光伏新能源技術在城市智能建筑電氣中的應用

曹 剛

（中國能源建設集團山西電力建設第三有限公司 山西 太原 030006）

隨著我國建筑業的持續繁榮，一批以建筑為主體的智能化建筑開始涌現。雖然智能家居、智能安全監控管理小區等一系列智能建筑，正在為社會創造安全、高效、便捷、健康的智能建筑物居住環境，但是也給人類的生存和發展帶來大量的能耗消耗。現在全球倡導可再生能源利用，而光伏作為新能源之一，很多國家都在關注。尤其建筑方面，美國從2010 開始，就推出“百萬太陽能屋頂計劃”，而歐美國家的光伏技術已經占據建筑的40%以上。盡管我國光伏行業發展很快，但是我國光伏新能源技術在建筑工程中的運用，還停留在理論層面，運用到建筑工程中還很少。因此，開展光伏新能源技術在城市智能建筑電氣中的運用，不僅可以從根本上解決城市智慧建筑電氣的高能耗問題，還可以推進光伏新能源技術在城市智慧建筑電氣系統中的應用，從而促進我國智慧建筑電氣的發展。

1 光伏新能源技術概述

我國在實現社會主義現代化進程中，能源對社會、經濟的發展起到了重要作用。當前，我國經濟處于高質量發展時期，能源需求巨大，因此必須重視能源資源的開發和利用。而在可持續發展和綠色經濟發展理念深入人心的背景下，國家發展對能源的種類和要求越來越高。由于太陽能是一種可再生、潔凈的新能源，在解決我國能源使用問題上有著顯著的作用，已成為國家發展新能源的一個重要趨勢。如果要將光伏新能源技術在城市建筑中進行科學合理的應用，那么一定要對光伏新能源技術的有關內容有充分認識，對其應用環境、應用條件等進行詳盡的分析，為光伏新能源技術的應用提供理論支撐[1]。另外，利用光伏新能源技術在建筑電力系統中的優勢，進行安裝、維護、工作區等方面的規劃，并盡可能地避開較高建筑的遮蔽范圍，使其得到更多的陽光，從而不降低器件的工作效能。

2 光伏新能源的優勢

光伏發電站與建筑相融合建設，具有安裝靈活、占地面積少等特點，將其安裝在城鎮居民的屋頂墻上，方便有效接受太陽照射，隨時接收太陽能，大大節約建筑的使用空間。只有在太陽光不斷照射下，才可以正常進行發電，發揮出基礎設施建設的效果。光伏發電站的使用不會產生任何溫室氣體，也不會產生有毒、有害的氣體，能對石油和煤炭等非再生資源而導致大量的溫室氣體現象，及時有效地改善。另外，由于光伏系統的價格越來越低廉，降低了太陽能光伏系統的運行和維護費用，就具備了經濟合理、穩定和安全的優勢。最后，隨著太陽能電池發電效率不斷提升，以及太陽能電池系統的使用日趨成熟，配置普通型式的太陽能電池板，即可以基本滿足家庭、企業的能量需要，可以將資源節約得到最大程度的發揮。

光伏新能源技術有3 個方面優勢。第一，隨著新一代光伏新能源技術的不斷發展，光伏新能源技術能夠有效地調節光伏峰值電壓，極大地提高光伏電網系統的運行穩定性。相對于常規的發電技術，光伏新能源技術投入小。將新型光伏新能源技術引入到智能城市的電氣工程中，還能有效地提高城市資源的利用效率。第二，采用光伏新能源技術，用光伏半導體所產生的發電微效應為整個建筑電氣系統提供電力，而電力消耗低、沒有靜電污染，能滿足電氣系統的節能要求。目前，可以在建筑外墻、屋頂上安裝光伏發電系統，為建筑提供大量的電能。其中，要想將光伏板的優點充分利用起來，必須做好光伏板的安裝和維護工作，還要對其進行合理布局，避免被周邊的建筑所遮蔽，從而讓光伏板更好地接收到太陽能，提高發電率。第三，光伏發電站與建筑相融合，占用空間小，可按照建筑具體條件來選取光伏板的安裝面，并依據建筑物周圍的環境進行合理布局，以此達到光伏電站的最佳運行效率。同時，光伏電站的建設與利用具有顯著的經濟效益，更大程度節省建筑的使用空間，在建筑裝置和美化中也起到了重要的作用。

