民用建筑中應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)思考

文／霍艷華 國(guó)電電力廣東新能源開發(fā)有限公司 廣東珠海 519002

1、民用建筑中應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的必要性

1.1 解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問題

隨著近年來我國(guó)電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的覆蓋面也變得越來越大。但仍有一部分偏遠(yuǎn)地區(qū)依然存在著未有效覆蓋的問題。這類區(qū)域的供電設(shè)施普遍存在不完善現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)無電、少電等問題，區(qū)域內(nèi)居民的日常生活十分不便。但如果這類地區(qū)擁有良好的光照條件，就可以利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，完善當(dāng)?shù)氐墓╇娫O(shè)施、解決區(qū)域內(nèi)居民的用配電問題，帶動(dòng)偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.2 推動(dòng)老舊小區(qū)供電改革

我國(guó)的三線城市、四線城市存在著大量老舊小區(qū)，這些老舊小區(qū)內(nèi)的供電設(shè)施大多已經(jīng)投入使用較長(zhǎng)時(shí)間，其普遍存在著老化現(xiàn)象。這些供電設(shè)施的規(guī)劃與設(shè)計(jì)水平也相對(duì)比較落后、負(fù)荷容量相對(duì)較小，老舊小區(qū)內(nèi)居民在日常用電的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跳閘、斷電等故障，對(duì)居民的生命安全與財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。除此之外，部分老舊小區(qū)內(nèi)還存在著建筑密度大、供電設(shè)施可用空間小的問題，這大幅增加了區(qū)域內(nèi)供電線路的架設(shè)難度。而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用則能夠有效地解決上述問題，推動(dòng)老舊小區(qū)的供電改革。

2、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1 有利于提升電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性

在電網(wǎng)中應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，落實(shí)電網(wǎng)的調(diào)峰工作。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠優(yōu)化電網(wǎng)的功率因數(shù)，還能夠降低電網(wǎng)尾處電壓的波動(dòng)現(xiàn)象、減少電網(wǎng)雜波的發(fā)生率。

2.2 有利于提升電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將自己產(chǎn)出的電能存儲(chǔ)到電網(wǎng)中，節(jié)約在太陽能電池方面的投資成本。除此之外，系統(tǒng)內(nèi)的光伏電池與建筑設(shè)計(jì)也能夠?qū)崿F(xiàn)完美融合。準(zhǔn)備多個(gè)額定電壓為1V～3V 的太陽能電池板，對(duì)其進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，電壓即可達(dá)到30V～50VDC，便可與控制器、逆變器相連接。這種操作不僅能夠美化建筑的外觀設(shè)計(jì)，還能夠最大化太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電作用，實(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)配與組合。

2.3 有利于緩解用電過度負(fù)荷問題

通過上文的分析，可以得知我國(guó)的老舊民用住宅普遍存在著用電過度負(fù)荷問題。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用可以平衡民用建筑供電系統(tǒng)的負(fù)荷，降低供電系統(tǒng)線路的電能損耗。

2.4 有利于保護(hù)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境

與火力發(fā)電不同，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所應(yīng)用的太陽能資源屬于可再生資源，其不僅不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，還不存在資源短缺問題。因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)不需要燃料，所以其不會(huì)產(chǎn)生對(duì)土壤、空氣、水有害的物質(zhì)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)利用自動(dòng)化控制技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，因此企業(yè)不需要利用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、不會(huì)產(chǎn)生噪音污染，能夠有效提升民用建筑居民的生活質(zhì)量。

3、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理與構(gòu)成

3.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理

將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式。電能是民用、商用必不可少的重要能源，太陽能則是新能源中重要的可再生能源，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域都有著十分重要的意義。

在太陽光的照射下，太陽能電池板會(huì)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，電能會(huì)經(jīng)過控制器為蓄電池充電或以特定的負(fù)載直接供給負(fù)載，蓄電池存儲(chǔ)的電能會(huì)在光照不足的陰天或夜晚為直流負(fù)載供電。部分太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中含有交流負(fù)載，因此還需要設(shè)置相應(yīng)的逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

3.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能電池（太陽能電池板）、控制器、蓄電池、電源逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的幾大重要組成部分。

