淺談城市建筑太陽能發電系統的應用

章健強

（廈門市城市規劃設計研究院，福建 廈門 361005）

引言

節能減排是城市可持續性發展的必由之路。發展可再生能源不僅能直接減少碳排放，降低對不可再生的化石能源的依存度，而且能改善我們的生活環境，建設資源節約型、環境友好型的現代化城市。隨著城市化的快速發展，越來越多的人集中到城市來生活和工作，導致城市生產、交通及建筑碳排放的增加，據不完全統計建筑碳排放已占據社會總碳排放的28%以上。本文重點談論在城市化發展的過程中通過發展可再生能源（太陽能發電）來實現城市的節能減排。

太陽能是地球綠色能源中最重要的清潔能源。大力發展太陽能（即光伏）發電，開發利用太陽能，有利于節約能源、保護環境，推動城市可持續性發展。

1 太陽能發電技術

我國可再生能源法所稱的可再生能源是指風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源。

太陽能源于太陽輻射，太陽能的利用方式包括光熱利用（太陽能熱水器、太陽能空調、太陽能爐、太陽能溫室等）、光電利用（太陽能光伏發電、太陽能熱動力發電）以及光化學、光生物利用（太陽能光合成）等。目前規模化利用的主要是光熱利用和光電利用。

目前光電利用較成熟的主要是光電直接轉換，通過太陽能電池直接將太陽輻射能轉換為電能及光伏發電，它利用半導體材料的光伏效應進行光電轉換。

太陽能電池發電系統由太陽能單電池組成的電池陣、蓄電池、負載以及控制器等組成，可分為直流系統、交流系統和直/交流混合系統。適用于城市建筑用電主要是交流系統,如下圖所示。

圖1 交流系統

2 國外部分城市建筑太陽能發電系統應用現狀簡介

太陽能光伏發電與建筑結合的系統，簡稱光伏建筑一體化系統，它不占用土地，而且可減少二氧化碳排放。光伏建筑一體化系統包括：坡屋面光伏建筑一體化系統和太陽能光伏幕墻建筑一體化系統。

太陽能發電技術位居世界前列的德國，從1991到1995年，實施1000光伏屋頂計劃；從1995到1998年，提出了10萬屋頂計劃；2000年，德國政府制定“可再生能源法”，到2003年秋，10萬屋頂計劃完成，共安裝300兆瓦。德國政府為了進一步加快發展光伏發電系統，加強推廣，在2004年又修正可再生能源法，制定了更加吸引私人投資光伏發電回收和補貼計劃。到2004年底，德國一年就安裝600兆瓦光伏發電系統。按德國聯邦環境部的計劃，到2020年德國總共要安裝并網光伏10千兆瓦。

在日本，太陽能發電是非常普及的。家庭購買太陽能發電設備，70%的費用由政府來補貼，同時家庭白天不用電時還可將發的電賣給電力公司或者政府（由政府強制電力企業按照太陽能發電核定價格收購，超出市場普通電力基準價的部分，由政府補貼）。這使日本約20%的家庭在屋頂覆蓋了太陽能發電設備。2004年日本太陽能發電已經達到1132兆瓦，原計劃到2010年太陽能發電總裝機達到4820兆瓦。

2008年，美國總統簽署了價值數百億美元的綠色能源投資補貼制度延長法案，其中，把住宅建成太陽能電廠，可獲得30%的財政補貼。2010年，美國剛剛通過的千萬太陽能屋頂計劃，預計到2021年，美國太陽能發電總量將超過10萬兆瓦，將取代德國成為未來太陽能發電市場的發動機。

3 我國城市建筑太陽能發電系統應用現狀簡介

我國城市建筑太陽能發電起步較晚，且由于單幢建筑配套的太陽能發電設備建設費用高（假設一戶普通家庭，一套功率為3千瓦的太陽能發電系統，年發電約3000千瓦時，投資需要9～15萬元左右，使用壽命10～20年，折算為每千瓦時成本約1.5～3元），因此，只在一些公共建筑工程上做示范（如：國家體育館、上海世博會、深圳園博會、廈門BRT穆厝站等）。

當前我國太陽能光電建筑補助條件及標準：“對單項工程裝機容量50KWP以上的項目，給予20元/WP的補助”。這一標準有利于于大型建筑或住宅小區的太陽能發電系統建設。

4 城市建筑太陽能發電系統的試點

4.1 收集城市太陽能資源的條件

主要是收集平均年日照小時數、輻射強度、最佳朝向和角度、已建屋面可利用面積、規劃未建住宅屋面可利用面積、規劃未建公建屋面或立面可利用面積等。

4.2 太陽能發電系統設計

建議在設計容量達到50KWP的項目上進行試點（可獲得政府補貼）。太陽能發電后經逆變器送至10千伏/0.4千伏配電室的低壓母線段（該母線段所帶負載容量與太陽能發電容量相當）；為了便于用戶用電低谷時太陽能發的電能送至公共電網，還需將剩余的太陽能發電功率經逆變器后升壓送至10千伏城市公共電網；還需采用智能微電網控制系統對太陽能發電系統與城市公共電網進行管理。

4.3 智能微電網控制系統

該系統主要功能是監測太陽能發電功率與用戶用電功率的關系，當太陽能發電功率大于等于用戶用電功率時，斷開公共電網供用戶變壓器的開關，并合上太陽能發電升壓系統送至公共電網的開關；當太陽能發電功率小于用戶用電功率時，合上公共電網供用戶變壓器的開關，并斷開太陽能發電升壓系統送至公共電網的開關。

5 城市建筑太陽能發電系統推廣的若干建議

5.1 相關補貼政策的保障

由于太陽能發電折合每千瓦時的成本基本上是目前城市公共電網電價的2倍左右，導致個人或企業建設不積極。若國家金太陽示范工程的補貼政策能長期保持，并能盡快通過個人家庭太陽能發電系統補貼和上網電價補貼，同時提高國民的節能減排意識，確實加快太陽能發電系統的建設。

5.2 相關技術的研發

加快太陽能電池技術、逆變器技術、微電網控制技術的研發，提高太陽能利用率和發電效率、降低太陽能發電系統單位功率的成本。

5.3 城市管理的配套

國家和地方政府需明確太陽能上網的收購價格，鼓勵太陽能發電系統的建設。城市規劃、建設管理部門應制定相關的管理條例來保障太陽能發電系統與城市建筑的結合。如：規定城市公共建筑-圖書館、體育館、火車站等，大型商業、辦公建筑-購物廣場、企業總部辦公樓、政府大樓等建筑的屋頂和外墻建設太陽能發電系統；低層和多層住宅小區的屋頂建設太陽能發電系統。

結語

太陽能是地球上取之不盡、用之不絕的綠色能源，太陽能發電是我國城市發展低碳型城市十分重要的技術。通過相關政策的扶持及國民節能減排意識的提高，不斷增加城市建筑太陽能發電系統試點范圍，使太陽能發電占我國能源的比重進一步提高。

[1]林穎庭等.城市區域太陽能應用中電力供需平衡控制策略研究[J].城市規劃年會論文集.2010.

[2]姜謙.2010-2015年中國太陽能光伏發電產業投資分析及前景預測報告 [R].本投顧問，2011，11.3.