光伏電池在體育運動場館中的應用

王朦朦

(河南開封科技傳媒學院,河南 開封 475004)

當前,人口增長、氣候變化、環境污染、能源危機和生態環境惡化等問題日益加劇。由于人類對各類資源的過度開采和超前透支,部分自然資源已出現枯竭的風險,生態環境遭到極大的破壞。于是,人們便把目光轉向風能、潮汐能、水能、地熱能和太陽能等可再生能源,希望可以替代緊缺的不可再生資源,改善資源短缺現狀,謀求長遠發展。太陽能是最容易獲得的自然能源之一,地域限制小,能量豐富、清潔環保,是典型的可再生能源,也是未來可再生能源發展的主要趨勢。目前,光伏電池技術已相對成熟,規模逐漸壯大,應用于體育運動場館的建設中,會給體育領域的行業發展以及城市升級改造帶來較大的積極影響,值得推廣。

1 光伏電池系統概述

光伏發電是依托于半導體材料的光電效應,將太陽能轉化為電能,從而實現供電的技術,包括逆變器、控制器和太陽能電池等組件,其中,太陽能電池是關鍵的技術元件。根據供電形式的不同,光伏發電系統可分為能夠獨立運行的獨立發電系統、與公共電網相連的并網發電系統和分散式分布的分布式發電系統等。隨著光伏發電技術的快速發展,光伏材料日益創新,光伏發電成本大幅度降低,在各個領域的應用也更加廣泛。首先,光伏發電技術可以應用到日常生活用電領域,尤其是高原、海島等電力供應有困難的邊遠地區,解決用電不方便的問題,還可用于水泵系統,解決無電地區的用水問題;其次,光伏發電技術廣泛應用于交通領域,如交通信號燈、路燈和交通警示燈等;此外,光伏發電技術還可應用于通信、氣象、石油和體育等領域,前景十分廣闊。

2 光伏電池在體育運動場館中的應用

光伏電池系統在體育運動場館中的實際應用體現在功能性和建筑設計兩個方面。

2.1 功能性

在功能上,光伏電池作為體育運動場館的電力來源,可以應用于體育場館的照明系統、運輸系統和空調系統等領域。照明系統是體育場館的重中之重,只有合理、有效的照明系統才能保證運動員、裁判的良好視野,以及觀眾的良好觀感。體育運動場館照明系統中,多種燈具都可以使用光伏電池,如路燈、聚光燈、辦公用燈等,可以使用光伏電池獨有的自動開關功能,利用太陽光的照射時間來控制運動場館的工作時間。一些觀賞性燈光,也可以使用光伏電池,如國家速滑館“冰絲帶”的外部設計正是采用太陽能光伏發電技術,電池板模塊散落在由屋頂至地面的結構上,散發著淡藍色的光,與冬奧會的主題交相輝映。體育運動場館的場地一般空間較大,不同場館之間的距離較遠,常需要車輛在館內運輸物品,此時新能源動力系統的車輛則可以發揮優勢。目前,已經有一些團隊在研發車載光伏技術,將太陽能電池安裝在電動汽車上,提供部分動力來源,該技術可以提升新能源電動汽車的性能,減少充電時間和次數。夏季和冬季體育場館內需要運行空調系統以保持適宜溫度,需要耗費巨大的電能,太陽能發電系統可以提供電能,以供給空調設施用電。另外,當體育運動場館內沒有體育賽事時,光伏電池發出的電能可以輸送至電網中,緩解城市的能耗需求,節省能源。

2.2 建筑設計

光伏電池是接收直接照射的太陽光進行電能轉換,通常需要安裝在建筑物表面,因此,光伏電池是體育運動場館建筑設計的一部分。在對體育運動場館進行設計時,需要綜合考慮光伏電池的位置和材料。光伏電池與建筑物的結合形式有兩種:一種是以主體建筑為依托,將光伏模塊加裝在建筑物上,可拆卸,這種形式稱之為建筑光伏;另一種是光伏電池系統作為建筑物的一部分,鑲嵌在建筑材料上,被稱為集成光伏。這兩種形式在體育場館的建筑中都有應用。

