传统建筑应用太阳能光伏发电系统研究综述_杨笛.pdf

/传统建筑应用太阳能光伏发电系统研究综述杨笛杨浩（.纽卡斯尔大学.鲁东大学艺术学院）摘要：随着气候变化的加剧，常规能源储备量逐渐减少，发展绿色新能源，加速推进节能减排，努力实现碳中和与碳达峰的目标，成为关系到社会可持续发展与人类未来命运的关键问题。努力构建建筑行业的绿色低碳化发展新体系，也成为实现碳中和与碳达峰的重点任务。太阳能光伏发电系统是一种安全、高性能、可再生的绿色新能源，本文从太阳能光伏发电系统的概念及分类、国内外太阳能光伏发电系统结合建筑的发展现状，太阳能光电建筑的优缺点以及太阳能光伏发电技术在传统建筑的应用路径等方面总结了传统建筑应用太阳能光伏发电的现状和进展，揭示太阳能光伏发电系统对传统建筑的适用性，集成到传统建筑中为大势所趋，为我国的进一步推进太阳能光电建筑提供了思路和借鉴。关键词：光伏发电；建筑；新能源；太阳能；低碳 引言尽管近些年我国正处于建筑业高速发展的阶段而全国大部分城市 左右的新建建筑都达不到节能标准 。我国建筑行业面临碳排放总量大、用能技术落后和效率低等问题。建筑行业承担着节能减排、实现绿色可持续发展的重任 。降低建筑碳排放量，推动能源结构调整与绿色低碳领域的发展，助力实现双碳政策，也是未来建筑行业需要关注的重中之重 。太阳能是实现建筑节能的最大潜力，建筑是太阳能利用的最佳载体。对传统建筑中应用以太阳能光伏发电、太阳能热水为主的可再生能源系统替代常规能源，解决建筑的采暖空调、热水供应、照明等问题，有助于改善能源结构，降低建筑能耗，将可持续发展理念引入建筑领域实现低能耗绿色建筑。本文将针对低能耗太阳能光伏发电建筑的发展历程和发展现状进行介绍和分析，通过介绍太阳能光伏发电系统的概念及分类阐明其基本的原理、组成和运作方式，并总结其在传统建筑中应用的国内外研究现状，揭示其优缺点及基本应用路径，为实际工程上的应用提供理论指导。太阳能光伏发电系统的概念及分类.太阳能光伏发电工作原理太阳能光伏发电工作原理是“光生伏特效应”，在实际应用中称为“光伏系统”。光伏系统通常用于采集来自太阳的能量，转化为电能。它由光电池组成，而光电池是由半导体材料如锡（）构成，其作用是通过光电效应把太阳光线转化为直流电 。它有环境友好的特征，同时与风力涡轮机和水力发电系统等其他可再生能源技术不同的是不受“主义”（“”的缩写）的影响，相关项目开发较容易获得附近居民的支持 。.太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统的组成不涉及机械部件，而主要由电子元件如太阳能电池板、充电控制器、蓄电池与直流 交流逆变器组成 。（）太阳能电池板通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，以串联或并联的方式制造太阳能电池系统被称为太阳能电池板。每个 太 阳 能 电 池 主 要 部 件 的 输 出 电 压 约 为 .，输出功率在 之间。太阳能电池板在整个系统中占有核心地位，是系统中将太阳光能转化为电能的主要部分。（）充电控制器控制器是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池组太阳能逆变器负载供电的自动控制设备，可以自动防止电池过充电和过放电，防止电池过焦，是整个太阳能光伏系统中核心控制部件。（）蓄电池蓄电池的作用是把电能储存起来，由于单个电池电气技术与经济 研究与开发/容量有限，通常系统把多个蓄电池通过串并的方式组合起来，以便达到设计的电压等级和容量要求，所以又称蓄电池组。当白天或夜晚没有太阳能照明，光照条件较差时，或负载需求大于太阳能阵列提供的电能时，电池就会发挥作用。（）逆变器逆变器是光伏系统中必不可少的部件。在太阳能光伏发电中，如果出现交流负载，就需要使用逆变器，将太阳能电池组件产生的直流电（）或电池释放的直流电变为交流电（），需要配合控制器，将产生的电能输送到电网 。.