建筑电气工程中新能源的应用现状、太阳能光伏技术的应用

如今，全球碳排放数量日益增加，尤其是与能源有关的碳排放。建筑行业是主要能耗行业之一，其对基础资源的消耗数量约占全球总消耗量 30%＼～40%。对我国而言，虽然建筑总面积已经达到 430 亿 m2，但与节能标准相符的建筑只有总量 5% 左右。另外，建筑工程往往周期较长，无论在施工还是在运行过程中都会产生建筑垃圾与有害气体，给环境带来污染与危害。基于此，在减少能耗的同时防止污染是达到自然和经济发展相协调的重要举措。在建筑电气工程中引入各类新能源技术是实现以上目标的有效措施，尤其是太阳能光伏技术的应用，能极大的减少建筑传统能源消耗与污染。

1 建筑太阳能利用

太阳能是普遍的可再生能源，每秒释放大量能量。尽管地球仅接收太阳能量的一小部分，但其总量巨大，相当于 500 万吨标准煤。每年，太阳对地球的照射相当于 87000 亿吨标准煤。太阳能若有效利用，可缓解全球能源危机，但目前开发程度有限。太阳能具有高利用价值和广阔发展前景，需持续研究以提高应用程度。

太阳集热器将太阳辐射传送到传热工质装置。集热器按传热工质、辐射方向、跟踪情况、真空空间、工作温度和材料分为多种类型。目前，平板型和真空管型集热器最为常用。其中，平板型主要包含吸热与玻璃盖板、外壳与保温材料等部分，其运行原理是太阳辐射通过玻璃盖板加热吸热板，转化为热能，提高传热工质温度，用于能量输出。真空管集热器因内部真空而得名，分为金属和全玻璃两种。真空管型则主要包含真空管，其内部结构由两个同心的玻璃管构成，通过涂层形成吸热体，将太阳能转化为热能。热管式真空管集热器分为蒸发段、热绝段和冷凝段。工作时，阳光加热吸热板，使热管内工质汽化并上升至冷凝段，热量传递至管外冷源，使其变热。工质与外界隔绝后，返回蒸发段，循环进行。

1.3 太阳能热水器

太阳能热水器实际上借助太阳能进行水加热的装置，属于可再生能源技术。主要分为两种：主动式和被动式。主动式通过泵循环控制水温，而被动式仅包含集热器和储水槽。设备由两层玻璃构成，内层黑色吸热，两层间真空隔热，保持水温升高，通过循环维持储水桶内高温水，确保设备正常运行。

1.4 太阳能温室

太阳能温室通过塑料薄膜覆盖空间，利用太阳光产生热量，提高并稳定室内温度。太阳能温室的分类包括：结合方式分为主动和被动型；透光材料分为塑料薄膜、玻璃窗和其他；结构上分为图结构、混凝土结构、砖木结构、钢结构或有色金属结构、非金属结构等。1.5 太阳能制冷空调

该系统借助太阳能产生的热量使制冷机组运行，以适应建筑制冷需求。相较于传统制冷空调系统，它利用包含氨在内的自然物质作为工质材料，不仅节能而且不会造成环境污染。其主要优势有：借助清洁且可实现再生的能源，不会产生温室效应。该系统的制冷方法主要有以下两种：第一种为将太阳能直接转换成电能使压缩制冷机运转；第二种为将太阳能转换成热能实施制冷。

太阳能采暖通过集热器吸收太阳辐射，将热量用于生活取暖。冬季使用太阳能采暖可节省常规资源，更环保。太阳能采暖优势：（1）比传统燃煤、油、电采暖更节能环保；（2）经济效益高，成本回收期短，使用寿命长；（3）安全性高，无二氧化碳排放，适合学校、医院等场所。

太阳房利用太阳能采暖和降温，节能且环保。分为主动式和被动式，集热器吸收太阳辐射能转化为热能。结构包括隔热、透光和储能材料，功能多样。

主动式太阳房由集热器、管道、泵机或风机、储能装置以及散热装置构成。主动式太阳房有三个循环回路：1）集热器回路包括集热器、交换器、循环泵、过滤器、储存器等，温度传感器和控制器控制集热器泵的开关。2）采暖回路由蓄水箱、散热器、辅助热源、电动阀等组成，两个温度传感器和控制器控制室内温度，辅助加热器在需要时启动。3）生活用水回路包括热水热交换器、预热与辅助加热水箱以及循环泵等，自来水经预热后输送到建筑各处。