3 智能化建筑電氣節能技術的問題分析

隨著智能化的不斷推進，我國建筑事業也得到了快速的發展，尤其是近幾年民用智能化建筑得到廣泛的應用。當前，智能家居、智能建筑小區安防與管理等在現代樓宇中的應用，極大地豐富了建筑的功能性，給人們的日常生活帶來方便。同時，隨著智能化的發展和應用，人們居住環境得到提高的同時，能耗問題也日益突出，而建筑能源中電力的消費是最主要的一環。因此，節能降耗將成為智能化發展首先考慮的問題。目前，隨著新能源領域的快速發展，太陽能技術已經變得越來越成熟，并且已經被運用到城市智能化建筑的電氣系統中，用于節能控制。但在實際中，工業智能化建筑電氣系統的關鍵節能控制技術出現了問題，主要原因就是建筑安全自動化和智能化專用電氣設備，決定系統是否能夠實現可持續發展。此外，新型光伏發電技術能對太陽能資源進行有效開發與應用，能夠有效地解決智慧城市的節能問題。通過光伏新能源技術在城市智能建筑電能中的運用研究，充分利用技術優勢，更好地去提高城市建筑的智能化程度[2]。

4 光伏新能源技術的應用要點

實施光伏新能源技術在智能建筑中的應用需有一個清晰的認識，必須通過具體實例，對光伏新能源技術的應用思路、應用操作以及應當考慮的問題等進行歸納，從而為光伏新能源技術的將來應用提供更為切合實際的借鑒材料和經驗。本文以一個典型的建筑屋頂光伏為研究對象，分析光伏新能源技術在建筑中的使用情況，并提出相應的解決方案。

1） 太陽能電池陣列設計。將城市特定環境及光照資源的實際需求相結合，根據建筑自身特征，選擇的光伏模塊為單晶硅光伏模塊，光伏組件具有成本較低，轉換效率較高，其商業化效率可達到16%～20%，實現太陽能資源的最大利用。同時，經過成本效益測算及市場分析，確定項目太陽能光伏組件為545 W。在這些電池中，鎳鎘電池及鉛酸鹽電池的單體浮充電壓分別為1.4～1.6 V 及2.2 V。基于電池浮充電壓控制，要對24 h 內負荷的能耗P進行計算。此外，還應根據具體的需求確定蓄電池組的工作電壓VP。其中，前者的計算公式為

式中：V 為負荷的額定電壓；HI 為太陽能電池板的運行電流。后者的計算公式為

式中：VP 為太陽電池板的工作電壓；VF 為電池的充電電壓；VD 為0.5～0.7 之間的反向充二極管P-N節點上的壓力下降；VT 為由于溫度上升導致的太陽電池的升溫電壓。

2） 表面太陽能輻射計算。當光伏新能源技術用于智能建筑電氣系統時，表面的太陽能輻射是一個很有實際意義的問題。在對太陽能進行使用時，必須進行太陽輻射進行模擬，并根據模擬的成果進行設計、使用等，從而保證太陽能的可持續使用，同時也保證在智能建筑中的正常使用。光伏陣列水平面太陽能輻射量計算公式為

式中：RD 為傾斜的光伏陣列面的太陽總輻射的量；D 為輻射的散射率；S 為水平方向的陽光直射率。利用輻射量的計算結果與發電量結果進行轉換，確定智能建筑的光伏荷載量[3]。