3.2.1 太陽能電池板

現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品中，太陽能電池的太陽能轉(zhuǎn)換效率是相對(duì)較低的。大部分太陽能電池的太陽能轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%左右。2022 年5 月，美國(guó)NREL 研究人員研究出一種太陽能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)39.5%的太陽能電池，但其距離商用還存在著較大的差距。總的而言，單一太陽能電池所能供給的電能是有限的。因此，在構(gòu)建太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可以使用串聯(lián)、并聯(lián)等方式創(chuàng)建太陽能電視系統(tǒng)，即太陽能電池板。太陽能電池板與系統(tǒng)內(nèi)的其它部件共同構(gòu)成了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)占據(jù)著重要的地位，其肩負(fù)著將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的重要任務(wù)。太陽能電池板多由鋼化玻璃進(jìn)行封裝，能夠有效抵御極端惡劣天氣，使用壽命通常為20a。圖1

圖1 太陽能電池板的構(gòu)造

3.2.2 控制器

控制器是平衡太陽能電池板與蓄電池組關(guān)系的重要部件。蓄電池組在應(yīng)用的過程中，無論是被太陽能電池板過充電、還是給交流負(fù)載過放電，都有可能會(huì)出現(xiàn)壽命與性能降低現(xiàn)象。控制器的應(yīng)用能夠有效避免蓄電池組發(fā)生上述現(xiàn)象，其本質(zhì)上屬于一種具有測(cè)量功能的電子設(shè)備。

3.2.3 蓄電池組

蓄電池組肩負(fù)著存儲(chǔ)太陽能電池板所轉(zhuǎn)換的電能，并向負(fù)載供電的重要作用。蓄電池組的應(yīng)用有效地解決了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在光照條件差或夜晚環(huán)境、負(fù)載需求過大情況下供電量不足的缺陷。蓄電池能夠?qū)?duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)，在沒有光照的環(huán)境下進(jìn)行供電。蓄電池還能通過積累電能，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于需求較大的負(fù)載當(dāng)中。鉛酸蓄電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中比較常用的一種蓄電池，其還可以被劃分為深放電閥控式密封鉛酸蓄電池和深放電吸液式鉛酸蓄電池。隨著近年來我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池將成為未來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

3.2.4 逆變器

在大部分情況下，太陽能電池板都是可以直接為直流負(fù)載進(jìn)行供電的。但為了豐富太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，還要為其設(shè)計(jì)可以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，以實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載的供電。逆變器就是這樣一種裝置，其能夠?qū)⑻柲茈姵匕瀹a(chǎn)生的直流電、蓄電池組的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，在此基礎(chǔ)上與控制器相配合，將電能輸送至電網(wǎng)。逆變器按照其運(yùn)行模式的不同，可以被分為兩種，一種是獨(dú)立運(yùn)行逆變器、另一種是并網(wǎng)逆變器。前者更多地被應(yīng)用于獨(dú)立運(yùn)作的系統(tǒng)當(dāng)中，負(fù)責(zé)為獨(dú)立負(fù)載進(jìn)行供電；后者更多地被應(yīng)用于并網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)當(dāng)中，支持將太陽能轉(zhuǎn)換成的電能饋入電網(wǎng)。

3.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式有兩種，一種是離網(wǎng)運(yùn)行，另一種是聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。前者也可以被稱作獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常不會(huì)連接公共電網(wǎng)，被廣泛的應(yīng)用于公共電網(wǎng)未覆蓋區(qū)域，例如：偏遠(yuǎn)山區(qū)、草原牧區(qū)、島嶼、鄉(xiāng)村等。除此之外，這類系統(tǒng)在氣象站、邊防站、通信中繼站等關(guān)鍵場(chǎng)所的供電中，也有著較好的應(yīng)用效果。后者的則更多地被稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，這一系統(tǒng)會(huì)與公共電網(wǎng)相連接。該系統(tǒng)可以將太陽能電池板轉(zhuǎn)換的直流電轉(zhuǎn)換為和公共電網(wǎng)電壓相同的交流電，并將系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能輸送至公共電網(wǎng)，達(dá)到補(bǔ)充電能的效果。

隨著近年來我國(guó)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的日益成熟，其也逐漸朝著規(guī)模化、商業(yè)化的方向發(fā)展。在新時(shí)期，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將成為該領(lǐng)域發(fā)展的主流，而獨(dú)立光伏太陽能系統(tǒng)則會(huì)更多地被應(yīng)用于特殊區(qū)域的供電當(dāng)中。

