光伏空調的應用研究及分析

徐盤靈

［合肥工業大學設計院（集團）有限公司，安徽 合肥 230000］

0 引言

2021 年11 月，中美發布了《中美關于在21 世紀20 年代強化氣候行動的格拉斯哥聯合宣言》，承諾加強氣候合作，捍衛《巴黎協定》的成果，避免了格拉斯哥會議“淪為空談”，彰顯了大國擔當。我國“碳達峰、碳中和”頂層設計逐步完善，推進思路逐步清晰。2021 年10 月，中共中央、國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，國務院印發《2030 年前碳達峰行動方案》，兩者共同構成貫穿碳達峰、碳中和兩個階段的頂層設計。

持續推進產業結構調整、能源結構調整及實施節能提效，是實現碳達峰碳中和目標的關鍵路徑。立足我國的大環境下，節約資源和保護環境更是基本國策。工業、交通和建筑，被公認為全球三大“能耗大戶”。據世界銀行預計，到2030 年，若要實現節能減排的目標，70%的潛力在建筑節能減排方面。建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已達40%，并且近年來一至保持增長態勢。據統計，空調系統耗能在建筑耗能中占比已超40%，大型公共建筑中的空調系統耗能約占比達50～65%，數據中心機房中除IT 設備能耗外空調系統耗能占比甚至超過80%。隨著功能日趨復雜及體量日趨龐大建筑的增加，隨著人民對室內環境更衛生、更舒適的要求，隨著空調市場需求的快速增長，空調使用頻率的增加，也帶來了諸如能耗增加、碳排放超標、熱島效應等系列問題，這些問題如果得不到有效解決，將會產生更為嚴重的能源危機及生態環境等問題。

加快調整優化產業結構、能源結構，大力發展光伏發電、風電等可再生能源發電，推動煤炭消費盡早達峰。在我國能源結構大調整的關鍵時期，清潔能源特別是太陽能的技術發和應用亟待發展。太陽能的利用方式中主要分太陽能光伏利用和太陽能熱利用。太陽能光伏利用是利用光伏材料吸收太陽能，并將其轉換為電能供給到公共電網或個人電用戶；太陽能熱利用是利用吸熱材料吸收太陽能，并將其轉化為熱能供給到供熱管網或熱用戶。在太陽能光伏利用中，采用光伏空調對建筑室內環境進行制冷和供暖，在有效改善建筑室內環境溫濕度的同時，可以從源頭有效減少煤炭消費，避免了煤炭在生產發電過程中的環境污染及碳排放等問題，在使用過程成有效減少公共電網的用電荷載，順便起到“削峰填谷”的作用[1]。

1 光伏空調的研究

光伏空調是近幾年新出的產品，在國內已有廠家生產并投入使用。據格力介紹，格力光伏空調系統覆蓋工廠、學校、商業辦公、住宅等應用場景，目前已為超過30 個國家和地區搭建了8000 余套光伏空調系統。那么光伏空調復雜么，與平常使用的空調有什么區別？其實光伏空調可以理解為一臺太陽能空調。它的基本結構和制冷原理和普通空調完全相同，唯一不同的是在空調的外機上面配一套太陽能發電板，利用太陽能發電板，給空調的壓縮機等供電，如圖1 所示。

圖1 簡易太陽能空調

當然，這是為了便于理解簡單舉例，實際上太陽能板與空調外機之間還有太陽能光伏組件、蓄電池、逆變器、控制器等部件。太陽能光伏空調系統中，對于節能減排及方便使用影響較大的主要是光伏組件、蓄電池兩個部件。

光伏組件主要包括太陽能電池片、光伏玻璃、封裝材料、背板、邊框及接線盒，如圖2 所示。

圖2 光伏組件結構

由于單片太陽電池片輸出電壓較低，未封裝的電池片由于環境的影響電極容易脫落，因此必須將一定數量的單片電池采用串、并聯的方式密封成太陽電池組件，以避免電池電極和互聯線受到腐蝕，另外封裝也避免了電池碎裂，方便了戶外安裝，封裝后一系列構件組合稱為光伏組件。太陽能光伏組件能夠直接吸收太陽能，并利用太陽能電池半導體PN 結的“光生伏特效應”將吸收的太陽能按光伏組件自身的轉換效率轉換為直流電能，為空調或蓄電池提供動力。光伏領域第三方市場調研與咨詢機構PVInfoLink 最新發布的2021年全球組件出貨排名顯示，前十大光伏組件供應商中，中國公司占據8 席，并包攬前6 名。光伏組件的最大產能和最先進技術均在我國。目前，光伏組件的轉換效率已高達23%，光伏組件主要靠提高轉化效率來降低成本，未來隨著光學優化（如使用透光性更高的鍍膜玻璃、反射性更強的背板）、電學優化（如使用多主柵、半片及疊瓦技術）、結構優化（如采用無框及雙面玻璃等結構），轉換效率還會更高[2]。

蓄電池是太陽能光伏空調中儲存能量的主要部件。夜間沒有光照，但依舊可能會有空調需求，陰雨天也是如此，因此一套合格的光伏空調系統，除了光伏組件、空調內外機之外，還需要配電單元與儲能單元。考慮太陽能具有間歇性和晝夜變化的特點，在光照充足的時段太陽能光伏組件能夠提供充足的電能保障系統工作，多余的電能輸向蓄電池或市政電網儲存，但在夜晚或多云的情況下，太陽能光伏組件不能提供足夠的電能，此時儲存在蓄電池內的電量或者市政電網的電量可以用作補充[3]。

