新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排探討

摘要：隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，各行各業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)型。建筑行業(yè)作為碳排放大戶，成為推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要影響因素。在此背景下，建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展使光伏發(fā)電在建筑電氣中迎來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇?；诖?，我國(guó)建筑行業(yè)應(yīng)明確新能源光伏發(fā)電技術(shù)在建筑電氣項(xiàng)目建設(shè)中的重要作用及運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，彰顯技術(shù)利用價(jià)值，減少能源消耗和建設(shè)污染等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；建筑電氣；節(jié)能減排

DOI：10.12433/zgkjtz.20233102

光伏與建筑的結(jié)合不應(yīng)僅考慮光伏裝機(jī)量，還要考慮光伏發(fā)電建材與建筑設(shè)計(jì)、城市環(huán)境風(fēng)貌、區(qū)域文化元素等的關(guān)系，應(yīng)利用光伏建材可靈活定制顏色、圖案、尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)厚度、透光度等優(yōu)勢(shì)，將光伏建材產(chǎn)品融入建筑設(shè)計(jì)。光伏建材需滿足安全、美觀、實(shí)用、耐用、經(jīng)濟(jì)五大條件，與常見(jiàn)光伏電站中的光伏組件相比，建筑中應(yīng)用的光伏建材產(chǎn)品要求更高。光伏建材產(chǎn)品在滿足安全的前提下，既要滿足業(yè)主、建筑設(shè)計(jì)師對(duì)美觀、透光度、尺寸等方面的需求，又要堅(jiān)固耐用，具備較強(qiáng)的發(fā)電能力和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)滿足以上需求的難度較大。

一、概述

（一）光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的一種發(fā)電形式，在電力生產(chǎn)過(guò)程中主要通過(guò)硅晶電池實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能的轉(zhuǎn)化，再利用控制器將得到的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，控制器也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電的調(diào)節(jié)。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有離網(wǎng)光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電三種，無(wú)論哪種發(fā)電形式，均會(huì)受到外界環(huán)境的影響，因此加強(qiáng)對(duì)光伏發(fā)電影響因素的研究，對(duì)提高電氣節(jié)能效果具有重要意義。

（二）建筑電氣節(jié)能減排的原則

在建筑電氣節(jié)能減排工作中，為了使該工作目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，必須注意遵循以下工作原則：第一，遵守相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，合理規(guī)劃建筑用能用電，按照分類分項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以此及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能資源的過(guò)度損耗問(wèn)題，分析原因并解決，確保電氣節(jié)能減排工作目標(biāo)可以高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)。第二，建筑工程人員要高度重視節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)工作，把握節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)工作的核心內(nèi)容，不斷加強(qiáng)對(duì)節(jié)能環(huán)保新技術(shù)新產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，利用新技術(shù)、新方案、新產(chǎn)品提高建筑電氣節(jié)能減排水平，從而降低建筑電氣使用成本和運(yùn)行能耗，提升項(xiàng)目整體的經(jīng)濟(jì)效益。第三，各類建筑工程不僅要重視經(jīng)濟(jì)效益，還要以節(jié)能環(huán)保原則為準(zhǔn)則，選用電氣節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品，大力發(fā)展綠色建筑，提升建筑工程周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為大眾提供宜居的環(huán)境。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已相對(duì)成熟，設(shè)備穩(wěn)定可靠，回收成本高，符合建筑電氣節(jié)能減排的各項(xiàng)要求，因此可廣泛應(yīng)用于各類建筑工程項(xiàng)目中。

二、建筑電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

（一）環(huán)保意識(shí)不足，對(duì)節(jié)能技術(shù)不夠重視

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題。結(jié)合當(dāng)前施工實(shí)踐來(lái)看，建筑施工單位的管理水平普遍較低，管理人員環(huán)保意識(shí)不足，尚未充分重視節(jié)能技術(shù)，導(dǎo)致無(wú)法充分發(fā)揮節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用作用。同時(shí)，施工技術(shù)與管理模式有待完善，需要不斷提高施工效率，減少資源浪費(fèi)，避免施工成本增加，降低經(jīng)濟(jì)效益，影響生態(tài)環(huán)境。

