光伏發電技術在綠色建筑中的應用研究

魏志豪，吳楨芬

（昆明理工大學 農業與食品學院，云南 昆明 650000）

0 引 言

太陽能是一種常見的可再生能源，分布廣泛，用之不盡，取之不竭。世界各國面對傳統能源（煤炭、石油以及天然氣等）日漸枯竭的情況，從未停止對太陽能開發和利用的探索。相比于煤炭和石油等非再生能源，太陽能除了儲量巨大之外，還具有零排放和無污染的特點，對防治空氣污染、減緩溫室效應以及發展低碳經濟具有重大意義[1-2]。光伏發電技術利用光伏效應，把太陽輻射的光能直接轉化為電能，是利用太陽能的一種重要途徑。不僅能夠在大型光伏發電站中發揮作用，而且遍布在人們的周圍，為日常生活提供了諸多便利。

將光伏發電技術應用于綠色建筑，可以充分利用太陽能資源降低建筑自身能耗，同時可起到美化裝飾和節省建材的作用。既符合綠色建筑理念，滿足人們對節能、減排以及環保的需求，又能夠推動綠色建筑行業朝著更加節能的方向發展[3-4]。

1 光伏發電技術簡介

1.1 光伏發電原理與光伏系統組成

1839年，法國著名物理學家貝克勒爾在實驗室第一次發現了光生伏特效應，從此光伏發電進入人類的視線。在此后100多年的時間里，隨著科學技術的不斷進步和人類生活水平的顯著提高，光伏發電技術取得了長足發展，尤其在太陽能電池材料研制方面。從單晶硅太陽能電池到多晶硅太陽能電池，再到目前以砷化鎵和碲化鎘為主要代表的多元化合物薄膜太陽能電池，光電轉化效率大幅提升，成本不斷下降。光伏效應是指當光線照射在半導體材料上時，在半導體兩端產生電動勢的現象。光伏發電可以直接將太陽能轉化為電能，不需要通過熱能間接轉化[5]。通常情況下，一個完整的光伏發電系統由多個部分組成，主要包含太陽能電池陣列、儲能元件、逆變器、用電負載以及控制器等[6]。

1.2 光伏發電系統分類

如圖1所示，根據光伏發電系統工作形式的不同，通常把光伏發電系統分成獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統兩大類[7]。

首先，獨立光伏發電系統又被稱作離網型光伏發電系統，不與公共電網相連接，因此特別適用于公共電網到達不了的山區、海島以及戈壁等偏僻地帶。其次，在一些需要靈活部署的場合如氣象觀測站、太陽能照明系統以及通信基站等得到了廣泛應用。最后，獨立光伏發電系統常被用于太空飛行器、月球探測車以及宇宙空間站等航天領域的供電設備。獨立光伏發電系統不與國家電網相連，通常配有儲能裝置，用來存儲多余的發電量。而無儲能裝置的獨立光伏發電系統常見于計算器和兒童玩具等微型用電器件[8]。

圖1 光伏發電系統分類

并網光伏發電系統與公共電網相連接，有直接連接方式和通過內網連接方式兩種。大型光伏發電站通常建設在偏遠空曠的無人區，周圍缺少用電負載，因此光伏發電站發出的電能無須經過內部電網，可以實時饋送至國家電網，是一種直接連接方式。目前，它已經成為我國能源供應結構的重要組成部分。與大型光伏發電站不同，散落在城市各個角落和房屋建筑表面的分布式光伏發電系統則采用通過內網接入國家電網的方式。內網是分布式光伏發電系統的內部電網。內部電網的運轉可以節約城市建筑能耗，在用電高峰期有效緩解公共電網的供電壓力。

2 綠色建筑簡介

所謂綠色建筑中的綠色，不單單是指用來裝飾建筑物的綠色植被，而是一種表征性含義，代表建筑物本身具有低碳、環保以及無污染的優點。綠色建筑從建造到使用的整個生命周期，能夠最大程度地降低能耗、節約資源以及保護環境，與自然生態系統融為一體，為人們提供一個舒適、健康以及高效的工作與憩息環境[9]。我國2015年1月1日頒布實施的《綠色建筑評價標準GB/T50378—2014》提出了如下要求。首先，綠色建筑在選址方面需做到因地制宜，充分考慮如海拔、緯度、風向以及光照等地域性特點，并根據這些特點有的放矢地設計建筑物的構造，使其能夠融合自然，利用自然界中的風能、太陽能以及地熱能等清潔能源為建筑物服務，從而達到減少能耗、降低排放的作用。其次，綠色建筑使用的建筑材料要選用環境友好型材料，如新型環保材料和低碳材料。這些材料大多來自建筑廢棄物，通過回收改造加以循環利用。同時，要遵循節省建材的原則，減少不必要的開支。最后，嚴格把關綠色建筑室內環境。室內是人們工作生活密切接觸的空間，室內環境的安全、舒適以及整潔對建筑具有重要意義。總之，綠色建筑需能夠滿足人們回歸自然的需求，使人與自然和諧統一，友好相處。

近年來，隨著我國城鎮化建設的深入推進，截至2020年上半年，我國城鎮化率已經突破60%大關[10]。越來越多現代化建筑拔地而起，總建筑能耗也在不斷攀升，目前已占據我國能耗終端總量的30%以上，僅次于工業能耗和交通能耗。因此，建筑物中積極融入綠色元素已經成為建筑行業發展的風向標。在黨和政府極力倡導發展環境友好型和資源節約型經濟社會的今天，綠色建筑行業必定擁有更加廣闊的前景。

