光伏發(fā)電技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用研究

魏志豪，吳楨芬

（昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650000）

0 引 言

太陽能是一種常見的可再生能源，分布廣泛，用之不盡，取之不竭。世界各國面對傳統(tǒng)能源（煤炭、石油以及天然氣等）日漸枯竭的情況，從未停止對太陽能開發(fā)和利用的探索。相比于煤炭和石油等非再生能源，太陽能除了儲(chǔ)量巨大之外，還具有零排放和無污染的特點(diǎn)，對防治空氣污染、減緩溫室效應(yīng)以及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重大意義[1-2]。光伏發(fā)電技術(shù)利用光伏效應(yīng)，把太陽輻射的光能直接轉(zhuǎn)化為電能，是利用太陽能的一種重要途徑。不僅能夠在大型光伏發(fā)電站中發(fā)揮作用，而且遍布在人們的周圍，為日常生活提供了諸多便利。

將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑，可以充分利用太陽能資源降低建筑自身能耗，同時(shí)可起到美化裝飾和節(jié)省建材的作用。既符合綠色建筑理念，滿足人們對節(jié)能、減排以及環(huán)保的需求，又能夠推動(dòng)綠色建筑行業(yè)朝著更加節(jié)能的方向發(fā)展[3-4]。

1 光伏發(fā)電技術(shù)簡介

1.1 光伏發(fā)電原理與光伏系統(tǒng)組成

1839年，法國著名物理學(xué)家貝克勒爾在實(shí)驗(yàn)室第一次發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)，從此光伏發(fā)電進(jìn)入人類的視線。在此后100多年的時(shí)間里，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人類生活水平的顯著提高，光伏發(fā)電技術(shù)取得了長足發(fā)展，尤其在太陽能電池材料研制方面。從單晶硅太陽能電池到多晶硅太陽能電池，再到目前以砷化鎵和碲化鎘為主要代表的多元化合物薄膜太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率大幅提升，成本不斷下降。光伏效應(yīng)是指當(dāng)光線照射在半導(dǎo)體材料上時(shí)，在半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。光伏發(fā)電可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不需要通過熱能間接轉(zhuǎn)化[5]。通常情況下，一個(gè)完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)由多個(gè)部分組成，主要包含太陽能電池陣列、儲(chǔ)能元件、逆變器、用電負(fù)載以及控制器等[6]。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

如圖1所示，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作形式的不同，通常把光伏發(fā)電系統(tǒng)分成獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類[7]。

首先，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)又被稱作離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，不與公共電網(wǎng)相連接，因此特別適用于公共電網(wǎng)到達(dá)不了的山區(qū)、海島以及戈壁等偏僻地帶。其次，在一些需要靈活部署的場合如氣象觀測站、太陽能照明系統(tǒng)以及通信基站等得到了廣泛應(yīng)用。最后，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常被用于太空飛行器、月球探測車以及宇宙空間站等航天領(lǐng)域的供電設(shè)備。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)不與國家電網(wǎng)相連，通常配有儲(chǔ)能裝置，用來存儲(chǔ)多余的發(fā)電量。而無儲(chǔ)能裝置的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常見于計(jì)算器和兒童玩具等微型用電器件[8]。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接，有直接連接方式和通過內(nèi)網(wǎng)連接方式兩種。大型光伏發(fā)電站通常建設(shè)在偏遠(yuǎn)空曠的無人區(qū)，周圍缺少用電負(fù)載，因此光伏發(fā)電站發(fā)出的電能無須經(jīng)過內(nèi)部電網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)饋送至國家電網(wǎng)，是一種直接連接方式。目前，它已經(jīng)成為我國能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。與大型光伏發(fā)電站不同，散落在城市各個(gè)角落和房屋建筑表面的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)則采用通過內(nèi)網(wǎng)接入國家電網(wǎng)的方式。內(nèi)網(wǎng)是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部電網(wǎng)。內(nèi)部電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以節(jié)約城市建筑能耗，在用電高峰期有效緩解公共電網(wǎng)的供電壓力。