1.7.2 被动式太阳房

被动式太阳房无专门集热器，通过科学设计建筑朝向和内部构造，冬季吸收并存储热量，保持室内温度。集热、蓄热和保温是其建设的三个要素。简单供暖方式是白天利用太阳能辐射热量，施工简便，成本低，无需维护，自然舒适。被动式太阳房成本低廉，发展空间广阔。1.8 太阳能热发电系统

太阳能发电基于太阳辐射转化为电能的原理，主要通过两种方式：直接太阳能转化成电能，或通过集热器将太阳能转化为机械能，再转化为电能。热发电系统通过集热器吸收太阳能，对工质材料进行加热，利用产生的蒸汽使机械开始发电。蒸汽经过汽轮机后冷凝回流，形成循环。整个过程是太阳辐射到热能、机械能再到电能的转化。该系统主要包含以下三种形式：槽式系统利用槽式发射镜聚焦太阳光加热传热工质，如图1 所示。塔式系统通过高塔上的接收器和周围的定日镜聚焦太阳光产生高温蒸汽，为汽轮机发电提供动力，如图2 所示。碟式系统使用旋转抛物面镜聚焦太阳能于一点。槽式系统已商业化，塔式和碟式系统尚 试阶段，但前景看好。这些系统可独立发电或与常规燃料系统结合进行混合发电。

2 太阳能光伏发电系统设计

即利用太阳能电池组件使太阳辐射转换成电能，分为联网和离网两种方式。其中，电池组作为系统核心组件，充分利用半导体材料具有的特性进行能量转换。该系统具体可以分成独立与并网两种。其中，独立系统由光伏矩阵、交流负载、控制器、逆变器与蓄电池等部分构成；并网系统增加了并网逆变器，将电能接入公共电网。

建筑太阳能光伏发电系统设计中要遵循下列各项基本原则：1）美学性原则，当今社会对建筑提出的需求已经超出其功能，越来越追求外观上的美与当地传统文化传承和表达。建筑美学直接影响到所在城市的形象以及文化传承。因此，在光伏设计中要和发电特性以及物理特征保持同步，充分展现出协调的色彩、和谐的比例以及光影的合理变化；2）舒适性原则，这是人和环境之间的关系，关系到人们生活上的舒适、便利以及情感体验。在光伏设计中，要尽可能追求节能低碳，并提高室内舒适度；3）保证结构安全在光伏设计中十分重要，因此应尽量减少易损构件使用数量，以免发生脱落。在安装施工中应采取稳固的连接方式，避免组件发生变形对正常使用造成影响；4）光伏系统的安装成本相对较高，要想回收效益需要很长的周期。因此在效益评价过程中应综合考虑产能与节能收益，此外还要积极推广先进的光伏技术，开发成本更低、效益更高的技术，以保证使用率。

光伏电池具体可以分成硅系与化合物两大类，其中，硅系电池主要包括单、晶硅与非晶硅薄膜电池，有很高的转换效率，但在辐射强度方面有很高要求，一旦遮挡将严重影响发电效率；化合物电池的转换效率相对较低，但在辐射强度方面要求较低，即便在弱光条件下也可进行发电，受到遮挡后发电效率不会受到太大影响。在光伏系统设计中，应对包含装机量、使用需求、安装成本、发电效率以及系统使用环境等在内的影响因素做综合考虑，从而选择最适宜的电池类型。由于化合物电池有丰富的颜色，且耗材不多、重量轻、表面光滑度高，所以能与建筑曲面更好的贴合，降低施工难度，适用于复杂的建筑类型。除此之外，包含有机太阳能电池、染料敏化电池以及 HJT 等在内的新型电池，由于当前工艺还不够成熟，且缺乏稳定性，所以现阶段还不能大规模生产与投入使用。

太阳能电池需采用铜排或铝排进行串联或并联，然后和框架、钢化玻璃以及背板组成为完整的光伏组件。目前常见的组件类型包括：1）常规光伏组件，具体包含太阳能电池片、钢化玻璃、EVA 胶、背板以及边框。虽然晶体硅电池片有较高的转换效率，但成本较高，而薄膜电池虽然成本低，但转换效率一般。该组件转换效率较高，可实现稳定发电，还有较强的抗压性能，适合对一体化与外观要求都不高的情况；2）夹层玻璃光伏组件，将背板替换为钢化玻璃，由于取消了铝框，所以外观效果良好。通过嵌入式安装可达到建筑一体化的目标，相邻两个组件之间可实现无缝衔接，以适应性能方面的要求；3）中空玻璃光伏组件，主要包含中空玻璃与光伏太阳能电池层两部分，前者采用专门的粘结剂和边框之间粘结，并在中空玻璃中填充气体实现隔音、隔热与防寒的目标。相较于其它组件，该组件有更好的防尘、防噪音与隔热性能，适合对采光以及保暖都有较高要求的建筑；4）瓦片光伏组件，通过在瓦片内部嵌入太阳能电池形成光伏瓦，并用玻璃进行封装。采用光伏瓦可完全取代普通瓦片，与建筑表面相融，适合新建建筑以及进行节能改造的农村住宅建筑；5）柔性光伏组件，主要包含硅基薄膜电池与化合物电池两部分，借助高分子复合膜为电池提供保护，采用粘贴的方式安装。由于具备可弯曲特性，和建筑屋顶高度匹配，适用于构建非线性光伏屋顶，此外还可用于光照条件不稳定的情况。