太阳能光伏发电系统主要运行方式太阳能发电分为并网和离网两种关键的发电方式。并网与整个地区甚至整个国家的电力网络连接在一起，实现能量交互。然而电网里的每个环节都是相互影响的，就犹如人体里的每个器官会相互影响一样。由于新能源发电不像传统发电方式一样稳定，容易造成电网扰动，从而影响用户的用电体验。离网是当今相对可靠的太阳能发电方式，太阳能只对专门建筑供电，不会并入大电网。离网是目前的太阳能发电民用化的权宜之计，其对系统的电力支持相对少，但是保护了大电网的稳定性。太阳能光伏系统流程图如图 所示。图 太阳能光伏系统流程图 在不久的将来随着科技的发展，太阳能光伏发电系统规模不断壮大、商业化市场发展前景逐渐明朗，新能源发电的并网率也会越来越普及，推动国际电能进一步优化，使得我国距离实现碳中和目标越来越近。太阳能光伏发电系统结合建筑国内外研究概况.国外太阳能建筑的发展现状 世纪末的美、日两国的太阳能热水器市场占有率都已超过 ，欧盟大力推行太阳能房屋计划，其太阳能集热装置与建筑巧妙融合，太阳能利用率逐年提升 。太阳能与建筑结合的分布式光伏发电系统在德国、日本和美国占主流 。新加坡国立大学设计的创新教育建筑-，是新加坡的第一座净零能耗建筑，如图 所示。该建筑占地 ，在巨大的悬挑屋顶上面装有 多个光伏面板，利用太阳能光伏发电系统来满足整栋建筑的用电需要。同时，带有天花板跟随器的“混合冷却系统”可为有冷却需求的学校教室减少大约 的电力消耗。图 新加坡国立大学 大楼.国内太阳能建筑的发展我国太阳能建筑目前仍然处于发展阶段，但随着分布式和屋顶项目的推动，太阳能发电装置得到了迅猛增长。太阳能光伏发电可以帮助中国 年实现 可再生能源发电能力的目标。我国还提倡太阳能与建筑相结合的建设，年国家能源局推动屋顶太阳能试点计划，到 年底用太阳能电池板覆盖党政大楼屋顶空间的 ，学校、医院等公共建筑的 ，工商业空间的 ，农村住户的 。电气技术与经济 研究与开发 /目前我国太阳能热利用面积已达 .亿多，光伏建筑应用已达 .，已部分实现可替代常规能源，成为节约一次性能源使用，减少温室气体排放，保护大气环境的重要技术手段 。被誉为“武汉新能源之花”的武汉新能源研究院大楼，是目前我国最大的绿色仿生建筑，如图 所示。“花蕊”中的竖轴风力发电机，由 的太阳能光伏发电系统和一组万瓦级的新型垂直轴风力发电机组成。装机容量 的风力发电机和 的光伏发电系统每年发电量约 万 ，占整栋大楼自身用电量的 。即使在地下停车场，也安装了先进的光导照明系统，白天可完全依靠自然光照明，年节电 万 。图 武汉新能源研究院大楼 太阳能光伏发电技术结合传统建筑的优缺点.太阳能光电建筑的优点目前我国面临着紧迫的资源危机，尽管太阳能光电建筑在我国的应用规模潜力巨大，太阳能光伏发电技术结合传统建筑有着众多优点，具体如下：）环境友好。太阳能的使用对环境没有任何影响，它是最清洁的能源之一。太阳能光伏发电不需要燃料，不会产生对环境、空气有害的物质。）储量巨大易获得。它是一种持续可再生的资源，不存在资源短缺，不受地域限制，可直接开发利用，易于采集，无需开采和运输。）提高经济效益。利用电网节省电力，降低太阳能电池的投资成本。）可与建筑完美融合。太阳能电池板进行 串联或并联，额定电压可调至 ，再与逆变器和控制器连接。）提高电网电压的稳定性。太阳能光伏发电系统可以为电网削峰补谷，既能优化电网功率因数，又能保证电网末端电压不会出现较大波动，降低电网杂波出现的概率。.太阳能光电建筑的缺点虽然太阳能光电建筑能够有效响应我国的双碳政策，但其开发、利用、实施的过程中仍面临诸多问题。太阳能光电建筑在具体应用时仍存在如下缺点：）出现“弃光”现象。当建筑使用多种方式进行供电时，光伏与其他供电能源发生冲突则放弃光伏能源，暂停使用光伏机组，减少发电量。）建造成本较高。太阳能光电建筑投资较高，相关设备质量及产业技术有待提升，能源转换效率低，影响商业化发展速度。）行业管理不规范。