光伏發電系統在建筑中的應用創造了有利條件。因此，設計時往往將太陽能光伏板、玻璃幕墻集成PV玻璃幕墻，不僅可以隔絕太陽輻射，還可以將太陽能轉化為電能，供應建筑內部的照明系統，減少外部墻體的溫度，降低室內空調負荷。PV板外觀優美、結構輕、色彩豐富，可以賦予建筑現代感和時尚感，因此在現代建筑中廣泛應用[3]。比如，香港理工大學邵逸夫樓墻體采用了光伏發電系統，裝機容量8 kWp，在墻體上共安裝100個單晶光伏板，光伏板的采光面積為55 m2，其中東、西兩面安裝了11 m2，南面安裝了12 m2，屋頂安裝了22 m2。該光伏系統共安裝了7個逆變器。為了確保光伏發電系統獲得最大的發電量，光伏板的傾斜角度設計為13°，光伏陣設計朝南，以便更好地吸收太陽光。該項目運行10年后，雖然單晶光伏系統的能源效率利用率有所下降，但是整體情況變化不大。但是，由于香港的春季陰雨天氣較多，影響到了發電量，而夏季和秋季的陽光比較充足，屋頂的采光率較足。

2.2 光伏發電系統在建筑屋頂的應用

由于光伏發電系統受到地形的影響較小，建筑屋頂接受太陽光的條件較好，因此光伏發電系統在建筑屋頂應用比較廣泛。目前，廣大農村家庭以及城鎮居民屋頂安裝的太陽能熱水器就是將太陽能轉化為熱能。由于光伏發電系統具有節能、減排的效果，目前逐漸應用于工業建筑和商業建筑領域[4]。以安徽華光集團的屋頂光伏發電項目為例，該光伏發電項目主要是為了解決城市用電高峰期間的拉閘限電問題，以滿足現有配電網的有序運行。安徽華光集團位于安徽省蚌阜市，太陽能資源豐富，每年日照天數245天，日照輻射量為5 058 MJ/m2，夏季市區溫度可達到40 ℃，為光伏發電系統的建設提供了有利條件。該項目的裝機容量約為2 MWp，建筑面積為30 600 m2，具體參數如表1所示。

陰雨天氣或者霧霾天氣太陽能見度低，光伏發電系統的電壓達不到逆變器工作要求，因此光伏發電系統無法滿足集團用電需求，這時可以及時接入城市配電網。屋頂光伏發電系統實施前后各項參數對比情況，如表2所示。

根據表2可知，光伏發電項目運行后，每天的發電量為8 180 kW·h。按照蚌阜市平均日照天數245天計算，預計每年可以為集團公司提供2×106kW·h的電能。不僅有效解決了企業在用電高峰期用電緊張的局面，而且降低了企業的用電成本。

2.3 光伏發電系統在建筑天窗中的應用

天窗是建筑屋頂的開口，雖然與太陽的接觸面積較小，但是可以減少室內采光，并充分利用太陽能電板將太陽能轉化為熱能和電能，有效降低室內溫度。天窗采用光伏發電系統，可以減少白天室內的照明用電。因此，在新建或者改建建筑設計中，可以采用光伏板代替天窗玻璃[5]。比如，北京火車南站屋頂采光模式。北京火車南站擴建工程中央采光天窗在整個火車南站的中心位置，是一個集采光和發電一體化的光伏發電項目。火車站的整個采光天窗50%的面積布置太陽光伏組件，組件采用雙斑馬線的方式布置。根據采光天窗的結構和位置，將多個光伏組件串并為一個光伏方陣。光伏組件的方陣最長為400 m，最寬為50 m。光伏方陣的朝向為北偏西45°，傾角為7°。考慮到北京火車南站的屋面構造，采光帶采用隱形框加蓋板的形式，確保整個采光天窗的密封性，便于后期安裝。光伏組件的連接導線隱藏在蓋板下，不會影響整個天窗采光系統的密封性和屋頂的排水系統。該系統的光伏組件采用1 200 mm×600 mm的GIS電池，電池功率75 W。整個光伏系統共安裝了1 754塊光伏組件，光伏發電系統的總裝機功率為312.2 kW。36個子系統構成了整個光伏發電系統，每一個子系統由太陽能光伏方陣、直流配電柜、逆變器、交流配電柜、回線盒、通信電纜和電力電纜等構成。北京火車南站屋頂天窗光伏發電系統不僅可以改善火車站的室內采光效果，而且可以充分利用太陽能，降低火車站的用電量。

表1 屋頂光伏發電項目的參數設計

表2 屋頂光伏發電系統實施前后各項參數對比

3 結 論

光伏發電系統不僅可以充分利用太陽能，降低電能損耗，還可以有效解決城市配電網供電不平衡、用電緊張的局面。光伏發電系統與綠色建筑發展理念相同，兩者有效結合，可以為住戶創造更好的居住環境。