2 綠色建筑簡介

所謂綠色建筑中的綠色，不單單是指用來裝飾建筑物的綠色植被，而是一種表征性含義，代表建筑物本身具有低碳、環(huán)保以及無污染的優(yōu)點(diǎn)。綠色建筑從建造到使用的整個(gè)生命周期，能夠最大程度地降低能耗、節(jié)約資源以及保護(hù)環(huán)境，與自然生態(tài)系統(tǒng)融為一體，為人們提供一個(gè)舒適、健康以及高效的工作與憩息環(huán)境[9]。我國2015年1月1日頒布實(shí)施的《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50378—2014》提出了如下要求。首先，綠色建筑在選址方面需做到因地制宜，充分考慮如海拔、緯度、風(fēng)向以及光照等地域性特點(diǎn)，并根據(jù)這些特點(diǎn)有的放矢地設(shè)計(jì)建筑物的構(gòu)造，使其能夠融合自然，利用自然界中的風(fēng)能、太陽能以及地?zé)崮艿惹鍧嵞茉礊榻ㄖ锓?wù)，從而達(dá)到減少能耗、降低排放的作用。其次，綠色建筑使用的建筑材料要選用環(huán)境友好型材料，如新型環(huán)保材料和低碳材料。這些材料大多來自建筑廢棄物，通過回收改造加以循環(huán)利用。同時(shí)，要遵循節(jié)省建材的原則，減少不必要的開支。最后，嚴(yán)格把關(guān)綠色建筑室內(nèi)環(huán)境。室內(nèi)是人們工作生活密切接觸的空間，室內(nèi)環(huán)境的安全、舒適以及整潔對建筑具有重要意義。總之，綠色建筑需能夠滿足人們回歸自然的需求，使人與自然和諧統(tǒng)一，友好相處。

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入推進(jìn)，截至2020年上半年，我國城鎮(zhèn)化率已經(jīng)突破60%大關(guān)[10]。越來越多現(xiàn)代化建筑拔地而起，總建筑能耗也在不斷攀升，目前已占據(jù)我國能耗終端總量的30%以上，僅次于工業(yè)能耗和交通能耗。因此，建筑物中積極融入綠色元素已經(jīng)成為建筑行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。在黨和政府極力倡導(dǎo)發(fā)展環(huán)境友好型和資源節(jié)約型經(jīng)濟(jì)社會(huì)的今天，綠色建筑行業(yè)必定擁有更加廣闊的前景。

3 光伏發(fā)電技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用

3.1 光伏發(fā)電技術(shù)在建筑墻面中的應(yīng)用

建筑物外墻通常光滑平整，面積較大，容易接收太陽光的照射，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用提供了工作空間和有利條件。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常把太陽能電池面板與建材玻璃集成在一起，通過特殊工藝加工成PV玻璃幕墻，按照一定方式把它們安裝在建筑外墻表面，不但隔絕了太陽能輻射的大部分熱量，而且能夠及時(shí)把吸收的光能轉(zhuǎn)化為電能，提供給建筑物內(nèi)部用電負(fù)載使用，很大程度上降低了建筑能耗。尤其在高溫炎熱的夏季，集成有太陽能電池面板的PV玻璃幕墻通過有效隔絕建筑物外部環(huán)境的熱量，可以降低建筑物自身溫度，起到減少空調(diào)功耗的作用。PV玻璃幕墻質(zhì)地輕盈，色彩豐富，具有光學(xué)美感，搭配不同的加工外形，可以美化建筑物，為建筑物賦予更多現(xiàn)代化和時(shí)尚化元素，增添了其觀賞度。當(dāng)前，城市建筑物墻面已經(jīng)成為光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用最多的場合，受到了越來越多建筑開發(fā)商的青睞和重視。

3.2 光伏發(fā)電技術(shù)在建筑房頂中的應(yīng)用

建筑物房頂雖然在受光面積上不如外墻，但是光照角度的變化對房頂光伏發(fā)電系統(tǒng)影響較小。房頂處于建筑物最高處，光源通常不會(huì)受到其他建筑物或樹木的遮擋，所以在設(shè)計(jì)和安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，基本無需考慮受光角度和最佳位置等因素的影響，只需盡可能地使光伏發(fā)電面板按一定方式排滿房頂即可，降低了安裝難度，節(jié)約了系統(tǒng)成本。因此，光伏發(fā)電技術(shù)在建筑房頂?shù)玫搅藦V泛應(yīng)用，尤其在廣大農(nóng)村地區(qū)，太陽能已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，為農(nóng)村用戶熱水供給和電量供應(yīng)提供了清潔持續(xù)的能源保障。