建筑光伏最常用的安裝位置是在建筑物頂部,頂部系統直接接收太陽光照射,不受其他建筑物遮擋,日照資源豐富,并且建筑頂部比較空曠、面積大,不會對原有建筑結構產生明顯影響,適合光伏電池系統的安裝。很多體育場館建筑在后期改造過程中,都采用了頂部加裝太陽能光伏材料的設計,意大利的維羅納圓形體育館在改造過程中,就是直接在建筑頂層平鋪光伏陣列,從上空看,光伏陣列從圓心開始發散,圓形結構更加突出;美國的多功能體育中心——斯臺普斯中心,也是在屋蓋直接布置太陽能電池板。

除了建筑物的頂部,墻面也是日照輻射強度比較大的位置,但是由于體育運動場館一般設計性較強,造型比較特殊,墻面往往是不規則的,并且每個墻面的面積差異也較大,給光伏電池系統的布置和安裝造成了較大的難度。東南、西南方向的墻面更容易受到陽光照射,有利于光伏發電系統的鋪設,但體育場館的南北向往往作為短軸,建筑面積較小。這是因為需要在館內外側設置觀眾看臺,而北向看臺的觀眾容易受到太陽直射影響。這類體育場館需要結合具體的建筑結構特點來決定鋪設光伏電池系統的面積和數量。相較而言,棒球場館則比較適合安裝光伏電池系統,該類體育場館是一個直角扇形,觀眾一般多集中在兩個直角邊上,位于西南或者東南方向,面積較大,并且比較規整,有利于光伏電池系統的鋪設。

集成光伏是光伏發電技術應用于建筑中的一種形式,集成光伏與建筑本身融為一體,不需要過多考慮安裝的問題,只要是易于接收太陽光的位置都可用集成光伏組件代替原有的建筑部分,有利于光伏電池系統的推廣,是未來光伏電池應用的主要方向。集成光伏形式也給體育運動場館設計帶來更多可能性。以“龍”為造型設計的中國高雄龍騰體育場就是采用集成光伏的形式。該體育場以龍為主題,蜿蜒曲折,光伏電池板就像巨龍身上的鱗片穿插在體育館屋頂上,這也是全球首個完全由太陽能供電的體育場館。龍騰體育館的表層建筑由懸臂、螺旋鋼管和光伏電池板組成。懸臂結構承載主要重力負荷,通過間隔連接的方式構成屋頂的主體架構;螺旋鋼管包覆在懸臂外,對懸臂的結構起輔助支撐作用;太陽能電池板則鑲嵌在懸臂的間隔中形成屋頂。由于懸臂間隔的形狀不同,太陽能電池板的形狀和尺寸也各不相同,巧妙的設計構思與太陽能電池板的高超工藝相得益彰。

在全球倡導“碳中和”的今天,“綠色體育”和可持續發展演變為新時期的體育發展觀念。場館是承辦體育賽事的主要載體,在體育運動場館的建筑設計中加入新能源技術正是“綠色辦賽事”的重要體現。光伏電池系統將可再生能源轉化為電能,使體育運動場館實現綠色電力供應,賽后還可以供應其他民生用電,充分響應了“綠色體育”的號召。

3 光伏電池在體育運動場館中應用的意義

將新興的光伏電池系統應用于體育運動場館的建設中,可充分發揮光伏電池的優勢,有著積極的社會效益、經濟效益和環境效益。

首先,光伏電池在體育運動場館中應用,可以充分利用太陽能資源,節省經濟成本。傳統的電能由煤炭和天然氣轉化而來,開采程序比較復雜,需要大量的勞動力參與,儲存及運輸費用昂貴,后期還需要一定的維護費用,總體生產成本較高。光伏電池系統借助太陽能板在室外直接吸收太陽能并轉換為電能,只需將太陽能板安裝在體育運動館的建筑結構中,不需要額外的存儲、運輸,既節省了土地資源、勞動力資源,也降低了成本,維護起來相對高效、簡單,大大節約了能源開采后的其他費用,經濟效益顯著。從體育運動場館的運營方來看,運動場館的運作主要靠電力來支撐,尤其是賽事活動往往在用電高峰期舉辦,電價較高,電費支出是一筆龐大的費用。光伏電池部分或者完全代替傳統供電系統在運動場館中的應用,可以節省運營方的運營成本,降低支出,使運營方將更多的工作重心放在賽事活動上。