3） 光伏系統效率計算。光伏系統的效率與兩個因素有關，一是太陽能電池板的轉換效率，即發電效率；二是所發電力在并網過程中產生的損失。其中，光伏發電的總體效率主要取決于光伏發電的光伏發電效率、逆變器的發電效率以及光伏發電的發電效率。在實踐中，太陽能電池板的光電轉換效率是太陽能電池板在光照強度為1 000 W /m2時的真實直流輸出功率與額定功率之比，換流站的效率是交流電力與直流電力之比。其中，交流并網效率是逆變器輸出和高壓電網傳輸效率，以升壓變壓器效率為基準。光伏系統總效率=光伏陣列效率×逆變器效率×交流并網效率，在對光伏系統利用率進行分析，應根據工程大小及具體的需求來確定。

4） 其他。在太陽能光伏系統中，需要建立一個控制系統，對電氣和能源展開一系列的控制。此外，還需要建立環境監測系統和數據監測系統，對日照輻射量、環境溫度及風速等相關環境數據進行檢測，將信息記錄并反饋到系統中，利用傳感器和儀表來獲得功率、電流、電壓、容量等相關數據，進行最優控制和能源管理，提供強大的數據支撐。同時，太陽能光伏系統應安裝防雷和接地裝置，并根據相關防雷規范的要求和當地周圍環境條件，接地裝置要符合電氣及安全規范的相關規定，保證光伏系統能夠實現安全、穩定的運行[4]。

5 光伏新能源在建筑電氣的應用前景分析

1） 新型空調。把光伏新能源技術運用到空調等建筑用電設備上，借助智能控制器，展開合理的使用，對建筑內部的溫度綜合調控。同時，綜合使用光電蓄能電池的能量，按照智能控制邏輯進行加熱和保溫冷卻，并在供暖制熱的過程中，以儲存的太陽能和其它光能為主要能源，達到潔凈環保的目的。在太陽照射下，生成的熱能在儲蓄電能及制熱保溫過程時，將一些能源轉化成熱能，借助介質保溫保熱。一般而言，發熱器的溫度愈高，發出的熱量就愈多，加熱的速度也就愈快。因此，通過多層熱能媒介疊加，提升傳熱和隔熱的效率。另外，在整個建筑中長期使用制熱或制冷，會導致室內溫度循環不好，需要利用智能建筑控制技術，并與太陽能光伏發電技術相結合，解決建筑的濕熱循環，將濕度控制在一個合理的、舒適的水平上。其中，光伏發電系統技術將室內和室外的設備結合起來，使用太陽能開放式循環系統，對空氣和水蒸氣等周期性進行溫度和水分的調節，既節約能源又提高效率，還可以最大限度地降低固態碳的排放，而且運行和管理也要比一般的濕熱處理器更加簡便。

2） 光伏系統與建筑集合。將太陽能光伏發電系統與建筑結合，利用太陽能光伏模塊、光伏發電配套設備等光伏系統集成安裝在建筑物的外部，最大限度吸收太陽光，成為建筑的一個組成部分。其中，要對建筑功能及安全等因素進行全面的分析，將光伏模塊設置在建筑的各個方面，通過儲蓄設備將能源收集起來，以滿足建筑的多種應用。目前，許多大型光伏建筑都安裝光伏板，通過光伏新能源技術的普及，促進我國光伏發電城市化的發展[5]。

6 結束語

當前，我國一直在倡導低碳經濟，奉行可持續發展戰略，進行節能技術的推廣。而光伏新能源作為一種可再生資源，穩定、高效、持續地提供能源，用于智能建筑的電力開發。此外，光伏太陽能屬于可開發的清潔能源，有效緩解能源不足的問題，還具有污染小、可再生等優點。因此，進行光伏新能源技術研究，可實現光伏太陽能的開發和利用，為解決城市能源短缺等問題產生積極的影響。