3 光伏發電技術在綠色建筑中的應用

3.1 光伏發電技術在建筑墻面中的應用

建筑物外墻通常光滑平整，面積較大，容易接收太陽光的照射，為光伏發電系統在綠色建筑中的應用提供了工作空間和有利條件。在實際工程應用中，通常把太陽能電池面板與建材玻璃集成在一起，通過特殊工藝加工成PV玻璃幕墻，按照一定方式把它們安裝在建筑外墻表面，不但隔絕了太陽能輻射的大部分熱量，而且能夠及時把吸收的光能轉化為電能，提供給建筑物內部用電負載使用，很大程度上降低了建筑能耗。尤其在高溫炎熱的夏季，集成有太陽能電池面板的PV玻璃幕墻通過有效隔絕建筑物外部環境的熱量，可以降低建筑物自身溫度，起到減少空調功耗的作用。PV玻璃幕墻質地輕盈，色彩豐富，具有光學美感，搭配不同的加工外形，可以美化建筑物，為建筑物賦予更多現代化和時尚化元素，增添了其觀賞度。當前，城市建筑物墻面已經成為光伏發電系統應用最多的場合，受到了越來越多建筑開發商的青睞和重視。

3.2 光伏發電技術在建筑房頂中的應用

建筑物房頂雖然在受光面積上不如外墻，但是光照角度的變化對房頂光伏發電系統影響較小。房頂處于建筑物最高處，光源通常不會受到其他建筑物或樹木的遮擋，所以在設計和安裝光伏發電系統時，基本無需考慮受光角度和最佳位置等因素的影響，只需盡可能地使光伏發電面板按一定方式排滿房頂即可，降低了安裝難度，節約了系統成本。因此，光伏發電技術在建筑房頂得到了廣泛應用，尤其在廣大農村地區，太陽能已經走進千家萬戶，為農村用戶熱水供給和電量供應提供了清潔持續的能源保障。

3.3 光伏發電技術在建筑天窗中的應用

與房頂相似，建筑天窗雖然與太陽光接觸的面積較少，但是把太陽能電池面板安裝在建筑天窗上可以改善天窗透光率，對建筑物室內采光有著重要影響。因此，綠色建筑天窗的設計對建筑本身而言具有非常重要的作用。建筑設計師要充分發掘光伏發電技術對建筑天窗的有益效果，考慮建筑天窗外形個性化需求。工程應用時，通常把光伏電池面板制作成符合實際需求的形狀與規格，如容易緊貼天窗玻璃的網格狀，且要認真布置其角度，確保光伏面板能夠充分吸收光照，使其達到最有益綠色建筑的發電狀態。

4 提升光伏發電效率的兩種方法

4.1 太陽能電池陣列與降溫裝置相結合

研究表明，光電轉換效率受溫度影響嚴重，溫度越高，轉換效率越低[10]。在我國廣大地區，尤其是夏季，受高溫和太陽強輻射影響，光伏發電面板的溫度通常能飆升到70～80 ℃，嚴重制約了光伏發電系統的工作效率。因此，在光伏發電系統中，要結合降溫裝置確保系統發電效率不受溫度影響。在具體實施方式上，一般采用水流循環的方法，將水流循環管網鋪設于光伏發電面板下方表面，根據系統需要，自動或人工控制水流循環閥門。當循環水的溫度高達一定值時，系統控制循環水進入建筑熱水管網，為建筑居民提供熱水，從而可以有效節約熱水資源，降低建筑能耗。值得注意的是，降溫裝置不局限于采用水流循環的方式，還有其他方式，需根據綠色建筑所處的具體環境和自身特點選取合適的降溫方法。

4.2 引入光伏發電面板角度自動調節系統

實驗表明，在溫度不變的情況下，光伏發電效率與輻照度近似成正比。輻照度越大，光伏發電效率越高，單位時間內系統發出的電量越多。影響輻照度最主要的因素是太陽照射光伏發電面板的角度。受地球自轉的影響，太陽光線照射光伏面板的角度隨著時間一直在變化。另外，季節的不同也會導致太陽光線照射角度有所變化。因此，為了保證輻照度處于最佳狀態，系統要安裝光伏面板角度自動調節系統，設定好自動控制程序，控制電機改變光伏面板的角度，使其自動跟隨太陽位置的變化進行調整，以確保光伏發電系統始終處于最優工作狀態[11]。

5 結 論

隨著科技的不斷進步，光伏發電成本不斷下降，發電效率不斷提高，能夠把太陽能直接轉化為電能，有效緩解用電高峰期公共電網的供電壓力。將光伏發電技術應用于綠色建筑符合綠色建筑理念，可以有效降低建筑能耗，減少污染，使人與自然和諧相處。綠色建筑行業的發展依賴國家政策的支持，當前綠色建筑行業在很多方面還缺乏應用規范，需要國家制定相關政策法律和技術規范，進一步引導綠色建筑行業向前發展。十八大以來，隨著人們對美好環境需求的日益增長，我國把生態文明建設上升為戰略高度，提出創新、協調、綠色、開放以及共享的發展理念，大大促進了綠色經濟的發展，使得應用光伏發電技術的綠色建筑擁有更加廣闊的發展前景。