淺談太陽能光伏發電與建筑一體化的應用

李辰晨

中國建材國際工程集團有限公司江蘇分公司 江蘇 南京 210000

引言

隨著世界性能源危機的爆發和生態環境的惡化，風能、太陽能以及水能等清潔可再生能源快速發展。與其他能源相比，太陽能具有分布廣泛、安全以及可持續強等優點，并可以將其轉化為電能和熱能，滿足人們的各項供熱需求。綠色建筑是近年來建筑領域興起的一種新的建筑理念，以保護環境、節約能源為技術手段，為用戶提供一個安全、舒適、健康的居住環境，是未來建筑發展的主流方向。將光伏發電系統應用于綠色建筑，可以充分利用太陽能資源，降低建筑能耗，滿足綠色建筑發展需求，達到節能減排的目標，符合綠色建筑發展要求。

1 太陽能光伏建筑一體化概述

通過分析太陽能光伏建筑一體化的構架可以看出，其主要是在太陽能光伏技術的理論基礎上利用方陣的模式，在建筑的最表層構架一個系統、立體的太陽能矩陣。這個矩陣既可以是一個獨立的系統，獨立承擔該棟建筑的日常能源消耗，又可以將其并入國家電網，輸入自身轉化的能源，進而達到一定的經濟效果。在設計這個矩陣的時候，除了考慮該矩陣最大能源轉換率，還應符合該建筑的設計理念，確保其既環保又美觀。由于光伏矩陣與建筑的結合不占用額外的地面空間，是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。第一，太陽能光伏建筑一體化的能源轉化過程不會產生污染物，而且其設備可以重復循環使用，具有一定的綠色性，對生態環境保護具有一定的作用。第二，太陽能光伏建筑一體化設備主要安裝于建筑的屋頂、外墻等部位，在充分發揮建筑效能的同時，節約了原本建筑太陽能方陣所需的空間[1]。

2 太陽能光伏發電與建筑一體化的應用

（1）太陽能光熱技術。在古代時期，我們的先人對太陽能輻射到地表的熱能利用就已經駕輕就熟了。而如今，不論是在我國幅員遼闊的農村、城鎮地區，還是在城市人口密集的老舊小區，都可以看見光熱技術應用最廣泛的產物——太陽能熱水器。太陽能光熱轉化比光電轉化技術更為成熟、應用更廣，例如：太陽能熱水器，被動式太陽房等。與建筑有效結合且最普遍的應用是太陽能熱水系統。隨著太陽能熱水系統與建筑一體化技術逐漸成熟，該技術也經歷了從農村到城市，從零星用戶到大面積住宅，從單一熱水器到整個熱水系統的質變。還可利用光熱技術發電，因其技術優勢，發電成本較傳統發電低，且在無光照時仍可持續發電幾個小時。按太陽能輻射量到達地面的多少，可將中國各地劃分為五類地區，一類地區年總輻射量可達五類地區的兩倍有余，這就造成太陽能熱水系統在資源豐富地區的使用效率高，但供應成本較低，在建筑設計和制定政策時要因地制宜。

（2）光伏發電系統在建筑外墻的應用。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、風能等自然資源，為居住者創造一個自然、宜居的環境。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，能夠將太陽能直接轉化為電能，為光伏發電系統在建筑中的應用創造了有利條件。因此，設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，還可以將太陽能轉化為電能，供應建筑內部的照明系統，減少外部墻體的溫度，降低室內空調負荷。PV板外觀優美、結構輕、色彩豐富，可以賦予建筑現代感和時尚感，因此在現代建筑中廣泛應用[2]。

（3）電氣自動化在光伏發電無功補償控制中的運用。由于光伏發電系統結構自身存在一定的復雜性，即光伏發電系統在實際運行過程中所運用到的結構部件主要為電子元件，光伏發電系統在啟動的過程中電子元器件會產生諧波，這給電力系統的維護帶來了一定的困難，不利于提高光伏發電系統自身的穩定性，而且在實際運用的過程中，還會因存在電壓不足的問題而導致電壓的超負荷運行，這樣的工作情況不利于保證太陽能光伏發電的有效性，而且還會影響太陽能光伏發電的效率和質量。而且如果在電子元器件啟動的過程中產生了無功率損耗，還會造成電能的浪費。因此在實際的運行過程中需要合理科學運用電氣自動化技術，其中在這個過程中主要運用電氣自動化技術來進行無功實際需求量的判定，通過判定將功率的損耗控制在一個合理的范圍之內，這樣就能有效避免電壓不穩等情況的出現，以此來維護太陽能光伏發電系統運行的穩定性。

（4）光伏建筑一體化（BIPV）。就光伏建筑一體化而言，它主要由采光頂、幕墻以及構件三部分組合而成的。對于光電采光頂，它就是把太陽能光伏板運用到屋面上，需要確保光伏板有著良好的透光性能。通常情況下，透光率大約在10%到50%之間；對于光伏幕墻，就是把太陽能光伏板當作建筑的玻璃幕墻，需要確保太陽能光伏板具有良好的發電性能，雖然它與傳統的玻璃幕墻有著相同的構造，但它可以把太陽能轉化為電能；對于光伏構件，就是把光伏板當作構件應用到建筑中，比如遮陽構件、圍護構件、欄桿等，這樣一來，不僅可以起到了美觀的作用，而且還節省了大量的建筑構件。

（5）光伏發電系統在建筑天窗中的應用。天窗是建筑屋頂的開口，雖然與太陽的接觸面積較小，但是可以減少室內采光，并充分利用太陽能電板將太陽能轉化為熱能和電能，有效降低室內溫度。天窗采用光伏發電系統，可以減少白天室內的照明用電。因此，在新建或者改建建筑設計中，可以采用光伏板代替天窗玻璃[3]。

3 結束語

太陽能建筑通過太陽能光熱技術、光伏電力技術與建筑的有效結合，將供給人們免費、清潔、取之不盡的能源，符合當下全球倡導的可持續發展理念。隨著太陽能產業的發展和技術的革新，太陽能建筑的設計和建造越來越普及，也被更多的人認可。