光伏新能源技術在城市智能建筑電氣中的應用

閆峰

（黑龍江省寒地建筑科學研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

隨著中國現代建筑業的不斷蓬勃發展，特別是近年來民用智能建筑逐漸興起。智能家居、智慧住宅小區安全監控管理系統、智能自動泊車監控系統等諸多智能建筑基礎設施為人們創造了安全、高效、便捷、健康的智能建筑生活環境，但同時也帶來了巨大能源消耗。開拓應用光伏新能源技術，是實現城市智能建筑系統整體性能不斷優化的必然需求，也是城市社會經濟可持續發展的必然要求［1］。進入21世紀以來，隨著化石能源的過度開采使用，使得世界各國都面臨著環境嚴重污染的壓力。新能源作為可再生能源得到了大力提倡，而光伏作為新能源的主力得到各國的大力發展，對于光伏能源在建筑中的應用也慢慢的得到了各國的重視，美國自2010年就提出了“百萬太陽能屋頂計劃”，歐美國家對太陽能開發和利用走在世界的前列，建筑能源結構中光伏能源占比達到40%。中國雖然光伏產業發展迅速，但目前國內在建筑電氣項目中應用光伏新能源技術大多處于理論階段，實際在建筑中完全應用光伏新能源技術的項目少之又少，通過對光伏新能源技術在城市智能建筑電氣中的應用進行研究，可對城市智能建筑高能耗的缺點得到了有效的應用解決方案，同時推動光伏新能源技術在城市智能建筑電氣系統節能中的開發利用，極大的促進城市智能建筑電氣發展。

1 光伏新能源技術特點研究

1.1 光伏新能源的概念

能源安全是保障當前生產生活順利開展的重大前提，作為社會主義市場經濟順利進行的重要基石，一直以來都受到社會各界的高度重視。特別是我國當前的社會經濟快速發展的形勢下，對潔凈能源也有了更高的要求，當使用石油、天然氣、煤等主要不可再生能源時，就需要及時采取措施合理地處理能量資源有限與能源需求之間的矛盾問題。為了實現的能源及發展的可持續，就必須加大力度支持開發下一代新的可再生能源，充分利用光和太陽能等各種新能源，對比其他傳統的可再生能源，不僅可以直接進行資源再生且對當地自然生態環境造成破壞程度影響小，有較大的能源綜合應用性和發展空間優勢［2］。光伏新能源主要工作原理是利用半導體界面的光生伏特效應等，也就是通過吸收大量太陽能將光能轉化為電能，再通過光伏逆變器將光伏電能的直流電轉化成為交流電，采用自動防止蓄電池過充電和過放電的設備，再通過光伏系統控制器對其整個電氣系統進行控制如圖1所示。在太陽光充足時完全可以直接利用光伏儀器設備吸收大量太陽能，同時利用太陽能光伏系統用轉化的電能將儲能電池盡可能充滿，需要用電或者太陽光不充足時就可以直接通過利用光伏逆變器使儲蓄電池為用電設備供電，光伏控制器對整個能源及供放電系統進行一系列科學系統的管理。光伏作為新一代能源的主要好處在于可持續儲蓄大量可再生能源，光伏能源具有無污染、無噪聲、維護成本低等優點，隨著近年來的飛速發展，光伏系統使用材料、技術上的不斷進步，以及光伏系統制造的發展成熟，使得光伏系統的價格變得更加便宜，這極大且有效降低太陽能光伏系統能源管理及運營維護成本，具有經濟實惠穩定且安全的優點。

圖1 光伏新能源技術調節及控制流程

1.2 光伏新能源技術應用

由于光伏新能源技術的迅速發展，能夠對光伏峰值電壓變化做出合理的調解，使光伏電網系統工作的穩定性更高，和傳統的發電技術相比有著很大的優越性。也極大的減少了投資成本。將其運用于城市智能建設的電氣系統中，將能夠更有效地提升城市建設資源的綜合效率。利用光電新能源技術發電的主要機理是通過光伏半導體產生發電效應，為整個建筑電氣系統提供電力，具備了能量消耗較小、無靜電污染等優點，更能滿足現代智能建筑電氣系統的節能需求。逐漸的被應用進建筑電力系統一體化的建設中［3］。在建筑物外墻上可架設光伏發電系統，并利用光伏發電系統給整座建筑物帶來大量電能。此外，為了切實發揮光伏板在建筑電氣系統中的優越性，還必須切實做好裝置安裝和日常保養以及工作區域的設計，盡量避免將其放置在附近有一些較高建筑的可覆蓋區域，以免無法有效的接收太陽能，影響光伏設備的發電效率。在后期設備使用維修過程中，為了保證電氣可以長久持續為提供穩定的電源，需定期對其進行巡檢維修，尤其是在惡劣降雨天氣時，要立即采取緊急電氣預防措施進行處理。

