面向大城市居民小區的太陽能光伏發電技術的應用分析

張云天

摘 要：論文總結了應用于民用建筑的太陽能光伏電池和光伏發電技術的應用發展現狀，根據大城市居民小區具有建筑密度大、樓層高、樓間距小的特點，以經濟、環保利用太陽能為目標，提出了太陽能光伏發電技術的選擇建議。在考慮太陽能光伏發電技術的成本、環?；A上，在大城市采用光伏-建筑一體化設計是發展趨勢，同時大城市居民小區具有直流負荷比例高、維護水平高，將小區光伏發電與直流配電網相結合更有利于太陽能利用效率的提高，有利于智能社區的建設。

關鍵詞：太陽能光伏發電 太陽能電池 大城市居民小區 直流配電網

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0022-03

隨著社會公眾的環保意識的提高以及新材料、現代電力電子技術的發展，充分利用可再生的太陽能已經越來越受到政府和公眾的重視。目前太陽能技術已經在新能源發電、交通、航空航海和空間站建設等領域得到了廣泛應用。充分利用可再生的太陽能發電，建立節能、環保、舒適的居住空間也成了社會的共識。因此，該文根據當前各種太陽能發電技術的特點與發展，以經濟、環保利用太陽能為目標，考慮大城市居民小區具有建筑密度大，高樓較多、屋頂面積小、樓間距較小等特點，分析適用于大城市居民小區的太陽能發電技術的選擇方案。

1 太陽能光伏發電技術的發展現狀

1.1 太陽能的應用形式

目前，居民小區應用太陽能的途徑主要可分為太陽能光伏發電和光熱轉換兩種形式。

太陽能光熱技術是將太陽輻射能量轉化為熱能的技術。在居民小區，常見的直接利用太陽能的方式有：（1）利用太陽能空氣集熱器供暖。（2）利用太陽能熱水器提供生活熱水。（3）利用集熱-儲熱的原理建造太陽房等。間接利用太陽能的主要方式是利用太陽能制冷。其中利用太陽能制冷技術仍處于研究階段，相關技術正在進入攻堅克難階段，預計未來將會取得突破性進展。

太陽能光伏發電是以太陽能電池為中介將太陽能轉化為電能的技術。太陽能發電系統有單獨發電和并網發電兩種發電方式，在城市小區，因為供電的可靠性要求，通常是采用并網發電方式，它是由太陽能電池陣列、蓄電池組、保護和控制系統、逆變器、小區負荷等設備構成，其中光伏電池陣列是由多個太陽能電池板串并聯而成，是整個系統最核心、最有價值的組件。

1.2 太陽能電池技術的應用發展

到目前為止太陽能電池技術已歷經三代，第一代主要為晶體硅太陽能電池；第二代是基于薄膜技術的太陽能電池；第三代是高倍聚光光伏電池。

晶體硅太陽能電池是以硅元素作為基本原材料，主要包括單晶硅和多晶硅太陽能電池兩類。這是發展最早、技術最成熟、已經形成了大規模商業化生產的太陽能電池技術，約占據93%的市場份額，其轉換效率在15%～20%。晶體硅太陽能電池最大的技術瓶頸是原材料硅的價格較為昂貴且供應不足，造成晶體硅電池價格呈現上漲趨勢。表1給出了對單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池的主要特性。

薄膜太陽能電池所需要的硅材料極少或是不需要，因而與晶體硅太陽能電池相比，在生產成本上有明顯的優勢。薄膜太陽能電池可分為硅基、碲化鎘（CDTE）、銅銦鎵硒（CIGS）、砷化鎵（GAAS）薄膜電池以及染料敏化（DSSC）太陽電池等[1]。薄膜太陽能電池應用已經逐步展開，其中2014年12月我國首個兆瓦級CIGS薄膜太陽能電站在云南石林投運，其發電效率比同等規模的晶體硅太陽能電站高出10%。根據大城市居民小區的需要，表2給出了主要薄膜太陽能電池的技術特性。染料敏化太陽電池是一種采用由有機材料構成核心部件的太陽能電池，在原材料上具有潛在的優勢，可以大面積成膜，具有可設計性強，質輕，可塑性好，是一種有前景的太陽能電池技術，但是目前僅停留在實驗階段。