其次,光伏電池系統在體育運動場館中的應用,符合“綠色運動”的理念,綠色環保。隨著社會的發展,人類利用資源的手段和技術越來越先進,對地球資源的挖掘、破壞也越來越嚴重。由于現代化進程的不斷加快,用電量持續增加,人們對煤炭、天然氣、石油等資源的開采規模越來越大,這些自然資源不可再生,資源儲量日益減少,能源緊缺問題嚴重。同時,這些資源在開采過程中通常需要大規模施工作業,可能會破壞原始生態環境。煤炭等資源在轉化為電能過程中,還會產生大量有害氣體,污染大氣環境,破壞地球的生態平衡。光伏電池系統則可以充分利用太陽能資源,陽光照射地球表面能夠產生巨大的能量,資源十分豐富,取之不盡、用之不竭,可以彌補其他自然資源緊缺帶來的問題,緩解能源危機。同時,太陽能資源清潔環保,無需開采,不會對自然環境造成破壞,后續使用過程中也不會對環境產生二次污染。近年來,國家和國際社會對生態環境的重視程度越來越高,中國更是在全球范圍內大力推動全球生態環境治理工作的發展,不斷推出“可持續發展”“綠色發展”“節能減排”“碳中和”等理念以及多項生態文明建設舉措,加強環境保護進程,以應對氣候變化、能源緊缺等全球性挑戰。新型能源的設計開發正是對上述政策的積極響應,尤其將光伏電池系統應用在耗電量較大的體育運動場館內,減少了傳統電能的消耗,而運動本身就代表著熱愛生命、擁抱自然,體現著陽光、積極的精神,光伏電池系統與運動的本質不謀而合。

再次,光伏電池系統體育運動場館中的應用,保證了用電的安全、可靠。光伏發電系統穩定,不易受其他因素影響,結構簡單,維護容易,不易出現設備故障問題。第一,光伏發電系統在接受陽光。并將光能轉化成電能進行利用或者儲存的過程中,不受資源儲量的限制,也不需要異地運輸,保證了供電系統的穩定、可靠。光伏電池設備可以拓寬體育運動場館的選址范圍,打破地理位置的限制。第二,光伏發電系統采用模塊式結構進行搭建,安裝和拆卸比較便捷,不需要大型的設備進行施工,減少了人員施工和設備運行的危險。第三,光伏電池往往設計在體育館建筑的頂層,既節省了空間又保證了用電安全,一舉兩得。

最后,光伏電池系統在體育運動場館中的應用,還可以促進科技創新,促進新能源產業發展。體育運動場館用電量大、用電時間集中,對供電系統的穩定性、安全性是一個巨大的考驗,光伏電池需要提高使用率,積累使用經驗,不斷創新、優化,快速成長起來,體育運動場館建筑是較為適合光伏電池系統的應用場景。體育運動場館的造型多樣,對光伏電池材料的要求較高,就需要不斷對材料的性能進行改進、創新,以滿足使用需求。

4 結語

體育運動是一項強身健體、愉悅身心的活動,對國民素質發展有著重要的作用,體育場館的建設也應緊跟時代的潮流,創新運營機制,優化硬件設施。光伏電池屬于新能源技術的一種,是科技不斷發展的成果,將光伏電池系統廣泛應用在大型體育運動場館的設計中,可以節省自然資源、降低場館運營成本,貼合“綠色辦賽事”的理念,同時促進科技創新與國民素質聯動發展,有著蓬勃的發展前景。