淺析太陽能光伏發(fā)電原理及建筑一體化技術在節(jié)能建筑中的應用

國強

摘要：如今，能源的日益枯竭、環(huán)境的污染越來越嚴重，人們也在密切關注著這些問題，人們的環(huán)境保護和能源供應意識也越來越強，也都在尋求可靠的可再生能源。而太陽能作為一種可再生能源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有廣闊的開發(fā)前景，也是發(fā)展低碳經濟的必然選擇。太陽能光伏發(fā)電是將太陽能輻射能通過光生伏特效應轉換為電能，由于它不需要使用燃料，所以也不會污染環(huán)境，是具有清潔性、環(huán)保性的可再生能源，而且還可以持續(xù)供給，如果將其與建筑一體化，那么對于推動節(jié)能建筑的發(fā)展來說，具有重要的意義。

關鍵詞：太陽能光伏發(fā)電；建筑一體化技術；節(jié)能建筑

1太陽能光伏系統(tǒng)和建筑一體化

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽能電池半導體材料在太陽光照射下所產生的電位差現(xiàn)象，將太陽光輻射直接轉化成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。就目前的情況來看，其主要有兩種形式，即獨立運行和并網運行。獨立運行系統(tǒng)又被分為了直流負載獨立系統(tǒng)和交流負載獨立系統(tǒng)。如今，光伏系統(tǒng)的應用也是越來越廣泛，在太空、交通以及太陽能建筑等方面都得到了廣泛的應用，而對于太陽能光伏建筑，其是未來發(fā)展中主要的研究方向，需要特別的重視。建筑一體化主要是在建筑設計的初期使用新型的太陽能光伏技術，進而形成一個有機組成部分，對其進行整個設計以及施工和調試的優(yōu)化。在設計的過程中，必須要確保建筑的美學特性，同時還要確保太陽能光伏技術的使用性能，有效地結合這兩方面，從而也就形成了一體化設計。光伏建筑一體化系統(tǒng)目前主要有兩種形式，即光伏屋頂結構以及光伏墻結構。對于光伏屋結構的組成主要有三種形式，第一種是光伏組件與低層建筑結合，第二種是光伏組件與小高層、高層建筑結合，第三種光伏組件與公共建筑結合。

2太陽能光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術，太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結內建電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。

3光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設備組成。

2）太陽能電池方陣：在光生伏特效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。

由此可見太陽能電池中單晶硅電池的光電轉換效率最高。

3）蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。

4）沖放電控制器：是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備。

5）逆變器：是將直流電轉換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。目前國內并網逆變器的效率一般為92～97%之間。

4光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網光伏發(fā)電系統(tǒng)及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1） 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)：獨立光伏發(fā)電也叫離網光伏發(fā)電。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。由于需裝設蓄電池組，系統(tǒng)造價相對較高。

2） 并網光伏發(fā)電系統(tǒng)：并網太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池方陣并網逆變器組成，

不經過蓄電池儲能，通過并網逆變器直接將電能輸入公共電網。并網太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相比離網太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，減少了其中的能量消耗，節(jié)約了占地空間，還降低了配置成本。

3） 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等設備。

目前應用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是建在城市建筑物屋頂的光伏發(fā)電項目。

4） 光伏發(fā)電系統(tǒng)按負荷形式可分為下列三種系統(tǒng)

4.1小型系統(tǒng)，裝機容量不大于20kWP的系統(tǒng)。

4.2中型系統(tǒng)，裝機容量在20kWP-400kWP之間的系統(tǒng)。

4.3大型系統(tǒng)，裝機容量大于400kWP以上的系統(tǒng)。

5太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化技術在節(jié)能建筑中的應用

1）透光技術的應用

在建筑中，頂部光伏采光是最常用的方式，效果也非常的顯著。在頂部進行采光，一方面，太陽相當于直射在頂部，能夠使太陽能的吸收率得到提高，使玻璃幕墻不能對陽光進行足夠吸收的弊端得以解決；另一方面，在頂部進行采光時，還要對沒有遮擋或者遮擋率比較低的地方進行選擇，這樣能夠保證最大的吸收太陽能。除此之外，為了能夠對太陽能進行最大化的吸收，在安裝時可以選擇透明度比較高的材質。對太陽能光伏采光頂進行利用，能夠使太陽能對建筑物的輻射大幅降低，進而增大建筑物的受光率，并且起到對陽光進行遮擋的作用。