4、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在民用建筑中的應(yīng)用

4.1 單體建筑中的應(yīng)用

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在單體建筑的應(yīng)用是體現(xiàn)在多個(gè)方面的，以燈光照明為例：燈光照明是我國(guó)民用建筑必不可少的組成部分之一。將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于燈光照明領(lǐng)域，可以起到節(jié)約電能的效果。部分小區(qū)受限于建筑密度、小區(qū)面積等因素的限制，難以開展相應(yīng)的電力設(shè)施施工，小區(qū)內(nèi)部的照明設(shè)施存在著非常嚴(yán)重的不完善現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，可以在小區(qū)內(nèi)部安裝太陽能路燈，利用太陽能路燈取代常規(guī)路燈。降低路燈建設(shè)時(shí)的電力設(shè)施施工工程量，達(dá)到節(jié)約資金與電能、保護(hù)環(huán)境的效果。我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)的建筑有著不同的風(fēng)格。在單體建筑中應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，還可以根據(jù)建筑的風(fēng)格進(jìn)行安裝。例如：我國(guó)北方地區(qū)的房屋建筑多為平頂，因此可以將太陽能電池板直接安裝到平頂上。我國(guó)南方地區(qū)的房屋建筑多為斜頂，因此為其設(shè)計(jì)太陽能電池屋頂（下見圖2）。還可以采用普通路燈結(jié)合太陽能路燈的形式間隔安裝太陽能路燈，在蓄電池組電量充足時(shí)，只用太陽能路燈進(jìn)行照明，在檢測(cè)到蓄電池組電量不足時(shí)，結(jié)合應(yīng)用常規(guī)路燈與太陽能路燈進(jìn)行照明，達(dá)到節(jié)約用電、保障居民照明的效果。地下停車場(chǎng)同樣也可以應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，在停車場(chǎng)的采光井安裝太陽能電池板，使其為地下停車場(chǎng)的照明提供電能。

圖2 太陽能電池屋頂

4.2 群體建筑的應(yīng)用

民用群體建筑有著面積大、規(guī)模大的特點(diǎn)。因此，在群體建筑應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可以結(jié)合群體建筑的表面積進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能電池與磚、瓦、玻璃等材料結(jié)合的技術(shù)也變得越來越成熟。這種材料更多地被稱為光伏建筑材料，常見的光伏建筑材料有：光伏磚、光伏瓦、玻璃光伏幕墻。

除此之外，將建筑構(gòu)件與太陽能電池相融合，也是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在群體建筑中比較常見的一種應(yīng)用形式，其更多地被稱作光伏構(gòu)件。以遮陽構(gòu)件的應(yīng)用為例，在建筑物的設(shè)計(jì)階段，就考慮到了光伏建筑材料的應(yīng)用，再利用太陽能電池板進(jìn)行這樣的同時(shí)，還能為建筑提供發(fā)電功能。光伏構(gòu)件的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板與建筑構(gòu)件的有機(jī)結(jié)合，還在保障建筑功能性的同時(shí)，提升了建筑的電能產(chǎn)生量。群體建筑所產(chǎn)生的電量也可以并入電網(wǎng)中，達(dá)到緩解建筑物供電需求的效果。

4.3 實(shí)例分析

某民用建筑為單體別墅，常住人口為5 人。該別墅光照充足，負(fù)載需求為L(zhǎng)ed 照明燈具、液晶電視、冰箱、筆記本電腦與智能手機(jī)充電器，其工作時(shí)間分別為6h、6h、24h、5h，數(shù)量分別為10、2、2、3，總功率分別為50W、140W、300W、100W，耗電量分別為300W h、840Wh、7200Wh、500Wh。在為該別墅構(gòu)建太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，主要考慮了以下指標(biāo)：太陽能電池容量=30kW、交流輸出額定功率=3kW、額定輸出電壓=220V±10%。選用了離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由太陽能電池板、控制器、逆變器、蓄電池組、ATS 與穩(wěn)壓保護(hù)裝置構(gòu)成。經(jīng)評(píng)估，該別墅適用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載分別為照明燈具、小型家電、筆記本電腦與智能手機(jī)充電，為保障系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性與安全性，太陽嗯電池系統(tǒng)的安裝容量設(shè)計(jì)成了30kW。實(shí)際運(yùn)作的過程中，蓄電池組電量充足時(shí)將會(huì)為負(fù)載進(jìn)行供電。當(dāng)蓄電池組電量不足時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換為市電進(jìn)行供電，以保障負(fù)載供電的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)，會(huì)盡可能避免太陽能供電與市電供電的同時(shí)運(yùn)行。該太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)作后，發(fā)現(xiàn)其在陰雨天氣下，可保持連續(xù)正常供電2d～3d。在日常生活中也能夠滿足業(yè)主的用電需求，幫助業(yè)主節(jié)省了35%左右的電費(fèi)，取得了較好的成果。