缺乏完整的设计体系规范、安装技术标准与规程，以及检测评估标准。）受太阳辐射、气候、地理位置和周围环境影响较大。太阳能的辐射强度会随着昼夜交替和季节变换而发生变化，出现阴影及遮蔽问题，导致发电系统无法稳定、可靠地提供电力 。太阳能光伏发电技术在传统建筑的应用路径为建筑挖掘可再生能源，创造新的电力来源，达到一种平衡对建筑来说至关重要。将太阳能光伏发电系统融合到传统建筑领域，使建筑材料和构件可以有效地提高电能，有效地改变我国建筑能耗高的问题，有着非常广阔的发展空间和巨大的潜力。光伏系统结合建筑主要分为两类，一类为建筑附属光伏系统，另一类为建筑光伏一体化系统。建筑附属光伏系统被加入传统建筑中，不会直接影响到建筑结构功能，例如在传统建筑屋顶上放置光伏板或墙面安装光伏板等。在单体建筑中，如果建筑屋顶平坦，可以在屋顶上放置光伏板，将其与周围路灯相结合，通过间隔安装与分时照明的方式达到低能耗照明的目的。再如地下停车场的采光井上加装光伏板，以满足地下停车场的用电需求 。建筑光伏一体化系统可以通过将太阳能电池与建筑材料如砖、瓦和玻璃等物体表面复合在一起而集成为建筑围护结构中的一部分，如太阳能砖、光伏瓦或玻璃幕墙等。不仅如此，将不同的建筑组件与太阳能电池组进行集成，还可以创造出一种新型的光伏组件，如遮阳式、围栏式、瓦片式、嵌入式、窗间式、壁挂式、百叶式等。这样的光伏建筑材料或光伏组件可以为建筑增添发电功能，从消费者变成能源发电机。（下转第 页）电气技术与经济 研究与开发/的应用前景，比如变电站二次设备状态监控系统，以及智能电网。参考文献 ，.-，.，.-（），.肖鹏.电力设备基于大数据的状态监测的技术方面和案例研究 ，：-.董琦，王萍.智能电网功耗和供电优化：数据通信可靠 性 影 响 分 析 高 电 压 技 术，（）：-.刘海军，李钢.面向中高压智能配电网的电力电子变压器建模方法与控制策略研究 电力系统保护与控制，（）：-.，.-，（）黄红，熊卓，王宇，等.基于大数据的变电设备状态多维感知及智能诊断系统的研究 电力大数据，（）：-.蒲天骄，乔骥，韩笑，等.人工智能技术在电力设备运维检修中的研究及应用 高电压技术，（）（收稿日期：2 0 2 2-1 1-1 5）（上接第 页）结束语人类正面临着紧迫的资源危机，发展绿色新能源，不断推进节能减排，是实现经济可持续发展与双碳目标的必要前提。建筑领域应响应国家环保号召，积极推进先进的绿色建筑规划。太阳能光伏发电技术发展相对成熟，在国内外众多建筑项目中有着创新性应用，初步实现了提高发电量、降低能源消耗的双重目的，充分说明了太阳能光伏发电技术与传统建筑相结合的巨大潜力。把建筑物作为一个消耗体，控制其能源消耗，把建筑物从一个消费者变成能源产生者、发电机，不仅可以节约能源，还可以自给自足。在未来，太阳能光电建筑仍需要降低建造成本，规范行业管理，以提高太阳能光电技术在降低建筑能耗的应用范围和应用效率，促进节能减排的充分实现。参考文献 刘冰，陈云丽，石盼第，等.济南农村冬季居住建筑节能改造措施 第 届全国建筑环境与设备技术交流大会文集，：-.刘秦见，王军，高原，等.可再生能源在被动式超低能耗建筑中的应用分析 建筑科学，（）：-.熊甜.绿色建筑与能源融合创新路径探索 中国电力企业管理，（）：-.谢国权.碳中和背景下的新型建筑能源供应方案初探 上海建材，（）：-.，-：，.-.，-.，.-，.范文慧.民用建筑中应用太阳能光伏发电系统的思考 智 能 建 筑 与 智 慧 城 市，（）：-.孙文峰，姚海清，张文科，等.超低能耗建筑可再生能 源 系 统 的 研 究 进 展 区 域 供 热，（）：-.夏前斌，王辉，马宏权，等.江苏省可再生能源建筑应用推广及案例 建设科技，（）：-.王沁芳，蒋桂庆，周雪涵.可再生能源建筑一体化技术应用国内外研究现状 洁净与空调技术，（）：-.徐伟，张时聪，张寅平，等.可再生能源蓄能技术在低能耗建筑的应用研究 建设科技，（）：-.（收稿日期：2 0 2 2-1 1-1 8）电气技术与经济 技术与应用