光伏发电技术在绿色建筑中的应用研究

魏志豪，吴桢芬

（昆明理工大学 农业与食品学院，云南 昆明 650000）

0 引 言

太阳能是一种常见的可再生能源，分布广泛，用之不尽，取之不竭。世界各国面对传统能源（煤炭、石油以及天然气等）日渐枯竭的情况，从未停止对太阳能开发和利用的探索。相比于煤炭和石油等非再生能源，太阳能除了储量巨大之外，还具有零排放和无污染的特点，对防治空气污染、减缓温室效应以及发展低碳经济具有重大意义[1-2]。光伏发电技术利用光伏效应，把太阳辐射的光能直接转化为电能，是利用太阳能的一种重要途径。不仅能够在大型光伏发电站中发挥作用，而且遍布在人们的周围，为日常生活提供了诸多便利。

将光伏发电技术应用于绿色建筑，可以充分利用太阳能资源降低建筑自身能耗，同时可起到美化装饰和节省建材的作用。既符合绿色建筑理念，满足人们对节能、减排以及环保的需求，又能够推动绿色建筑行业朝着更加节能的方向发展[3-4]。

1 光伏发电技术简介

1.1 光伏发电原理与光伏系统组成

1839年，法国著名物理学家贝克勒尔在实验室第一次发现了光生伏特效应，从此光伏发电进入人类的视线。在此后100多年的时间里，随着科学技术的不断进步和人类生活水平的显著提高，光伏发电技术取得了长足发展，尤其在太阳能电池材料研制方面。从单晶硅太阳能电池到多晶硅太阳能电池，再到目前以砷化镓和碲化镉为主要代表的多元化合物薄膜太阳能电池，光电转化效率大幅提升，成本不断下降。光伏效应是指当光线照射在半导体材料上时，在半导体两端产生电动势的现象。光伏发电可以直接将太阳能转化为电能，不需要通过热能间接转化[5]。通常情况下，一个完整的光伏发电系统由多个部分组成，主要包含太阳能电池阵列、储能元件、逆变器、用电负载以及控制器等[6]。

1.2 光伏发电系统分类

如图1所示，根据光伏发电系统工作形式的不同，通常把光伏发电系统分成独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类[7]。

首先，独立光伏发电系统又被称作离网型光伏发电系统，不与公共电网相连接，因此特别适用于公共电网到达不了的山区、海岛以及戈壁等偏僻地带。其次，在一些需要灵活部署的场合如气象观测站、太阳能照明系统以及通信基站等得到了广泛应用。最后，独立光伏发电系统常被用于太空飞行器、月球探测车以及宇宙空间站等航天领域的供电设备。独立光伏发电系统不与国家电网相连，通常配有储能装置，用来存储多余的发电量。而无储能装置的独立光伏发电系统常见于计算器和儿童玩具等微型用电器件[8]。

图1 光伏发电系统分类

并网光伏发电系统与公共电网相连接，有直接连接方式和通过内网连接方式两种。大型光伏发电站通常建设在偏远空旷的无人区，周围缺少用电负载，因此光伏发电站发出的电能无须经过内部电网，可以实时馈送至国家电网，是一种直接连接方式。目前，它已经成为我国能源供应结构的重要组成部分。与大型光伏发电站不同，散落在城市各个角落和房屋建筑表面的分布式光伏发电系统则采用通过内网接入国家电网的方式。内网是分布式光伏发电系统的内部电网。内部电网的运转可以节约城市建筑能耗，在用电高峰期有效缓解公共电网的供电压力。

2 绿色建筑简介

所谓绿色建筑中的绿色，不单单是指用来装饰建筑物的绿色植被，而是一种表征性含义，代表建筑物本身具有低碳、环保以及无污染的优点。绿色建筑从建造到使用的整个生命周期，能够最大程度地降低能耗、节约资源以及保护环境，与自然生态系统融为一体，为人们提供一个舒适、健康以及高效的工作与憩息环境[9]。我国2015年1月1日颁布实施的《绿色建筑评价标准GB/T50378—2014》提出了如下要求。首先，绿色建筑在选址方面需做到因地制宜，充分考虑如海拔、纬度、风向以及光照等地域性特点，并根据这些特点有的放矢地设计建筑物的构造，使其能够融合自然，利用自然界中的风能、太阳能以及地热能等清洁能源为建筑物服务，从而达到减少能耗、降低排放的作用。其次，绿色建筑使用的建筑材料要选用环境友好型材料，如新型环保材料和低碳材料。这些材料大多来自建筑废弃物，通过回收改造加以循环利用。同时，要遵循节省建材的原则，减少不必要的开支。最后，严格把关绿色建筑室内环境。室内是人们工作生活密切接触的空间，室内环境的安全、舒适以及整洁对建筑具有重要意义。总之，绿色建筑需能够满足人们回归自然的需求，使人与自然和谐统一，友好相处。

近年来，随着我国城镇化建设的深入推进，截至2020年上半年，我国城镇化率已经突破60%大关[10]。越来越多现代化建筑拔地而起，总建筑能耗也在不断攀升，目前已占据我国能耗终端总量的30%以上，仅次于工业能耗和交通能耗。因此，建筑物中积极融入绿色元素已经成为建筑行业发展的风向标。在党和政府极力倡导发展环境友好型和资源节约型经济社会的今天，绿色建筑行业必定拥有更加广阔的前景。