由此得知，根據光伏發電情況及空調系統工作需求，以光伏直驅變頻離心機系統為例，光伏發電及蓄電池工作情況主要分為以下5 種情況。

（1）當純市政電網輸電工作模式時，光伏組件系統不發電，主機向市政電網取電運行，機組相當于常規高效變頻離心機，工作模式如圖3 所示。

圖3 純市政電網輸電工作模式

（2）當純光伏發電工作模式時，主機不工作，光伏發電系統所發電能全部向儲能電池或市政電網送電，機組提供光伏逆變器功能，系統相當于一個常規光伏發電站。

（3）當純光伏發電工作模式時，主機工作，光伏發電功率等于主機耗電功率，光伏發電系統所發電能全部用于主機耗電，光伏發電系統所發電能完全自發自用，對外實現零耗電。

（4）當純光伏發電工作模式時，若光伏發電功率大于主機耗電功率，光伏發電系統所發電能一部分用于主機耗電，其余剩余部分輸向儲能電池或市政電網。

（5）當純光伏發電工作模式時，若光伏發電功率小于主機耗電功率，光伏發電系統所發電量不滿足主機耗電量，需要從市政電網或儲能電池補充部分電能[4]。

2 光伏空調的應用分析

（1）光伏發電的降本增效。國家能源局日前公布2021 年光伏發電建設運行情況，數據顯示，2021 年我國光伏發電新增并網容量5488 萬kW，其中集中式光伏電站2560.07 萬kW，分布式光伏2927.9kW。近年來，隨著產業規模不斷擴大，技術迭代升級不斷加快，智能制造迅速推廣，光伏發電成本下降了90%以上。與此同時，我國光伏發電成本也有了大幅降低，截至2022 年已降至0.3 元/kW·h 時以內。“十四五”期間還將降到0.25 元/kW·h 以下，屆時光伏發電成本將低于絕大部分煤電。如進一步考慮生態環境成本，光伏發電的優勢將更加明顯。未來，光伏發電的成本還將進一步降低，而化石能源的環境成本、排放成本還會上升。

（2）光伏空調技術發明應用。光伏直驅變頻空調技術，將光伏直流電直接并入變頻空調機載換流器的直流母線，相比傳統的光伏發電+變頻空調模式省去了上網和供電時進行交/直流電轉換的能量損耗，提升系統效率6%～8%。首創三元換流技術，建立了光伏發電系統、變頻空調負載和公用電網三者之間的三元換流模型，現了電能在直流側雙向流動、多路混合。系統可實時切換五種運行模式，電能動態切換時間小于10ms。

（3）2021 年 11 月，格力舉行光伏（儲）直流變頻多聯機技術推介會，正式推出綠色節能技術——光伏（儲）直流空調系統。光伏（儲）直流空調系統由光伏系統、儲能系統、空調系統和能源信息管理系統組成，搭載格力光伏直驅變頻技術，不僅可以實現電力自發自用，還能夠將多余電量供給其他用電設備[5]。

（4）2021 年6 月，國家能源局綜合司下發關于報送整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點方案的通知。根據文件，項目申報試點縣（市、區）要具備豐富的屋頂資源、有較好的消納能力，黨政機關建筑屋頂總面積光伏可安裝比例不低于50%，學校、醫院、村委會等公共建筑不低于40%，工商業廠房屋頂不低于30%，農村居民屋頂不低于20%。隨著整縣光伏政策的推進，光伏的應用形式和分布式消納問題成為關鍵。光伏（儲）直流空調系統具有直流直驅、自發自用等特點，是對零碳電能的更高效利用，是一種新型的分布式發用電一體化解決方案，是整縣光伏政策在建筑上落地的最佳途徑。

3 光伏空調的發展方向

目前市場上已經有了一部分優秀的光伏空調產品，包括大型的光伏直驅變頻空調，中小型的光伏（儲）直流變頻多聯機，這些都是研發持續投入及技術創新的結果，說明我國在光伏空調領域已經取得了一定的成就。但在當今時代背景下，還是有4 點值得關注。

（1）太陽能有其天然不穩定性，因此光伏發電也有其不穩定性，這就增加了電網調控、平衡的難度，要加大智慧電網的建設。

（2）加快重大技術創新示范，推進儲能設備研發、標準制定、運行管理，推快儲能產業化發展，避免棄光棄電，穩定空調系統的電能供給[6]。

（3）將太陽能光伏空調系統運用在更廣泛的建筑節能領域中，設計時要考慮到太陽能光伏空調系統的空調效果與節能效果，運行管理時也要糾正人們使用空調的不良習慣，如避免空調溫度的過高或過低、無人使用時空調應及時關閉等行為。

（4）光伏空調用電自給自足，為了保證全天候運轉，必須備足足夠的儲能。大型項目空間開闊，可以安裝足夠的光伏組件與儲能單元，保障日常用電。但是家用光伏空調沒有這樣的光伏組件安裝條件，即使有安裝條件，設備成本也比較昂貴。未來的家用光伏空調需要質優價廉，才能走進尋常百姓家中，惠及人民。

4 結語

由于晝夜變換、陰雨及季節等自然因素的影響，以及光伏空調設備成本因素的影響，太陽能光伏空調目前僅在重點項目或大型項目中應用，光伏空調在推廣的道路上依然有許多困難需要解決，未來要實現規模化推廣和應用還任重道遠。為了更好地發展太陽能光伏空調，開拓太陽能空調新領域，要加快太陽能光伏組件和光伏直驅技術的突破，加快研究制冷技術與光伏發電技術的改變，使得太陽能光伏空調能規模化推廣和應用到更多的建筑當中。