光伏空调的应用研究及分析

徐盘灵

［合肥工业大学设计院（集团）有限公司，安徽 合肥 230000］

0 引言

2021 年11 月，中美发布了《中美关于在21 世纪20 年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》，承诺加强气候合作，捍卫《巴黎协定》的成果，避免了格拉斯哥会议“沦为空谈”，彰显了大国担当。我国“碳达峰、碳中和”顶层设计逐步完善，推进思路逐步清晰。2021 年10 月，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》，两者共同构成贯穿碳达峰、碳中和两个阶段的顶层设计。

持续推进产业结构调整、能源结构调整及实施节能提效，是实现碳达峰碳中和目标的关键路径。立足我国的大环境下，节约资源和保护环境更是基本国策。工业、交通和建筑，被公认为全球三大“能耗大户”。据世界银行预计，到2030 年，若要实现节能减排的目标，70%的潜力在建筑节能减排方面。建筑能耗在我国能源总消费中所占的比例已达40%，并且近年来一至保持增长态势。据统计，空调系统耗能在建筑耗能中占比已超40%，大型公共建筑中的空调系统耗能约占比达50～65%，数据中心机房中除IT 设备能耗外空调系统耗能占比甚至超过80%。随着功能日趋复杂及体量日趋庞大建筑的增加，随着人民对室内环境更卫生、更舒适的要求，随着空调市场需求的快速增长，空调使用频率的增加，也带来了诸如能耗增加、碳排放超标、热岛效应等系列问题，这些问题如果得不到有效解决，将会产生更为严重的能源危机及生态环境等问题。

加快调整优化产业结构、能源结构，大力发展光伏发电、风电等可再生能源发电，推动煤炭消费尽早达峰。在我国能源结构大调整的关键时期，清洁能源特别是太阳能的技术发和应用亟待发展。太阳能的利用方式中主要分太阳能光伏利用和太阳能热利用。太阳能光伏利用是利用光伏材料吸收太阳能，并将其转换为电能供给到公共电网或个人电用户；太阳能热利用是利用吸热材料吸收太阳能，并将其转化为热能供给到供热管网或热用户。在太阳能光伏利用中，采用光伏空调对建筑室内环境进行制冷和供暖，在有效改善建筑室内环境温湿度的同时，可以从源头有效减少煤炭消费，避免了煤炭在生产发电过程中的环境污染及碳排放等问题，在使用过程成有效减少公共电网的用电荷载，顺便起到“削峰填谷”的作用[1]。

1 光伏空调的研究

光伏空调是近几年新出的产品，在国内已有厂家生产并投入使用。据格力介绍，格力光伏空调系统覆盖工厂、学校、商业办公、住宅等应用场景，目前已为超过30 个国家和地区搭建了8000 余套光伏空调系统。那么光伏空调复杂么，与平常使用的空调有什么区别？其实光伏空调可以理解为一台太阳能空调。它的基本结构和制冷原理和普通空调完全相同，唯一不同的是在空调的外机上面配一套太阳能发电板，利用太阳能发电板，给空调的压缩机等供电，如图1 所示。

图1 简易太阳能空调

当然，这是为了便于理解简单举例，实际上太阳能板与空调外机之间还有太阳能光伏组件、蓄电池、逆变器、控制器等部件。太阳能光伏空调系统中，对于节能减排及方便使用影响较大的主要是光伏组件、蓄电池两个部件。

光伏组件主要包括太阳能电池片、光伏玻璃、封装材料、背板、边框及接线盒，如图2 所示。

图2 光伏组件结构

由于单片太阳电池片输出电压较低，未封装的电池片由于环境的影响电极容易脱落，因此必须将一定数量的单片电池采用串、并联的方式密封成太阳电池组件，以避免电池电极和互联线受到腐蚀，另外封装也避免了电池碎裂，方便了户外安装，封装后一系列构件组合称为光伏组件。太阳能光伏组件能够直接吸收太阳能，并利用太阳能电池半导体PN 结的“光生伏特效应”将吸收的太阳能按光伏组件自身的转换效率转换为直流电能，为空调或蓄电池提供动力。光伏领域第三方市场调研与咨询机构PVInfoLink 最新发布的2021年全球组件出货排名显示，前十大光伏组件供应商中，中国公司占据8 席，并包揽前6 名。光伏组件的最大产能和最先进技术均在我国。目前，光伏组件的转换效率已高达23%，光伏组件主要靠提高转化效率来降低成本，未来随着光学优化（如使用透光性更高的镀膜玻璃、反射性更强的背板）、电学优化（如使用多主栅、半片及叠瓦技术）、结构优化（如采用无框及双面玻璃等结构），转换效率还会更高[2]。

蓄电池是太阳能光伏空调中储存能量的主要部件。夜间没有光照，但依旧可能会有空调需求，阴雨天也是如此，因此一套合格的光伏空调系统，除了光伏组件、空调内外机之外，还需要配电单元与储能单元。考虑太阳能具有间歇性和昼夜变化的特点，在光照充足的时段太阳能光伏组件能够提供充足的电能保障系统工作，多余的电能输向蓄电池或市政电网储存，但在夜晚或多云的情况下，太阳能光伏组件不能提供足够的电能，此时储存在蓄电池内的电量或者市政电网的电量可以用作补充[3]。

