申 翔

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530000）

0 引 言

隨著世界性能源危機的爆發(fā)和生態(tài)環(huán)境的惡化，風(fēng)能、太陽能以及水能等清潔可再生能源快速發(fā)展。與其他能源相比，太陽能具有分布廣泛、安全以及可持續(xù)強等優(yōu)點，并可以將其轉(zhuǎn)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(lǐng)域興起的一種新的建筑理念，以保護環(huán)境、節(jié)約能源為技術(shù)手段，為用戶提供一個安全、舒適、健康的居住環(huán)境，是未來建筑發(fā)展的主流方向。將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)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(fā)展需求，達到節(jié)能減排的目標(biāo)，符合綠色建筑發(fā)展要求。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)與綠色建筑

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏特效應(yīng)，不需要加熱過程直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)等構(gòu)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(gòu)成的直流發(fā)電單元，在光照情況下可以吸收光能。在光生伏特效應(yīng)下，利用太陽能電池兩端的電動勢將光能轉(zhuǎn)化為電能。蓄電池組主要是存儲太陽能電池方陣產(chǎn)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(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。自動跟蹤系統(tǒng)的主要作用是自動跟蹤太陽輻射度。太陽能發(fā)電量與太陽光的輻射角度有關(guān)，太陽光和光伏方陣呈直角時發(fā)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(diào)整光伏方陣，達到最佳的受光效果。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不容易受到地域環(huán)境的限制，具有無污染、無噪聲、不需要消耗能源和架設(shè)輸電線設(shè)備就可以就地發(fā)電等特點，因此近年來國家大力建設(shè)太陽能發(fā)電站。

1.2 綠色建筑

綠色建筑指在建筑的全壽命周期內(nèi)，因地制宜，采用節(jié)能環(huán)保技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50378-2006）中的相關(guān)要求，綠色建筑在設(shè)計過程中必須遵循節(jié)約資源的原則，充分利用太陽能和風(fēng)能，采用節(jié)能的建筑圍護結(jié)構(gòu)和采暖設(shè)施，減少空調(diào)設(shè)備、采暖設(shè)備的使用率[2]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑外墻的應(yīng)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(fēng)能等自然資源，為居住者創(chuàng)造一個自然、宜居的環(huán)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?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)化為電能，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。因此，設(shè)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(zhuǎn)化為電能，供應(yīng)建筑內(nèi)部的照明系統(tǒng)，減少外部墻體的溫度，降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷。PV板外觀優(yōu)美、結(jié)構(gòu)輕、色彩豐富，可以賦予建筑現(xiàn)代感和時尚感，因此在現(xiàn)代建筑中廣泛應(yīng)用[3]。比如，香港理工大學(xué)邵逸夫樓墻體采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，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(tǒng)共安裝了7個逆變器。為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)獲得最大的發(fā)電量，光伏板的傾斜角度設(shè)計為13°，光伏陣設(shè)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(tǒng)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(fā)電量，而夏季和秋季的陽光比較充足，屋頂?shù)牟晒饴瘦^足。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑屋頂?shù)膽?yīng)用

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)在建筑屋頂應(yīng)用比較廣泛。目前，廣大農(nóng)村家庭以及城鎮(zhèn)居民屋頂安裝的太陽能熱水器就是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)具有節(jié)能、減排的效果，目前逐漸應(yīng)用于工業(yè)建筑和商業(yè)建筑領(lǐng)域[4]。以安徽華光集團的屋頂光伏發(fā)電項目為例，該光伏發(fā)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(xiàn)有配電網(wǎng)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(shù)245天，日照輻射量為5 058 MJ/m2，夏季市區(qū)溫度可達到40 ℃，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)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(shù)如表1所示。

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

根據(jù)表2可知，光伏發(fā)電項目運行后，每天的發(fā)電量為8 180 kW·h。按照蚌阜市平均日照天數(shù)245天計算，預(yù)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(yè)在用電高峰期用電緊張的局面，而且降低了企業(yè)的用電成本。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑天窗中的應(yīng)用

天窗是建筑屋頂?shù)拈_口，雖然與太陽的接觸面積較小，但是可以減少室內(nèi)采光，并充分利用太陽能電板將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能和電能，有效降低室內(nèi)溫度。天窗采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以減少白天室內(nèi)的照明用電。因此，在新建或者改建建筑設(shè)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(fā)電一體化的光伏發(fā)電項目?；疖囌镜恼麄€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(jù)采光天窗的結(jié)構(gòu)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°?？紤]到北京火車南站的屋面構(gòu)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(dǎo)線隱藏在蓋板下，不會影響整個天窗采光系統(tǒng)的密封性和屋頂?shù)呐潘到y(tǒng)。該系統(tǒng)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(tǒng)共安裝了1 754塊光伏組件，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機功率為312.2 kW。36個子系統(tǒng)構(gòu)成了整個光伏發(fā)電系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)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(gòu)成。北京火車南站屋頂天窗光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅可以改善火車站的室內(nèi)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(fā)電項目的參數(shù)設(shè)計

表2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)實施前后各項參數(shù)對比

3 結(jié) 論

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)供電不平衡、用電緊張的局面。光伏發(fā)電系統(tǒng)與綠色建筑發(fā)展理念相同，兩者有效結(jié)合，可以為住戶創(chuàng)造更好的居住環(huán)境。