太阳能发电技术在建筑设计中的应用

陈喜军

摘要：近年来随着越来越多的已有建筑面临着更新改造，同时，节能减排、减少环境污染、可持续发展已成为建筑行业新的发展方向。太阳能发电作为近几年来进步最快的新能源发电技术已经广泛的应用在了建筑设计领域，其大面积的应用对改善中国能源结构，降低建筑能耗，保护环境有着深远的经济与社会意义。

关键词：太阳能技术；光伏；建筑设计；应用

目前中国的城镇化率已经很高，城市的发展从原先的城市大建设逐步过渡到了少量新建建筑的开发与大量既有建筑更新改造同时并存的阶段，许多城市建筑根据城市的发展需要进行相应的更新，太阳能发电在建筑设计中的有效应用将起到一举多得的示范效应。

1太阳能发电技术原理

太阳能发电技术，即利用太阳能电池组件接收太阳光，同时将太阳光转化为电能，或存储于蓄电池中，或应用于交、直流负荷等领域中。

太阳能组件在建筑设计应用中应结合太阳光谱波长特点及适合P-N环境下的光生电场效应，结合当地的气象条件及建筑物朝向的合理布置，获得最有效的利用光资源的方式。

2太阳能发电技术系统的组成

2.1太阳能电池板

为了实现对太阳能的有效利用，在太阳能光伏系统敷设过程中，需注意将多个电池板以并联或串联的形式进行连接，继而有效的将太阳光能转化为电能，满足用户对电能的供给需求。但在太陽能电池板配置过程中，应注意根据建筑物的特点或是采用钢化玻璃，或是采用柔性封装的形式，且让太阳能电池板的运行环境温度尽量在-40℃～+60℃之间，并保持风力强度<12级，这样不但会延长太阳能电池板的使用寿命达到25年以上，还可以获得最佳的收益比。

2.2蓄电池

蓄电池在太阳能光伏系统运行中承担着存储能量的作用，合理的配置蓄电池的容量及采用性价比高的相应材料的蓄电池对系统的整体造价起着至关重要的作用。随着电池技术的飞速发展，像磷酸铁锂蓄电池、超级电容等一大批寿命长、充放电速度快的优于铅酸的新型蓄电池得到了极大的应用。随着未来储能技术的不断进步，太阳能发电技术将在更广阔的天地得到应有。

2.3控制---逆变器

为了实现对蓄电池的充-放电控制、太阳能利用的最佳效果，太阳能光伏发电系统中的控制---逆变器元器件的质量优劣、精确控制算法的合理性、电性能保护的完整性构成了太阳能发电系统的核心。同时，为了适应太阳能发电技术在建筑设计中的应用，可以采用适合现场需要的微逆、组串逆变器、集散逆变器、直流发电等多种可供选择的控制设备。优质的太阳能控制---逆变器设备不但提高了效率、保障了太阳能源源不断的转化为电能，还对整个系统的稳定运行起到了很好的保护作用。

2.4智能监控系统

现代太阳能发电系统已经可以做到了全系统监测、诊断控制、综合管理，通过组串甚至组件级的监测能够最大限度的发现系统中的不良信息，同时可以远程启停单个组串、组件接入。系统通过有线、无线多种方式的组网方案可以提供丰富的运营分析管理功能，可以涵盖生产管理、运行管理、维护管理、资产管理、人员管理等增值功能。通过部署简单化，监控界面友好化，操作方便化，省时高效的实现太阳能发电系统在建筑设计应用中的运维保障功能。

3太阳能光伏技术在建筑中的应用

第一，太阳能光伏技术的BAPV应用，是通过充分利用工厂、商场、家庭等建筑屋顶的有效使用面积，构建合理的安装方式、最佳的倾斜角度的太阳能发电系统，同时在满足国家标准、安全防范、消防要求、审美视觉等要求的前提下将太阳能发电系统融入了各类建筑的设计、建设当中。BAPV应用对建筑技术要求不高，为通用的太阳能发电技术在建筑中的应用。

第二，BIPV即太阳能与建筑一体化应用的方式，让建筑物本身利用太阳能资源进行发电。建筑物需从设计、施工、审美等多角度出发，让太阳能组件和建筑物完美的结合在一起，同时注重摒弃传统建设理念，利用光伏组件代替外遮阳、外幕墙、采光顶等部分，达到一体化的发电、节能降耗设计效果。此外，在BIPV应用理念下，为了打造一体化建筑空间，要求建筑单位在太阳能光伏系统设计过程中，在注重将隔热、安全、发电、隔音等效用融于一体的同时，电气设计不能仅仅满足于传统的规范要求，在电缆的选型、敷设、防护等级要求上要根据实际情况优于国家标准及企业标准，甚至要特殊考虑才能达到设备长期运行的最佳标准。

例如，光伏幕墙在设计过程中，为了达到一体化设计效果，同时满足多种采光角度的变化需逆变器的MPPT合理配置，由此实现对太阳能辐射的最佳利用。（见图1）

第三，太阳能发电、LED灯、变频水泵等节能设备的综合利用。通过在节能建筑中利用具有寿命长，光效高（50～80lm/W）、环保、安全特点的LED灯；具有节能、高效的变频控制功能的节能水泵等设备最终规避了传统发电中的资源浪费问题，提高了整个建筑的能耗比。

建筑外围围护结构负荷占建筑空调总负荷的10-30%左右。在冬季，围护结构热损失是影响采暖能耗的重要因素。加强围护结构保温隔热，不但可以减少采暖空调的能耗，还可以提高建筑空间使用的舒适度。以保温隔热+太阳能利用为设计切入点，夏天能有效的吸收利用太阳能资源转化为电能，冬天利用光伏组件优良的隔热透光能力可以极大的减少热损失。

4结语

当前太阳能在建筑行业的应用更多的还只是局限在光热设备上，而由于光电转化利用还存在着成本偏高，回收周期长，需要依托政策补贴保障等问题，不能广泛的大面积的应用。而由于太阳能具有取之不尽、用之不竭、普适性好的优越性能，同时随着近年来普通大众对节能环保意识的不断增强，使得太阳能发电在建筑领域的各个环节都有了用武之地。随着太阳能技术的发展及其被广泛的使用，相信BAPV、建筑光伏一体化（BIPV）、被动式太阳能建筑等创新应用将会得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]秦小茅.能源消耗与环境污染之间的关系探讨.资源节约与环保：2014（5）.

[2]郑世有，奥雅纳.建筑物自城市更新中的角色.世界建筑导报：2012（2）.

（作者单位：水电水利规划设计总院）