太陽能光伏發電技術在建筑電氣系統中的 應用探究

郭潤梅

蘭州石化職業技術大學，甘肅蘭州，730060

0 引言

隨著科技的發展和全球能源結構的轉變，人們對環境的保護也在增強，同時，由于化石能源資源的有限性，以及它在燃燒過程中對全球環境和氣候所產生的影響日益嚴重，因此，從資源、環境、社會發展的需求來看，開發和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢，其中，光伏發電技術以其清潔、高效、可再生的特性，在建筑電氣系統中發揮著越來越重要的作用。

1 光伏發電技術在建筑電氣系統中的應用現狀

1.1 光伏發電技術在建筑電氣設計中的應用現狀

隨著我國經濟的飛速發展，眾多科技成果得以廣泛推廣，新能源技術在生產及生活領域的發展與應用更加廣泛，與此相關的技術研發碩果累累。尤其是近年來在經濟政策良好的背景下，光伏新能源技術的發展日新月異，不論是研發層面，還是生產應用層面，都有顯著的成效。然而，在建筑電氣設計領域，光伏新能源技術的應用仍有待深化。現階段，光伏新能源技術在建筑電氣節能領域的應用尚不全面，實際工程應用普遍以分布式光伏發電為主導，政府方面采取鼓勵自發自用及電費補貼政策的方式推動該項技術的實際運用[1]。

1.2 光伏發電技術在建筑電氣系統中的應用領域

（1）獨立光伏發電系統：這種系統主要應用于偏遠地區或電力供應不穩定的地區。其優點是能夠自給自足，減少對傳統電網的依賴，同時還能為建筑物提供一定的電力。

（2）并網光伏發電系統：這種系統將光伏電池板產生的電能直接輸送到電網中，與電網實現電能的共享。其優點是能夠充分利用太陽能資源，提高電力系統的效率。

（3）混合光伏發電系統：這種系統結合了獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統的特點，既能自給自足，又能與電網實現電能的共享。

由此可見，光伏發電技術在建筑電氣系統中有廣泛的應用領域。首先，光伏發電技術可以應用于建筑的能源供應，通過將光伏電池組件安裝在建筑的外墻、屋頂或遮陽設施上，將太陽能轉化為電能并供給建筑內部使用。其次，光伏電池組件也可以用于建筑外立面的裝飾，起到美化建筑外觀的作用。此外，光伏發電技術還可以應用于建筑的照明系統、空調系統和電梯系統等，減少對傳統能源的依賴，提高建筑的能源利用效率。

1.3 光伏發電技術在建筑電氣系統中的優勢和存在的問題

（1）優勢：光伏發電技術具有清潔、高效、可再生的特性，能夠減少對化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，同時還能為建筑物提供可靠的電力供應。

（2）存在的問題：盡管光伏發電技術在建筑電氣系統中有著廣泛的應用，但仍然存在一些問題。首先，光伏電池組件的制造成本較高，導致光伏發電系統的投資回收周期較長。其次，光伏發電技術的能源轉化效率較低，需要進一步提高。此外，光伏發電技術在陰天或夜晚的發電能力較弱，無法滿足建筑電氣系統的持續需求。另外，光伏電池組件的壽命有限，需要定期更換和維護，增加了系統的運營成本。這些問題對于光伏發電技術在建筑電氣系統中的應用提出了一定的挑戰。

1.4 解決方案

首先，通過技術的創新和工藝的改進，可以降低光伏發電系統的制造成本，提高光電轉換效率。其次，可以通過結合儲能技術，解決光伏發電系統在能源儲存方面的問題，使其能夠持續供電。此外，還可以通過智能控制系統，實現對光伏發電系統的優化管理和運行控制，提高其整體性能。

2 光伏發電技術概述

2.1 光伏發電技術的原理和分類

光伏發電技術依據半導體PN結具有的光生伏特效應原理實現。當光伏電池內的PN結接收到太陽光照射的情況下，因擴散運動的影響，將會使得P區與N區分別處在帶正電及帶負電的狀態，從而在PN結兩端位置出現電勢差。如此，將電池與外接電路進行連接后，就能夠出現電流與電壓，實現太陽能與電能兩者的能量轉換[2]。

在建筑領域，光伏電池分為以下兩種類型：一是晶硅太陽能電池，參照晶硅數量的差異，又能夠劃分為單晶硅與多晶硅兩類太陽能電池；二是薄膜太陽能電池，參照光電轉換材料的差異，能夠分為有機聚合物、硅以及銅銦鎵硒等多種形式。現階段，雖然晶硅太陽能電池的市場份額更高，但其存在成本投入高昂、難以彎曲等不足之處，一定程度上限制著其發展與應用。相較而言，柔性薄膜太陽能電池表現出可彎曲、質輕等優勢，因而更易于與建筑協同使用，是近些年研究的熱點內容[3]。

2.2 光伏電池的類型和特性

光伏電池的種類繁多，其分類依據主要是材料使用及結構特點。常見的光伏電池類型包括單晶硅、多晶硅、非晶硅以及復合材料等。各類光伏電池各具特色，例如，單晶硅電池以其高轉換效率、優良穩定性以及較長使用壽命等特征而廣泛運用，不足就是需要投入的成本偏大；多晶硅電池盡管成本投入相對較低，但是穩定性及轉換率方面都會略遜一籌；非晶硅電池以其靈活性和輕薄性得以脫穎而出，然而轉換效率卻相對較差；復合材料電池則通過整合各種材料優勢的方式，實現成本與效率的平衡，是研究的重點方向。