2 光伏新能源的優勢

光伏發電站可與建筑結合且占地面積較小，可根據具體情況直接選擇安裝在城市住宅區的屋面墻面或能有效接收太陽能的區域，便于能夠隨時接收日常使用中所需的太陽能，能極大的節省建筑的使用空間，可有效應用于現代城市中的基礎設施建設，太陽能板對于城市基礎建筑可一定程度起到城市建筑景觀裝飾以及美化保護作用。同時不會產生任何的溫室氣體和有毒有害氣體，對環境污染小［4］。獲取能源簡單方便，只需太陽光的持續照射即可正常進行發電，能有效改善由于使用石油以及天然煤炭等不可再生資源而產生的大量溫室氣體造成環境污染（主要城市太陽能分布見表1）。隨著光伏系統的價格變得更加便宜，使得太陽能光伏系統運營維護成本低，具有經濟實惠穩定且安全的優點。隨著光伏效率的逐步提高，及光伏系統應用的成熟，布設一般型式的光伏系統就可基本上保證小型家庭企業用電戶的能源需求，通過節能利用措施可將資源利用最大化。在修建光伏發電廠的整個過程中，所有的光伏發電設備只需自動進行調配，用戶的電能即能合理的儲存，保證了系統的穩定以及安全。

表1 主要城市太陽能分布表

3 智能化建筑電氣節能技術的問題分析

從目前我國及整個世界建筑能源消耗的主要組成部分分析，電力能量的消耗依然是建筑最主要的組成部分。太陽能、熱能、風電等新技術領域成為了當前建筑節能行業重點研發方向，而隨著新能源領域的迅速發展，光伏新能源領域技術已日趨完善，并應用于城市智能建筑電氣系統中的節能控制。目前依托于利用混合太陽能與風能的新型建筑發電系統技術已日趨完善，這兩種新型建筑電氣系統節能環保技術已在我國眾多新型節能環保行業和應用領域中廣泛投入使用，并已成功取得了較好的社會經濟效益［5］。雖然對于工業智能化建筑樓宇高層建筑電氣系統關鍵節能控制技術方面已經成功取得了一定的突破，但是同時也面臨著許多新的問題，建筑樓宇安全自動化、智能化專用電氣設備是確保節能系統能否達到發展效益的重要影響因素。如果智能化大型建筑物節能系統缺少基本的各類工業化、自動化、和智能化電氣設備，即使是擁有最為先進的節能管理控制技術，也很難真正達到節能效果。而目前我國在現代工業裝備自動化、智能化和新建筑電氣設備等新技術產品研究、開發和產品批量生產上仍然處于發展階段。

4 光伏新能源技術在智能建筑電氣系統中的應用

以某建筑屋頂光伏智能發電系統與建筑一體化工程為例，對系統應用要點進行設計分析。

4.1 太陽能電池陣列

選擇應用多晶硅光伏組件，成本較低且生產效率高，經過性價比計算，確定項目太陽能光伏組件應用260WP。鎘鎳與鉛酸蓄電池單體浮充電壓分別為1.4～1.6V和2.2V。

負載24h消耗容量P：P=H/V。其中V表示負載額定電壓。

電池陣列工作電壓VP：VP=VF+VD+VT。其中，VD=0.5～0.7，且VD≈VF。

4.2 表面太陽能輻射

將光伏陣列水平面太陽能輻射量同過如式（1）計算換算成光伏陣列傾斜面太陽輻射量，根據計算結果換算發電量。如果選擇傾斜角固定安裝陣列的方式安裝太陽能光伏陣列，可接收太陽能輻射主要受傾斜角度的影響，計算公式為：

式中，RD為傾斜光伏陣列面太陽能總輻射量；D為散射輻射量；S為水平面太陽直接輻射量；β為光伏陣列傾角；α為太陽高度角。

依據氣象部門的數據，對項目太陽能輻射值進行計算，經過分析計算可確定當地全面接收太陽能輻射量最大時陣列傾斜角，按照計算確定的最佳角度來安裝光伏陣列。

4.3 光伏系統效率計算

光伏系統總體效率主要由太陽能電池板的轉換（發電）效率和所發電力并入系統電網損失兩個要素決定，光伏系統總效率主要由光伏陣列效率、逆變器效率以及系統并網效率決定。光伏陣列效率η1，即光伏陣列在1000W/m2太陽輻射強度下，實際直流輸出功率與標稱功率之比。逆變器轉換效率η2，即逆變器輸出交流電功率與直流輸入功率比。交流并網效率η3，即從逆變器輸出至高壓電網傳輸效率，其中主要為升壓變壓器效率。可計算光伏系統總效率η=η1（光伏陣列效率綜合考慮一般可取85%）×η2（逆變器效率一般可取95%）×η3（交流并網效率一般可取95%）=77%。