（二）電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題

1.頻率控制策略

主要通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)組的有功功率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。常見(jiàn)的頻率控制策略包括主動(dòng)功控制、無(wú)功功率控制、風(fēng)險(xiǎn)約束控制等。新能源發(fā)電設(shè)備可以參與頻率控制，通過(guò)調(diào)整其有功輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐。

2.新能源發(fā)電

對(duì)頻率穩(wěn)定性有所貢獻(xiàn)的新能源發(fā)電設(shè)備，例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以在一定程度上參與系統(tǒng)頻率控制。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)調(diào)整其葉片角度實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)；光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)逆變器控制實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)整，這都有助于提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

（三）成本壓力過(guò)大，節(jié)能技術(shù)落實(shí)不到位

雖然在低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念下，建筑行業(yè)對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的重視程度越來(lái)越高。然而，結(jié)合建筑工程實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，建筑行業(yè)所需的投資成本也是其他行業(yè)無(wú)可比擬的，例如，在電氣設(shè)計(jì)的過(guò)程中，建筑企業(yè)會(huì)為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)成本指標(biāo)，要求設(shè)計(jì)人員在成本的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)人員在巨大的成本壓力之下，基本也無(wú)法選擇節(jié)能設(shè)備。

三、新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排探討

（一）培養(yǎng)高素質(zhì)的光伏發(fā)電技術(shù)隊(duì)伍

在建筑工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)及維護(hù)階段，為了進(jìn)一步高質(zhì)量落實(shí)新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，要加快培養(yǎng)光伏發(fā)電技術(shù)專業(yè)工作人員，采取有效措施提升人才隊(duì)伍的專業(yè)綜合素質(zhì)，使工作人員掌握光伏發(fā)電技術(shù)的核心內(nèi)容，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的高利用效率，助力建筑工程節(jié)能減排工作目標(biāo)的有效完成。此外，建筑電氣工程設(shè)計(jì)工作要滿足國(guó)家及地方性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的需求，同時(shí)結(jié)合建筑工程的實(shí)際，有針對(duì)性地應(yīng)用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)，并在實(shí)施過(guò)程中不斷優(yōu)化光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用方案、系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備選型。這一舉措能降低光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用成本，充分發(fā)揮光伏發(fā)電的核心價(jià)值。

（二）光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

1.技術(shù)特點(diǎn)

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)將太陽(yáng)能電池組件所產(chǎn)生的直流電力經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成AC電力，再由公用電網(wǎng)進(jìn)行供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分集中式和分散式兩類。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特征是將電力直接傳輸至電網(wǎng)，再通過(guò)電網(wǎng)對(duì)不同用戶進(jìn)行統(tǒng)一分配，適合大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電站；而光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的互聯(lián)互通，通過(guò)與電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)電能的輸出和負(fù)載的供應(yīng)，也可以將多余的電能輸入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源的互補(bǔ)和共享。通過(guò)充分利用電網(wǎng)的支持和保護(hù)功能，光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中能保證電能輸出的穩(wěn)定性和可靠性，也能確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)雙方的互惠互利。

2.節(jié)能節(jié)排功能

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)可為建筑提供綠色能源，促進(jìn)電氣節(jié)能減排效果。該技術(shù)可利用建筑物屋頂、車棚，在不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)及防水性能的基礎(chǔ)上建設(shè)光伏構(gòu)件，由此減少能源消耗，降低室內(nèi)屋頂、地面的溫度，降低生產(chǎn)用電成本。例如，10kW及以上的分布式光伏電站在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中，用直采的方式接入有關(guān)的調(diào)度機(jī)構(gòu)。在此過(guò)程中，可使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)，需保障使用的數(shù)據(jù)滿足調(diào)度數(shù)據(jù)的采集和頻率需求。

（三）太陽(yáng)能屋頂

目前，在建筑物頂部安裝太陽(yáng)能板是一種較普遍的太陽(yáng)能利用方式，隨著建筑行業(yè)發(fā)展水平提升和建筑工程量增加，可以在大多數(shù)高層建筑屋頂發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能板的身影。將太陽(yáng)能板安裝在建筑屋頂能實(shí)現(xiàn)光照范圍最大化，設(shè)備與屋頂結(jié)構(gòu)緊緊貼合還能減少風(fēng)力對(duì)建筑的影響。太陽(yáng)能屋頂能代替屋頂結(jié)構(gòu)，降低材料用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