5、民用建筑中應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的展望

5.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向

5.1.1 提升太陽能轉(zhuǎn)換效率

筆者在上文中提到了，現(xiàn)有的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是普遍較低的。太陽能雖然是一種可再生能源，有著取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢(shì)，但受限于太陽能轉(zhuǎn)換效率的限制，其作用的范圍也相對(duì)較小。如果太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電能效率相對(duì)較低，就注定無法滿足我國(guó)居民的日常用電需求。因此，如何提升太陽能轉(zhuǎn)換效率成為了未來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要方向。常見的提效方法有：改變光照夾角、更換優(yōu)質(zhì)電池、優(yōu)化電池功能等。我國(guó)的太陽能利用技術(shù)是相對(duì)比較落后的，常見的單晶硅太陽能光電轉(zhuǎn)換效率僅有24%。應(yīng)用于問天實(shí)驗(yàn)艙的柔性太陽能帆板光電轉(zhuǎn)換效率則能夠達(dá)到30%。2020 年4 月13 日，美國(guó)NREL 在《自然能源》上發(fā)表了轉(zhuǎn)換效率高達(dá)47.1%的太陽能電池，該太陽能電池利用了III-V 型六結(jié)結(jié)構(gòu)，由6 種類型不同的光敏層組成，能夠捕獲太陽光譜中的特定部分的光。2022 年5 月，美國(guó)NREL 在《焦耳》上發(fā)表了廣電轉(zhuǎn)換效率為39.5%的太陽能電池，該太陽能電池建立在倒置變質(zhì)多結(jié)電池架構(gòu)之上，由磷化鎵銦、砷化鎵、砷化鎵銦構(gòu)成，其能夠吸收不同的波長(zhǎng)，從光譜中獲取更多的能量。NREL 首席研究員邁爾森·施泰納在新聞稿中提到：“2020 年發(fā)布的太陽能電池雖實(shí)驗(yàn)效率可達(dá)到47.1%，但其僅適用于極度集中的光線環(huán)境下。新電池?fù)碛懈?jiǎn)單的設(shè)計(jì)、更加廣泛的適用場(chǎng)景，能夠打破光線高度的限制。”總的而言，我國(guó)在太陽能轉(zhuǎn)換效率方面的研究還相對(duì)比較落后，仍需要繼續(xù)努力。

5.1.2 降低太陽能電池板造價(jià)成本

降低太陽能電池板造價(jià)成本也是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。現(xiàn)有的太陽能電池板價(jià)格普遍較高，這在一定程度上阻礙了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。為降低太陽能電池板的造價(jià)成本，相關(guān)工作人員會(huì)通過調(diào)整太陽能電池板工作時(shí)間、轉(zhuǎn)換太陽能電池板使用類別等方式降低其在運(yùn)作過程中產(chǎn)生的損耗。但要想從根源上降低其造價(jià)成本，還需要不斷地進(jìn)行研發(fā)，利用新技術(shù)為新能源產(chǎn)業(yè)注入新鮮血液，推動(dòng)太陽能電池板的降價(jià)。

5.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景

隨著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也變得越來越廣泛。通過調(diào)查近年來太陽能電池組件的生產(chǎn)數(shù)量可以發(fā)現(xiàn)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)正在朝著規(guī)模化、商業(yè)化的方向發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電已成為了國(guó)際熱門高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。越來越多國(guó)家開始圍繞太陽能光伏發(fā)電制定短期、中期發(fā)展計(jì)劃。太陽能光伏發(fā)電與民用建筑的融合是時(shí)代發(fā)展的大勢(shì)所趨，也是解決我國(guó)民用建筑高能耗的重要途徑，需予以足夠的重視。

結(jié)語：

本文首先闡述了在民用建筑中應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的意義；其次就太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探究；再次深入分析了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理；然后在此基礎(chǔ)上就民用建筑中太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究；最后就太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的未來進(jìn)行展望。民用建筑能耗高一直以來都是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的難題，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效解決這一問題，推動(dòng)我國(guó)建筑領(lǐng)域的健康可持續(xù)發(fā)展。在新時(shí)期，要想實(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的全面普及與覆蓋，還需要從提升太陽能轉(zhuǎn)換效率與降低太陽能電池板造價(jià)成本兩方面入手進(jìn)行優(yōu)化，拓寬太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，推動(dòng)我國(guó)民用建筑的綠色化、智能化發(fā)展。