3 光伏发电技术在绿色建筑中的应用

3.1 光伏发电技术在建筑墙面中的应用

建筑物外墙通常光滑平整，面积较大，容易接收太阳光的照射，为光伏发电系统在绿色建筑中的应用提供了工作空间和有利条件。在实际工程应用中，通常把太阳能电池面板与建材玻璃集成在一起，通过特殊工艺加工成PV玻璃幕墙，按照一定方式把它们安装在建筑外墙表面，不但隔绝了太阳能辐射的大部分热量，而且能够及时把吸收的光能转化为电能，提供给建筑物内部用电负载使用，很大程度上降低了建筑能耗。尤其在高温炎热的夏季，集成有太阳能电池面板的PV玻璃幕墙通过有效隔绝建筑物外部环境的热量，可以降低建筑物自身温度，起到减少空调功耗的作用。PV玻璃幕墙质地轻盈，色彩丰富，具有光学美感，搭配不同的加工外形，可以美化建筑物，为建筑物赋予更多现代化和时尚化元素，增添了其观赏度。当前，城市建筑物墙面已经成为光伏发电系统应用最多的场合，受到了越来越多建筑开发商的青睐和重视。

3.2 光伏发电技术在建筑房顶中的应用

建筑物房顶虽然在受光面积上不如外墙，但是光照角度的变化对房顶光伏发电系统影响较小。房顶处于建筑物最高处，光源通常不会受到其他建筑物或树木的遮挡，所以在设计和安装光伏发电系统时，基本无需考虑受光角度和最佳位置等因素的影响，只需尽可能地使光伏发电面板按一定方式排满房顶即可，降低了安装难度，节约了系统成本。因此，光伏发电技术在建筑房顶得到了广泛应用，尤其在广大农村地区，太阳能已经走进千家万户，为农村用户热水供给和电量供应提供了清洁持续的能源保障。

3.3 光伏发电技术在建筑天窗中的应用

与房顶相似，建筑天窗虽然与太阳光接触的面积较少，但是把太阳能电池面板安装在建筑天窗上可以改善天窗透光率，对建筑物室内采光有着重要影响。因此，绿色建筑天窗的设计对建筑本身而言具有非常重要的作用。建筑设计师要充分发掘光伏发电技术对建筑天窗的有益效果，考虑建筑天窗外形个性化需求。工程应用时，通常把光伏电池面板制作成符合实际需求的形状与规格，如容易紧贴天窗玻璃的网格状，且要认真布置其角度，确保光伏面板能够充分吸收光照，使其达到最有益绿色建筑的发电状态。

4 提升光伏发电效率的两种方法

4.1 太阳能电池阵列与降温装置相结合

研究表明，光电转换效率受温度影响严重，温度越高，转换效率越低[10]。在我国广大地区，尤其是夏季，受高温和太阳强辐射影响，光伏发电面板的温度通常能飙升到70～80 ℃，严重制约了光伏发电系统的工作效率。因此，在光伏发电系统中，要结合降温装置确保系统发电效率不受温度影响。在具体实施方式上，一般采用水流循环的方法，将水流循环管网铺设于光伏发电面板下方表面，根据系统需要，自动或人工控制水流循环阀门。当循环水的温度高达一定值时，系统控制循环水进入建筑热水管网，为建筑居民提供热水，从而可以有效节约热水资源，降低建筑能耗。值得注意的是，降温装置不局限于采用水流循环的方式，还有其他方式，需根据绿色建筑所处的具体环境和自身特点选取合适的降温方法。

4.2 引入光伏发电面板角度自动调节系统

实验表明，在温度不变的情况下，光伏发电效率与辐照度近似成正比。辐照度越大，光伏发电效率越高，单位时间内系统发出的电量越多。影响辐照度最主要的因素是太阳照射光伏发电面板的角度。受地球自转的影响，太阳光线照射光伏面板的角度随着时间一直在变化。另外，季节的不同也会导致太阳光线照射角度有所变化。因此，为了保证辐照度处于最佳状态，系统要安装光伏面板角度自动调节系统，设定好自动控制程序，控制电机改变光伏面板的角度，使其自动跟随太阳位置的变化进行调整，以确保光伏发电系统始终处于最优工作状态[11]。

5 结 论

随着科技的不断进步，光伏发电成本不断下降，发电效率不断提高，能够把太阳能直接转化为电能，有效缓解用电高峰期公共电网的供电压力。将光伏发电技术应用于绿色建筑符合绿色建筑理念，可以有效降低建筑能耗，减少污染，使人与自然和谐相处。绿色建筑行业的发展依赖国家政策的支持，当前绿色建筑行业在很多方面还缺乏应用规范，需要国家制定相关政策法律和技术规范，进一步引导绿色建筑行业向前发展。十八大以来，随着人们对美好环境需求的日益增长，我国把生态文明建设上升为战略高度，提出创新、协调、绿色、开放以及共享的发展理念，大大促进了绿色经济的发展，使得应用光伏发电技术的绿色建筑拥有更加广阔的发展前景。