其優(yōu)點(diǎn)在于：第一，屋頂是建筑物外側(cè)最大的閑置空間，是建筑物中適合安裝太陽(yáng)板的位置，高效利用屋頂可大幅提升建筑物的空間利用率。第二，由于屋頂?shù)男逼屡c水平方向都比地面更高，因此屋頂是吸收日光最好的位置。在屋面設(shè)置水平或傾斜的平面，吸收的太陽(yáng)輻射量將超出垂直立面吸收的太陽(yáng)輻射量。

在建筑物屋頂安裝太陽(yáng)能板，屋頂結(jié)構(gòu)不會(huì)影響建筑物的總體美感。尤其對(duì)于城市化建設(shè)較完善的區(qū)域，可在已有建筑基礎(chǔ)上提升建筑的環(huán)保性。如果將太陽(yáng)能板設(shè)置在建筑外墻，可能會(huì)由于操作不當(dāng)影響周邊行人與居民的視線，造成眩光污染。建筑密度較高的城市，其外墻遮擋現(xiàn)象較嚴(yán)重，多數(shù)地方不適合安裝太陽(yáng)能板，即使安裝發(fā)電效率也較低。

如果將太陽(yáng)能板應(yīng)用于高層建筑屋頂，可在建筑物與陽(yáng)光間建立一種“過(guò)渡”結(jié)構(gòu)，提升建筑物的保溫隔熱效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。目前，國(guó)內(nèi)已有較成熟的太陽(yáng)能屋頂設(shè)計(jì)技術(shù)，無(wú)論是前期的安裝工作還是后期的維修工作，工藝都較簡(jiǎn)便，可推廣運(yùn)用。

（四）逆變器的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏逆變器是光伏系統(tǒng)中的核心部分，主要功能是將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，再經(jīng)過(guò)逆變器將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，從而輸出電能。太陽(yáng)能光伏逆變器根據(jù)控制方式可以分為有源逆變和無(wú)源逆變。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是核心設(shè)備，其性能和質(zhì)量決定了光伏系統(tǒng)的工作效率、可靠性以及安全性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從以下方面進(jìn)行考慮。

1.系統(tǒng)容量

光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常包括多塊光伏組件，在實(shí)際安裝過(guò)程中，應(yīng)詳細(xì)分析太陽(yáng)能電池組件的功率以及安裝位置，確保逆變器穩(wěn)定運(yùn)行。

2.運(yùn)行模式選擇

逆變器需要選擇運(yùn)行模式。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括MPPT和最大功率點(diǎn)跟蹤兩種運(yùn)行模式。其中，MPPT模式可以使光伏電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，從而輸出電能；而最大功率點(diǎn)跟蹤模式是使光伏電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，從而使其輸出電能。

3.孤島檢測(cè)裝置

孤島檢測(cè)裝置主要是用來(lái)檢測(cè)光伏系統(tǒng)中是否出現(xiàn)故障，確保光伏系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4.防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。一般采用防雷器對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，能有效避免由于雷擊而造成的嚴(yán)重后果。

（五）光伏電池板安裝方式

為了更好地利用光能，科學(xué)安裝光伏電池板也是提高光伏發(fā)電效率、降低企業(yè)能耗的重要途徑?，F(xiàn)階段，光伏電池板安裝方式主要包括固定式、單軸跟蹤式以及雙軸跟蹤式三種。

固定式是將光伏電池板固定安裝在某個(gè)位置，并處于靜止不動(dòng)，該種安裝方式應(yīng)用廣泛、安裝方式簡(jiǎn)單、安全性高，也是三種安裝方式成本最低的一種。

單軸跟蹤安裝形式主要借助單軸自動(dòng)跟蹤器對(duì)光伏電池板的角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)化調(diào)整，主要根據(jù)外界光照強(qiáng)度的變化而改變，相比較固定式安裝方式最多可提高30%的發(fā)電量。當(dāng)前，單軸自動(dòng)跟蹤安裝方式也分為單軸跟蹤和極單軸跟蹤，極單軸跟蹤安裝方式由于施工成本較高，容易受到大風(fēng)的影響，應(yīng)用并不廣泛。