3.3 光伏發(fā)電技術(shù)在建筑天窗中的應(yīng)用

與房頂相似，建筑天窗雖然與太陽光接觸的面積較少，但是把太陽能電池面板安裝在建筑天窗上可以改善天窗透光率，對建筑物室內(nèi)采光有著重要影響。因此，綠色建筑天窗的設(shè)計(jì)對建筑本身而言具有非常重要的作用。建筑設(shè)計(jì)師要充分發(fā)掘光伏發(fā)電技術(shù)對建筑天窗的有益效果，考慮建筑天窗外形個(gè)性化需求。工程應(yīng)用時(shí)，通常把光伏電池面板制作成符合實(shí)際需求的形狀與規(guī)格，如容易緊貼天窗玻璃的網(wǎng)格狀，且要認(rèn)真布置其角度，確保光伏面板能夠充分吸收光照，使其達(dá)到最有益綠色建筑的發(fā)電狀態(tài)。

4 提升光伏發(fā)電效率的兩種方法

4.1 太陽能電池陣列與降溫裝置相結(jié)合

研究表明，光電轉(zhuǎn)換效率受溫度影響嚴(yán)重，溫度越高，轉(zhuǎn)換效率越低[10]。在我國廣大地區(qū)，尤其是夏季，受高溫和太陽強(qiáng)輻射影響，光伏發(fā)電面板的溫度通常能飆升到70～80 ℃，嚴(yán)重制約了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要結(jié)合降溫裝置確保系統(tǒng)發(fā)電效率不受溫度影響。在具體實(shí)施方式上，一般采用水流循環(huán)的方法，將水流循環(huán)管網(wǎng)鋪設(shè)于光伏發(fā)電面板下方表面，根據(jù)系統(tǒng)需要，自動(dòng)或人工控制水流循環(huán)閥門。當(dāng)循環(huán)水的溫度高達(dá)一定值時(shí)，系統(tǒng)控制循環(huán)水進(jìn)入建筑熱水管網(wǎng)，為建筑居民提供熱水，從而可以有效節(jié)約熱水資源，降低建筑能耗。值得注意的是，降溫裝置不局限于采用水流循環(huán)的方式，還有其他方式，需根據(jù)綠色建筑所處的具體環(huán)境和自身特點(diǎn)選取合適的降溫方法。

4.2 引入光伏發(fā)電面板角度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)表明，在溫度不變的情況下，光伏發(fā)電效率與輻照度近似成正比。輻照度越大，光伏發(fā)電效率越高，單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)發(fā)出的電量越多。影響輻照度最主要的因素是太陽照射光伏發(fā)電面板的角度。受地球自轉(zhuǎn)的影響，太陽光線照射光伏面板的角度隨著時(shí)間一直在變化。另外，季節(jié)的不同也會(huì)導(dǎo)致太陽光線照射角度有所變化。因此，為了保證輻照度處于最佳狀態(tài)，系統(tǒng)要安裝光伏面板角度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)定好自動(dòng)控制程序，控制電機(jī)改變光伏面板的角度，使其自動(dòng)跟隨太陽位置的變化進(jìn)行調(diào)整，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)[11]。

5 結(jié) 論

隨著科技的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電成本不斷下降，發(fā)電效率不斷提高，能夠把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，有效緩解用電高峰期公共電網(wǎng)的供電壓力。將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑符合綠色建筑理念，可以有效降低建筑能耗，減少污染，使人與自然和諧相處。綠色建筑行業(yè)的發(fā)展依賴國家政策的支持，當(dāng)前綠色建筑行業(yè)在很多方面還缺乏應(yīng)用規(guī)范，需要國家制定相關(guān)政策法律和技術(shù)規(guī)范，進(jìn)一步引導(dǎo)綠色建筑行業(yè)向前發(fā)展。十八大以來，隨著人們對美好環(huán)境需求的日益增長，我國把生態(tài)文明建設(shè)上升為戰(zhàn)略高度，提出創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放以及共享的發(fā)展理念，大大促進(jìn)了綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)的綠色建筑擁有更加廣闊的發(fā)展前景。