從適用于大城市居民小區建筑的角度看，由于非晶硅薄膜電池可制作成半透明的類玻璃形狀，且具有較高的吸收系數，因此非常適合于與光伏-建筑一體化小區工程相結合，作為建筑物的玻璃幕墻、玻璃窗以及建筑墻面。CIGS薄膜電池由于其緩沖層CdS具有潛在的毒性，國產化水平較低，價格較高，但轉換效率高，比較適合用于商住兩用型小區、公寓型小區或是小區中的大型公共建筑的玻璃幕墻。CDTE薄膜太陽能電池成本較高，且有一定污染，可用作大型建筑的屋頂，而GAAS薄膜電池價格過高，一般不用于居民建筑。

2 居民小區的太陽能光伏發電技術的應用選擇

在我國，特別是一些低層建筑比較密集的中小城市、廣大農村地區，太陽能熱水器技術已經得到廣泛利用和推廣。但是這種利用方式無法適用于大城市居民小區，一方面是因為高層建筑物不能提供安裝位置，另一方面是因為這種雜亂無章的安裝嚴重影響建筑物的視覺美觀效果，破壞環境的和諧，不能實現與建筑物的完美結合[2]。目前推出的壁掛式大陽能熱水器是比較適合大城市居民小區的太陽能光熱利用的產品。

同時，太陽能光伏發電技術在民用領域也具有廣泛的利用和推廣空間。城市居民小區有許多公共用電設備，如小區路燈、草坪庭園景燈、高層建筑樓梯間、地下車庫的照明，樓房的電梯以及變頻調速的水泵、風機等，這些設備數量多、總體耗電量大，都可以首先考慮采用太陽能光伏發電供電。在小區的公共區域放置太陽能電池板是一個優選方案。除考慮房屋的承重和成本問題外，可以采用3種放置太陽能電池的方式：（1）放置在建筑屋頂，并加砌與建筑外觀一致的護攔，同時利用太陽能電池組件替代保溫隔熱層的作用，對于已建小區還可以與社區屋頂“平改坡”結合起來加裝太陽能電池組件。（2）在樓梯間頂部專門加裝一個放置太陽能電池板的閣樓，并采用與建筑外觀協調和諧的斜屋頂設計，維護整體環境的協調。（3）對于新建的多層建筑和高層建筑，外墻與太陽光接觸面積最大，采用與太陽能電池一體化的玻璃幕墻、透明絕熱材料，實現光伏-建筑一體化，同時達到美觀和裝飾效果。

在城市居民小區中，通常采用太陽能光伏發電系統與市政電網并聯供電的形式，如圖1所示。但是當小區內太陽能光伏發電容量比較大，且小區內直流負載比例較高時，小區采用分布式直流配網供電[3]，將市政電網通過交流-直流變換作為并聯電源，如圖2所示，更有利于太陽能光伏發電的利用，且具有更好的效率。這是因為：（1）太陽能光伏發電輸出直流電，直接接入直流配電網，可以節省大量的DC-AC換流環節。（2）大部分民用負載都是直流負載，比如個人電腦、電視、充電設備、電熱器、照明負荷，采用直流配電網后，整體效率更高；同時對于采用變頻技術的家用電器，如空調、冰箱、洗衣機，如果采用傳統的交流配電網，需要經過AC-DC-AC變換，而采用直流配電網則只需要采用DC-AC變換。因而直流配電系統的整體效率更高。（3）同時直流配電網更可靠，且沒有頻率和無功問題，也沒有傳統交流配電網的諧波污染問題。（4）直流配電網的可控性，更有利用于未來智能社區的建設[4]。

3 結語

太陽能光伏發電在大城市民用領域也具有廣闊的發展空間。但是由于大城市的地價貴、樓間距小、高層建筑多，相對中小城市、農村來說，利用太陽能光伏發電的空間較小、單位投資高、發電成本高，回收成本年限長，如果采用全國統一的補貼標準，難于達到預定的促進作用。因此，需要靠政府政策扶持，鼓勵企業、社會公益投資，同時與綠色社區、智能社區建設結合起來，達到更好的整體社會、經濟、環保效率。

參考文獻

[1] 李海濤.太陽能利用研究進展[J].科技創新與應用，2016（9）：38-39.

[2] 彭瑛.民用建筑太陽能的利用[J].湖南工業大學學報，2012，26（5）：90-94.

[3] 黃家室.建筑小區應用太陽能光伏發電供配電方式探討[J].建筑電氣，2009，28（2）：22-25.

[4] 江道灼，鄭歡.直流配電網研究現狀與展望[J].電力系統自動化，2012（08）：98-104.