雙軸跟蹤安裝方式是根據(jù)太陽(yáng)光的照射情況可以轉(zhuǎn)向各個(gè)方向，雙軸系統(tǒng)可以最大程度上利用太陽(yáng)輻射的光能。該種安裝方式能在光照資源較差的地方應(yīng)用，吸收太陽(yáng)能，相比較固定式安裝提高40%的發(fā)電量，但造價(jià)較高，安裝技術(shù)有待進(jìn)一步完善。基于此，本文光伏新能源節(jié)能改造采用固定式安裝方式，以此降低改造項(xiàng)目對(duì)企業(yè)所產(chǎn)生的成本壓力。

（六）光伏列陣技術(shù)

依靠單一光伏電池產(chǎn)生電能無(wú)法滿足供電需求，還需采用光伏列陣技術(shù)進(jìn)行多塊光伏電池排列組合，在實(shí)現(xiàn)電能充分采集的同時(shí)，利用逆變器等設(shè)備將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而實(shí)現(xiàn)供電目標(biāo)。而設(shè)計(jì)光伏列陣需要根據(jù)太陽(yáng)照射角度、時(shí)長(zhǎng)等因素分析光伏發(fā)電效率，根據(jù)不同地區(qū)和季節(jié)的光照強(qiáng)度變化進(jìn)行研究，采取適合的方法進(jìn)行光伏電池排列，確保列陣可以盡可能輸出更多電能。采用跟蹤技術(shù)監(jiān)測(cè)光伏電池最大發(fā)電功率，通過(guò)檢測(cè)電流和電荷與同場(chǎng)其他電池進(jìn)行比較，確定電能轉(zhuǎn)換慢的原因，提出有效改進(jìn)措施，確保有效提高光伏發(fā)電效率。在光伏列陣的最大開(kāi)路電壓處，確認(rèn)列陣輸出電壓不超逆變器最大允許輸入電壓，電流不超逆變器最大輸入電流，通過(guò)調(diào)整串聯(lián)組件數(shù)使功率輸出接近逆變器額定功率。使列陣的電壓、電流和功率與逆變器匹配，實(shí)現(xiàn)最高逆變效率，為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電奠定基礎(chǔ)。

（七）逆變器的設(shè)計(jì)

第一，系統(tǒng)容量。光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常包括多塊光伏組件，在實(shí)際安裝過(guò)程中，應(yīng)詳細(xì)分析太陽(yáng)能電池組件的功率以及安裝位置，確保逆變器穩(wěn)定工作。第二，最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法。為了保證太陽(yáng)能電池組件的功率持續(xù)輸出，需要對(duì)其進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法的設(shè)計(jì)。最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法主要分為無(wú)反饋和有反饋兩種算法，常用的是有反饋法，可以減少跟蹤誤差，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，建筑工程行業(yè)迎來(lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇，但隨著建筑工程數(shù)量的日益增多，建筑電氣能耗快速增加，不僅加劇了傳統(tǒng)化石資源消耗，也不利于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的維護(hù)。因此，隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新能源光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)可以有效降低建筑電氣工程的用電能耗，解決環(huán)境污染問(wèn)題，打造真正的“綠色建筑”，并加快實(shí)現(xiàn)建筑電氣節(jié)能減排目標(biāo)，促進(jìn)建筑行業(yè)的穩(wěn)步和健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]甄平利.光伏發(fā)電工程的技術(shù)分析與項(xiàng)目管理研究[J].設(shè)備監(jiān)理，2019（08）：28-29.

[2]李長(zhǎng)耀.試論新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排[J].百科論壇電子雜志，2019（10）：274.

[3]范凱興.建筑電氣節(jié)能中光伏新能源的應(yīng)用分析[J].城鎮(zhèn)建設(shè)，2020（09）：360.

[4]黃德水.光伏發(fā)電技術(shù)及光伏發(fā)電項(xiàng)目施工管理分析[J].光源與照明，2022（05）：128-130.

作者簡(jiǎn)介：亢濤（1984），男，山西省襄汾縣人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。