3 建筑電氣系統中光伏發電技術的應用

3.1 必要性

（1）城鎮建筑能源消耗大

近些年，我國城鎮化建設的發展步伐持續加快，取得了顯著的建設成效。然而，值得關注的是，每年新建的建筑接近八成屬于傳統高能耗建筑，加之現有建筑帶來的大量能源消耗，使得每年我國建筑能耗占比接近三成。值此能源危機日益嚴重的背景下，光伏發電技術憑借自身低能耗的綠色能源技術優勢，被大力倡導應用到建筑領域。因此，積極做好建筑電氣系統領域光伏發電技術的發展與應用研究，具有突出的實踐意義。

（2）滿足無電地區建筑物的用電需求

現階段，我國仍存在很多未通電的偏遠貧困地區，這嚴重影響了當地居民的生產與生活。而光伏發電系統在建筑設計領域的應用，能夠直接通過太陽光照的方式實現建筑物電能供應的效果，進而滿足偏遠地區的居民用電。

3.2 應用探討

作為創新性的技術發展與應用，建筑內部光伏系統的核心在于將光伏組件融入建筑內部，進而達到可持續供應電能的目標。此類技術的實際應用涵蓋光伏窗戶以及室內太陽能光管等。其中，室內太陽能光管一般選取的是光導管道，借助墻壁或者是屋頂的支持將自然光引入到管道內，不僅能夠滿足室內采光需求，而且能夠通過管道內部分布的光伏材料作用獲得電能，滿足用電需求；光伏窗戶則通過透明狀的太陽能電池板支持，把室外照射的太陽光進一步轉化成電能，滿足用電需求。這些技術的發展與應用，能夠達到電力供應與自然采光的作用效果，在降低建筑電能消耗的同時，還能夠對建筑內部的采光情況進行改善，有助于落實節能環保政策。

4 關鍵技術

4.1 光伏電池技術

光伏電池是光伏發電系統的核心部件，其轉換效率直接影響到光伏發電系統的發電量和功率。目前，光伏電池技術正在不斷發展和改進，包括提高電池的轉換效率、降低生產成本、提高使用壽命等。

4.2 光伏組件設計

光伏組件是光伏發電系統中的基本單元，其設計需要考慮到電池片的性能、封裝材料、結構形式等因素。同時，還需要考慮到組件的安裝和使用環境，確保其能夠適應不同的氣候和環境條件。

4.3 逆變器技術

逆變器是將直流電轉換為交流電的關鍵設備，是光伏發電系統中必不可少的組成部分。逆變器的性能和效率直接影響到光伏發電系統的供電質量和能源利用效率。因此，逆變器技術的研究和改進也是光伏發電技術在建筑電氣系統中應用的關鍵之一。

4.4 能源管理系統

能源管理系統是建筑電氣系統中的重要組成部分，其作用是對建筑內的能源消耗進行監測和管理。在光伏發電系統中，能源管理系統需要考慮到光伏電池的供電特性，對光伏電池的輸出功率進行控制和管理，以保證建筑的能源供應和節能減排。

4.5 建筑集成光伏技術

建筑集成光伏技術是將光伏發電系統與建筑相結合的一種技術，可以在保證建筑外觀和功能的同時，實現建筑的可持續發展和節能減排。這種技術包括將光伏電池集成到建筑的外墻、屋頂、窗戶等部位，以及將光伏發電系統與建筑的暖通、空調、照明等系統相結合，實現能源的多元化利用。

4.6 故障診斷技術

在建筑光伏發電系統的功能實現中，故障診斷技術發揮著至關重要的影響作用。在實際投入使用的過程中，逆變器以及光伏組件等極易面臨老化以及破損等故障。若是無法及時對這些故障進行診斷與處理，則很大程度上妨礙系統功能運轉的穩定性與電能產生的效率。因此，應當重視故障診斷技術的發展，根據故障類型的差異，合理選擇數據分析軟件、紅外熱像儀等診斷技術，及時找到故障位置及故障原因，進而有針對性地采取排障措施，盡快讓系統恢復到正常工作狀態。

4.7 運行維護技術

在建筑光伏發電系統內，需要重視定期巡檢、組件清潔以及電路狀態檢查等一系列運行維護技術，依托科學、合理的維護管理，減輕系統出現故障的風險程度，確保系統能夠長時間處在穩定、有序的工作狀態。同時，還應當關注以下四個方面：一是安全防護，嚴格遵循安全規范進行維護作業，避免意外事故的出現；二是環保意識，維護期間需要重視環保問題，不能因維護工作影響到生態環境；三是設備維修，當觀察到存在故障設備，應當及時進行更換或者維修處理，保障系統能夠有序運轉；四是系統更新，維護過程中應當關注新技術的應用，進行系統升級與維護，保障系統性能水平。

綜合來看，建筑電氣設計系統內涉及的光伏發電關鍵技術環節包括光伏電池技術、光伏組件設計、逆變器技術、能源管理系統、建筑集成光伏技術、故障診斷技術和運行維護技術等方面。這些技術的不斷改進和發展將有助于提高建筑能源利用效率、降低能源消耗、減少環境污染，實現建筑的可持續發展[4]。

5 結論

總而言之，隨著科技的發展和環保意識的提高，光伏發電技術在建筑電氣系統中的應用將會越來越廣泛。該項技術為建筑領域提供了可持續的電力來源，同時，在降低碳排放、減少能源投入及保障安全能源供應等領域取得顯著成效。然而，光伏技術的發展還存在著存儲電力能源、提高發電效率等限制，一定程度上影響到光伏技術的實際應用。因此，今后的研究還需要持續進行創新研發，不斷加深光伏發電在建筑電氣系統等領域的應用程度，提高綠色能源的應用效率，為人與自然和諧發展貢獻力量。