3 案例分析

3.1 工程概况

项目占地面积24500 平方米，建筑面积7060 平方米。项目主要内容包括大型公共停车场（屋顶采用光伏车棚），指挥调度办公用房等，

地面安装交、直流充电桩设施 ; 建筑屋顶安装单晶硅光伏组件约 3333 块，使用标准功率为 540Wp，规划总装机量 1.8MWp，采用分布式太

阳能光伏发电系统，供电形式为单点380V 低压并网系统 ， 全额上网，并设置一体式储能设备131kW/261kWh 共 4 台。3.2 太阳能光伏技术应用

该建筑作为具体交通调度功能的公共建筑，是一个典型的光、储、充相结合的建筑。在建筑设计过程中，考虑并保证外观造型，使其适应美学方面的要求。基于此，在这种建筑中引入光伏组件，应确保组件和建筑外观良好整合。为此，在实际的设计使用过程中，不仅要适应光伏组件自身电学性能需要，还要保证设计人员充分表达出建筑美学与节能特点。建筑屋面造型往往多种多样，尤其是现代建筑广泛采用曲线造型。针对这种实际情况，在选择具体光伏组件的过程中，要充分考虑不同类型组件自身柔度，以确保和建筑造型方面的需求充分匹配。在最初开展建筑设计的过程中，需将光伏系统充分引入到建筑设计过程当中。以光伏组件可以接受到的太阳光照情况为依据，对光伏屋面实施优化设计，以实现预期的实用、美观以及经济等要求。

对于屋面光伏系统，若按照应用后端系统具体设置位置和需求，可分成独立运行、并网系统两种类型，其中，前者还可成为离网系统，作为独立系统，不和其它系统存在关联，可实现独立供电，基于此，可将其视作电源。该系统包含以下组成部分：光伏方阵、控制器、蓄电池组、逆变器与负载，适用于国网无法覆盖的地区。该系统主要特点包括：独立系统之间无联系，即便其中一个产生故障，也不会对其它系统造成影响。另外，基本不需要架设额外的 然而，因该系统的独立性很强，所以要注意避免周围存在遮挡物，以保证所有个体都可以高效接受太阳能。 光伏组件提供直流电流，然后经逆变器产生交流电，进而实现互联运行。该系统和屋面整合的过程中，可在实现 ，基于此，可将该系统视作辅助电源。若光伏系统的实际发电量充沛，则可将电能反馈至电网。而当实际 则由公共电网提供弥补电量。此外，该系统可配备一体化储能设备，即先对蓄电池进行充电，然后将多余电力并网，基于 生紧急停电的情况下，可利用储能设施应急。该系统主要具有以下特点：可将光伏组件提供的电量从直流转换成交流；逆变器性能要和待并网电网电力性能需求完全匹配；系统可不采用蓄电池组，以此在降低成本的同时，防止蓄电池充放电期间产生的能量损失； 在该系统正式并网之前，属典型的点散式系统，与公共电网相比，稳定性较差，在并网过程中可能出现包含谐波污染以及孤岛效应等在内的不良影响，对此要采用专门的保护装置。

大型建筑屋面可将进行光伏组件铺设的面积相对较大，可见其发电量往往比较可观。如果选择的是离网系统，则需要配备很多蓄电池组，这样不仅增加了预算成本，配置的蓄电池组还是建筑的负担，合理性较差。而如果选择并网系统，则除了可以适应用电高峰期提出的电力供应要求，在用电低峰期间还能将多余的发电量输入到电网当中，确保电能供应与需求保持在相对平稳的状态下。

综上所述，我国建筑节能起步晚，发展慢，目前处于初级阶段，技术和系统尚不成熟，影响了建筑行业的国际竞争力。随着能耗问题加剧，建筑节能必须受到重视，推广太阳能光伏技术成为我国可持续发展的趋势，未来太阳能光伏技术将成为民用建筑设计施工的主流。

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作者简介：张中心（1986.10-），男，汉族本科，中级，主要从事建筑电气工程相关工作