由此得知，根据光伏发电情况及空调系统工作需求，以光伏直驱变频离心机系统为例，光伏发电及蓄电池工作情况主要分为以下5 种情况。

（1）当纯市政电网输电工作模式时，光伏组件系统不发电，主机向市政电网取电运行，机组相当于常规高效变频离心机，工作模式如图3 所示。

图3 纯市政电网输电工作模式

（2）当纯光伏发电工作模式时，主机不工作，光伏发电系统所发电能全部向储能电池或市政电网送电，机组提供光伏逆变器功能，系统相当于一个常规光伏发电站。

（3）当纯光伏发电工作模式时，主机工作，光伏发电功率等于主机耗电功率，光伏发电系统所发电能全部用于主机耗电，光伏发电系统所发电能完全自发自用，对外实现零耗电。

（4）当纯光伏发电工作模式时，若光伏发电功率大于主机耗电功率，光伏发电系统所发电能一部分用于主机耗电，其余剩余部分输向储能电池或市政电网。

（5）当纯光伏发电工作模式时，若光伏发电功率小于主机耗电功率，光伏发电系统所发电量不满足主机耗电量，需要从市政电网或储能电池补充部分电能[4]。

2 光伏空调的应用分析

（1）光伏发电的降本增效。国家能源局日前公布2021 年光伏发电建设运行情况，数据显示，2021 年我国光伏发电新增并网容量5488 万kW，其中集中式光伏电站2560.07 万kW，分布式光伏2927.9kW。近年来，随着产业规模不断扩大，技术迭代升级不断加快，智能制造迅速推广，光伏发电成本下降了90%以上。与此同时，我国光伏发电成本也有了大幅降低，截至2022 年已降至0.3 元/kW·h 时以内。“十四五”期间还将降到0.25 元/kW·h 以下，届时光伏发电成本将低于绝大部分煤电。如进一步考虑生态环境成本，光伏发电的优势将更加明显。未来，光伏发电的成本还将进一步降低，而化石能源的环境成本、排放成本还会上升。

（2）光伏空调技术发明应用。光伏直驱变频空调技术，将光伏直流电直接并入变频空调机载换流器的直流母线，相比传统的光伏发电+变频空调模式省去了上网和供电时进行交/直流电转换的能量损耗，提升系统效率6%～8%。首创三元换流技术，建立了光伏发电系统、变频空调负载和公用电网三者之间的三元换流模型，现了电能在直流侧双向流动、多路混合。系统可实时切换五种运行模式，电能动态切换时间小于10ms。

（3）2021 年 11 月，格力举行光伏（储）直流变频多联机技术推介会，正式推出绿色节能技术——光伏（储）直流空调系统。光伏（储）直流空调系统由光伏系统、储能系统、空调系统和能源信息管理系统组成，搭载格力光伏直驱变频技术，不仅可以实现电力自发自用，还能够将多余电量供给其他用电设备[5]。

（4）2021 年6 月，国家能源局综合司下发关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知。根据文件，项目申报试点县（市、区）要具备丰富的屋顶资源、有较好的消纳能力，党政机关建筑屋顶总面积光伏可安装比例不低于50%，学校、医院、村委会等公共建筑不低于40%，工商业厂房屋顶不低于30%，农村居民屋顶不低于20%。随着整县光伏政策的推进，光伏的应用形式和分布式消纳问题成为关键。光伏（储）直流空调系统具有直流直驱、自发自用等特点，是对零碳电能的更高效利用，是一种新型的分布式发用电一体化解决方案，是整县光伏政策在建筑上落地的最佳途径。

3 光伏空调的发展方向

目前市场上已经有了一部分优秀的光伏空调产品，包括大型的光伏直驱变频空调，中小型的光伏（储）直流变频多联机，这些都是研发持续投入及技术创新的结果，说明我国在光伏空调领域已经取得了一定的成就。但在当今时代背景下，还是有4 点值得关注。

（1）太阳能有其天然不稳定性，因此光伏发电也有其不稳定性，这就增加了电网调控、平衡的难度，要加大智慧电网的建设。

（2）加快重大技术创新示范，推进储能设备研发、标准制定、运行管理，推快储能产业化发展，避免弃光弃电，稳定空调系统的电能供给[6]。

（3）将太阳能光伏空调系统运用在更广泛的建筑节能领域中，设计时要考虑到太阳能光伏空调系统的空调效果与节能效果，运行管理时也要纠正人们使用空调的不良习惯，如避免空调温度的过高或过低、无人使用时空调应及时关闭等行为。

（4）光伏空调用电自给自足，为了保证全天候运转，必须备足足够的储能。大型项目空间开阔，可以安装足够的光伏组件与储能单元，保障日常用电。但是家用光伏空调没有这样的光伏组件安装条件，即使有安装条件，设备成本也比较昂贵。未来的家用光伏空调需要质优价廉，才能走进寻常百姓家中，惠及人民。

4 结语

由于昼夜变换、阴雨及季节等自然因素的影响，以及光伏空调设备成本因素的影响，太阳能光伏空调目前仅在重点项目或大型项目中应用，光伏空调在推广的道路上依然有许多困难需要解决，未来要实现规模化推广和应用还任重道远。为了更好地发展太阳能光伏空调，开拓太阳能空调新领域，要加快太阳能光伏组件和光伏直驱技术的突破，加快研究制冷技术与光伏发电技术的改变，使得太阳能光伏空调能规模化推广和应用到更多的建筑当中。