光伏发电系统在建筑节能中的应用研究探析

光伏发电系统在建筑节能中的应用研究探析

李飞飞

中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司河北石家庄050000

摘要：建筑物是为人们生活生产提供遮风避雨的地方，在使用过程中需要能源供给，据统计其能耗大约占世界总能耗的1/3。如果在建筑设计时融入新能源，那么对节约建筑能耗有很大的积极意义，以太阳能电池作为载体发电，在建筑设计中设计、建造、维护与改造时主动或被动的利用太阳能，在建筑中加入光伏组件使其成为具有能源自给的一体化光伏建筑。本文对光伏发电系统在建筑节能中的应用进行探讨。

关键词：光伏发电系统；建筑节能；应用

引言

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳能电池板（组件）、配电控制和逆变器三大部分组成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，多个电池组件经过串并联构成光伏组串或者光伏阵列，再配合上功率控制器和逆变器等部件就构成了光伏发电装置。

1光伏发电系统的分类

1.1离网光伏发电系统

如果光伏发电系统与网络之间在连接方式上独立储能供电，这样的类型，我们把它称为是离网光伏发电。这种类型的发电方式，由于其较为独立，因此在使用的时候我们也是会把它安装在与生活区距离较远的一些特殊场所。比如在高原或者海岛地区，或较为偏僻的地区，可以利用这种发电方式提供照明以及基本的生活用电。对边防站，通信站或者是油气输送站也会使用这种特殊的供电方式。

1.2并网光伏发电系统

并网光伏发电系统，它主要就是与我们的公共电网进行相连接。而且这种系统它承担了主要的供电任务。该类型的供电系统，它主要是把太阳能电池的方针以及网逆流器合并在一起行成。这种技术能够使太阳能步入比较大规模的商业发电阶段。而且也成为了电力工业在发展过程当中的重要组成部分。亦是当前社会发展的主要潮流趋势。

2光伏发电系统在建筑节能中的应用

2.1光伏组件选择

光伏组件，也称光伏电池板，是整个光伏发电系统的核心部分，光伏系统的效率、发电容量以及建造成本很大程度上取决于光伏组件的选择。光伏组件是由光伏电池封装成的薄板，也是发电系统中的最小发电单元。根据光伏电池的材料可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅等。

单晶硅光伏电池是开发较早、转换率最高和产量较大的一种光伏电池。单晶硅光伏规模生产的电池转换效率在我国已经平均达到20%,而实验室有记录的最高转换效率已经超过了24.7%。这种光伏电池一般以高纯的单晶硅硅棒为原料，纯度要求高达99.9999%，生产制造的要求较高。

多晶硅光伏电池是以多晶硅材料为基体的光伏电池。由于多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，因而生产时间缩短，制造成本大幅度降低。多晶硅电池光电转换效率约为18%，比单晶硅电池略低，但由于材料制造简便、节约电耗、总的生产成本较低，因此近几年发展迅速，市场占有率遥遥领先。

非晶硅光伏电池是用非晶态硅为原料制成的一种新型薄膜电池。它与单晶硅和多晶硅电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗较低，非常吸引人。但目前非晶硅太阳电池存在的普遍问题是光电转换效率偏低，国际先进水平也仅为10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰减过快的现象，所以尚未大规模用于大型光伏发电系统。随着光伏发电系统技术的发展，新型光伏电池材料如铜铟硒光伏电池、砷化镓光伏电池等薄膜型电池陆续得到了长足发展，但制造工艺和制造成本的局限，实现大规模商用尚需一定的时间。

2.2采用BIPV屋顶一体化对偏远地区供电

根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，我国太阳能资源分布可划分为一区、二区、三区和四区。一类地区主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等偏远地区，目前从电力局输送分配电能至一类地区，将会耗费大量输电线缆制作成本，为了提高经济效益，我国政府可以效仿美国的百万太阳能屋顶计划，在一类地区安装屋顶光伏发电系统设备，将太阳能用电带入家家户户。采用屋顶BIPV一体化对偏远地区供电，有效利用了当地浑然天成的地理优势，例如无大量建筑物遮挡，以及充分的太阳能资源等，而且又提高了经济效益，一定程度上解决了边疆地区供电不足的问题。

2.3改进建筑物空气温度调节技术

目前我国建筑物总能耗中，调节空气温度所耗的能源占比高达70％，传统调节法例如空调机和燃煤有许多不足之处：①能耗大；②给外界环境带来污染；③室内环境不健康，不适合人工作、居住。在太阳能采暖方面，目前有2种案例：被动式太阳能供能与主动式太阳能供能。采取单一主动供能的意义在于增加建筑物室内的舒适度，但耗费过多的成本，从经济效益角度来讲不提倡，目前还没被广泛应用。而被动供能可以有效提高节能率，降低供能装置成本费，减少人工环境并顺应自然界满足人们对舒适度的要求。因此，若采用主动供能与被动供能相结合的形式对建筑物供暖，建筑物空气温度调节技术将得到极大的改善。

2.4MPPT模块的运用

MPPT技术，也称最大功率点跟踪，其基本原理是戴维南定理。光伏阵列的内部电路可以等效为一个电压源和一个电阻串联，这里的电阻也就是有效电阻Req，当内部电源的内阻与外部的有效电阻大小相等时，光伏发电输出功率达到最大值。目前已经成功应用的技术手段有：在太阳能光伏阵列的等效电路中再加入一个MPPT控制器，光伏阵列的输出电压和电流被送入MPPT控制器中进行最大功率点跟踪控制，控制器输出PWM波驱动信号，使输出电压与最大功率点所对应电压相匹配，实现内部电源阻值大小与外接负载阻值大小相等，以达到最大功率输出的目的。

3光伏建筑一体化应用前景分析

从光伏发电系统与屋顶一体化、遮阳棚一体化、玻璃幕墙一体化等多个已经成功实施的案例来看，相比较于普通的建筑设计，BIPV设计显得更加灵活，而且更为人性化,同时克服了建筑物传统能源供电的许多不足，例如：①每逢夏季，家家户户的用电量达到一年四季的高峰期，而夏季的日照量是最大的，BIPV技术使光伏发电系统很好地发挥了作用，对电网起到调峰作用；②在智能化建筑普及的今天，建筑所耗能源在我国总能耗量中所占比重日益上升，而BIPV技术可在一定程度上缓解我国的能源危机；③BIPV技术采用光伏发电的形式向建筑物供电，减少了污染气体的排放量，无论从环保还是人身健康的角度来讲，都是值得提倡的。但光伏发电系统在提升建筑节能效益的同时，其自身许多不足的细节也是需要弥补的。考虑到建筑物内部结构，以及当地的气候条件，光伏组件在发电的同时也要满足对外界的要求，因此如何对光伏组件进行最优化设计仍是一大问题。其次，如何集成储电系统仍需探讨。最后，太阳能光伏发电效率仍然不高，需尽可能减小外界干扰因素的影响。

结束语

目前，随着城市化水平的日益上升，智能建筑随之兴起，给人们带来便利生活的同时，建筑能耗也在逐渐加剧，我国乃至国际对光伏建筑的呼声越来越高。光伏建筑一体化作为庞大的建筑市场和潜力巨大的光伏市场的结合点，在未来的新能源应用领域中有很好的前景。

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