4.4 其他

太陽能光伏系統需設置控制系統對電氣及能源進行科學合理地控制，并設置環境監測系統及數據監測系統，對太陽光輻射量、環境溫度及風速等有關環境數據監測并記錄反饋給系統，通過傳感器及儀器儀表獲得功率、電流、電壓、容量等相關數據，為優化控制及能源管理提供有力數據支持。應對太陽能光伏系統設置防雷及接地裝置，防雷系統應按照有關防雷規范的要求，并結合當地及環境情況進行設置，接地裝置應按照電氣及安全規范的有關規定設置，確保光伏系統安全穩定的運行。

5 光伏新能源在建筑電氣的應用前景分析

5.1 新型空調

可將光伏新能源技術應用到空調等建筑用電設備上，通過智能控制器將光伏新能源進行合理利用，對建筑內的溫度進行綜合調節。對光伏儲能電池的能源進行綜合利用，根據智能控制邏輯可以進行供暖和保溫制冷［6-8］。在供暖制熱過程中，主要利用的能源是儲蓄的太陽能和其他光能，不會產生任何的溫室氣體和污染氣體，在大氣中的污染物排放降低，清潔環保。光伏新能源電池在利用太陽能，不會產生任何聲音，對于居住在建筑內的任何人和其身體健康不造成任何影響。通過太陽光的照射可產生一定的熱能，在儲蓄電能及制熱保溫過程中，可利用一部分能源作為熱能，通過媒介進行保溫保熱，一般來說，發熱器的溫度越高，則發熱量也就越大，制熱也就越快。所以如果用多層熱能媒介疊加的方式，則可以把保溫制熱過程效率進一步提高。

在整個建筑內，長時間進行制熱或者制冷會造成建筑內溫度循環不良，采用智能建筑控制技術并結合太陽能光伏發電技術，對整個建筑的濕熱循環進行處理，控制濕度、溫度在合理舒適的狀態。光伏發電系統技術可應用室內外的設備，利用太陽能等開放循環系統，將空氣、水汽等多種循環進行溫濕度處理調解，不僅節能高效，還可盡量減少固體碳排放，操作管理也比一般濕熱處理器簡單。

5.2 光伏系統與建筑集合

將太陽能光伏發電系統與建筑進行相互集合融合，將太陽能光伏組件、光伏發電配套裝置等光伏系統集成安裝在建筑物的外側以便最大化的接收太陽光，作為建筑的組成部分。通過結合光伏發電配套系統，建筑物本身就像一臺發電機。綜合考慮建筑物的功能及安全等影響，盡可能多將光伏組件布置在建筑物的各個方面，將能源則通過儲蓄設備收集起來，用于建筑物的各種應用。光伏發電配套系統與多個集合光伏建筑進行同時供電，也可光伏發電系統僅給獨立建筑供電，太陽能光伏發電系統易于安裝和拆卸，并且日常養護運維簡單方便，對環境的空氣污染小［9，10］。現在很多大型光伏建筑都已經配備了獨立的光伏發電系統，隨著該技術的廣泛應用，極大的推動了我國光伏發電城市化的發展。

6 結語

目前，國家大力提倡低碳經濟，推行可持續發展策略，為了實現可持續發展，國家對于節能技術的推廣應用將持續增強，而光伏新能源技術作為可再生資源應用技術，能夠穩定有效的持續提供能源支持。文中圍繞光伏建筑新能源發電技術發展特點進行分析研究，介紹光伏建筑新能源的發展優勢，分析了光伏建筑新能源技術在民用智能建筑電氣系統中的發展現狀、實際應用及存在問題。對光伏建筑新能源技術對我國城市民用智能建筑電氣系統發展的影響進行了分析，得到了光伏新能源技術可很好的滿足智能建筑中的能耗需求，特別是空調、通風系統、公共照明系統、公共設施等智能建筑中大功耗的設備設施用電，同時光伏新能源技術相對于傳統的電路用電，可有效提高對能源的利用效率，減少污染物的排放。因此，光伏新能源技術在智能建筑電氣發展領域中的應用前景十分廣闊。