2）光伏器件作為屋頂材料

在太陽能光伏發(fā)電中最大的優(yōu)勢是將光伏氣作為屋頂的材料，這樣不需要額外的建筑空間，能夠得到廣泛的使用，同時屋頂具有很多的太陽光照射，就算是在冬天，也能夠實現(xiàn)白天日照，從而提高太陽能的使用效率。另外，屋頂材料的光伏器件能夠通過施工與屋面結構進行連接，從而能夠有效地控制大風以及暴風雨等方面所產生的影響。最后使用太陽能電池組件代替屋面保溫隔熱，不僅能夠保護建筑物面，防止受到影響，同時也能夠有效地控制整體的應用成本，因此進一步加強對其的研究非常有必要。

3）光熱發(fā)電

在建筑物中對太陽能光熱加以利用進行發(fā)電，不再使用傳統(tǒng)的發(fā)電方式，可以避免使用昂貴的硅晶光電轉換工藝，從而使發(fā)電的成本得到減少。而且，利用光熱發(fā)電還有將太陽能加熱的水儲存起來的優(yōu)點，即使沒有光照，也可以將汽輪帶動發(fā)電好幾個小時。利用光熱進行發(fā)電時，充分合理的利用資源，發(fā)揮資源的價值，在技術和資金條件的允許下，還可以綜合利用多種能源，進行互補發(fā)電，也可以考慮聯(lián)合熱電站進行發(fā)電。

4）光伏幕墻技術的應用

如今，光伏建筑一體化主要是光伏幕墻在建筑中的應用。光伏幕墻技術主要是在玻璃幕墻夾層中壓入光伏方陣，在玻璃幕墻內使用雙玻璃光伏組件來替代普通的材料，從而能夠使其具備相應的功能，包括隔音、隔熱以及安全等方面，光伏玻璃幕墻能夠最大程度利用太陽能，有效地達到綠色控制作用，因此，建筑光伏一體化技術也是未來主要的發(fā)展方向，需要重點加強該部分的研究。

6太陽能光伏發(fā)電在建筑工程中的優(yōu)勢

在建筑工程中使用太陽能光伏發(fā)電技術變得越來越廣泛。運用太陽能光伏發(fā)電技術，不僅可以起到節(jié)能能源的作用，還可以減少對環(huán)境的污染與破壞。主要的表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，通過使用太陽能光伏發(fā)電技術，可以實現(xiàn)電能的產生。這種發(fā)電的方式對環(huán)境來說是沒有污染的；第二，使用光伏發(fā)電的機械設備成本比較高，但設備使用的時間很長，材料的占地面積也比較小，只需要在屋頂上面進行簡單的安裝就可以，不用占用其他的場地與空間，這樣可以在工廠中進行廣泛的使用，通常情況下，在住戶的住所旁也可以進行應用；第三，太陽白天的光照會很強，電池可以在這一時間進行能源的大量儲存，在晚間用電高峰的時候就可以提供使用，光伏發(fā)電生產的電力能源就可以有效的解決人們日常生活中出現(xiàn)的用電緊張的情況，為地區(qū)的發(fā)電廠減少很大的壓力；第四，在居民的居住場所的屋頂或者墻壁上安裝太陽能光伏發(fā)電裝置，可以保證太陽能的吸收，減少陽光照射導致的建筑的損傷。也可以有效的避免光能的浪費，在夏季還可以降低室內的溫度，起到很好的效果；第五，對于建筑一體化技術中太陽能光伏發(fā)電技術的使用，可以隨時使用太陽能轉化的能源，這在居民的生活中是非常重要的。為人們的生活帶來很大的便捷，也節(jié)約了電能的使用與浪費，為國家的全面發(fā)展提供重要的幫助；第六，在太陽能光伏發(fā)電的廣泛應用過程中，能夠實現(xiàn)對環(huán)境的零破壞，因為它不會排放任何有害的物質，對自然造成環(huán)境的破壞。所以，在現(xiàn)代化的建筑工程中應用太陽能光伏技術可以實現(xiàn)很多的優(yōu)點，不僅美觀，而且可以保護環(huán)境，起到節(jié)約能源的作用。這一技術在發(fā)達國家中也是被廣泛的使用。光伏發(fā)電項目的使用與國家未來設計的發(fā)展方向是一致的，有利于國家健康、可持續(xù)的發(fā)展，也是未來高新技術發(fā)展的一個重要的標志。

7結語

總而言之，建筑工程中應用太陽能光伏一體化是主要的發(fā)展方向，不僅能夠有效地進行能源控制，同時也能夠提高太陽能的利用效率，有效地將自然資源進行合理利用，進而達到可持續(xù)發(fā)展的目的，因此需要重點加強對其的研究。

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（作者單位：中國中元國際工程有限公司）