新能源光伏发电助力建筑电气节能减排探讨

摘要：随着我国“双碳”目标的提出，各行各业向绿色低碳转型。建筑行业作为碳排放大户，成为推动“双碳”目标实现的重要影响因素。在此背景下，建筑行业绿色转型发展使光伏发电在建筑电气中迎来了全新的发展机遇。基于此，我国建筑行业应明确新能源光伏发电技术在建筑电气项目建设中的重要作用及运用优势，彰显技术利用价值，减少能源消耗和建设污染等现象。

关键词：光伏发电；建筑电气；节能减排

DOI：10.12433/zgkjtz.20233102

光伏与建筑的结合不应仅考虑光伏装机量，还要考虑光伏发电建材与建筑设计、城市环境风貌、区域文化元素等的关系，应利用光伏建材可灵活定制颜色、图案、尺寸、形状、结构厚度、透光度等优势，将光伏建材产品融入建筑设计。光伏建材需满足安全、美观、实用、耐用、经济五大条件，与常见光伏电站中的光伏组件相比，建筑中应用的光伏建材产品要求更高。光伏建材产品在满足安全的前提下，既要满足业主、建筑设计师对美观、透光度、尺寸等方面的需求，又要坚固耐用，具备较强的发电能力和经济性，同时满足以上需求的难度较大。

一、概述

（一）光伏发电原理

光伏发电是当前应用广泛的一种发电形式，在电力生产过程中主要通过硅晶电池实现太阳能向电能的转化，再利用控制器将得到的直流电转换为交流电，控制器也可以实现对交流电的调节。目前，光伏发电系统主要有离网光伏发电、并网光伏发电和分布式光伏发电三种，无论哪种发电形式，均会受到外界环境的影响，因此加强对光伏发电影响因素的研究，对提高电气节能效果具有重要意义。

（二）建筑电气节能减排的原则

在建筑电气节能减排工作中，为了使该工作目标得以实现，必须注意遵循以下工作原則：第一，遵守相关规范及标准，合理规划建筑用能用电，按照分类分项进行实时监测和控制，以此及时发现电能资源的过度损耗问题，分析原因并解决，确保电气节能减排工作目标可以高质量实现。第二，建筑工程人员要高度重视节能环保设计工作，把握节能环保设计工作的核心内容，不断加强对节能环保新技术新产品的认识和学习，利用新技术、新方案、新产品提高建筑电气节能减排水平，从而降低建筑电气使用成本和运行能耗，提升项目整体的经济效益。第三，各类建筑工程不仅要重视经济效益，还要以节能环保原则为准则，选用电气节能环保型产品，大力发展绿色建筑，提升建筑工程周边生态环境质量，为大众提供宜居的环境。太阳能光伏发电系统技术已相对成熟，设备稳定可靠，回收成本高，符合建筑电气节能减排的各项要求，因此可广泛应用于各类建筑工程项目中。

二、建筑电气节能技术应用中存在的问题

（一）环保意识不足，对节能技术不够重视

随着经济的发展，能源成为人们日益关注的话题。结合当前施工实践来看，建筑施工单位的管理水平普遍较低，管理人员环保意识不足，尚未充分重视节能技术，导致无法充分发挥节能技术的运用作用。同时，施工技术与管理模式有待完善，需要不断提高施工效率，减少资源浪费，避免施工成本增加，降低经济效益，影响生态环境。

（二）电力系统频率稳定性问题

1.频率控制策略

主要通过调整发电机组的有功功率实现系统频率的稳定。常见的频率控制策略包括主动功控制、无功功率控制、风险约束控制等。新能源发电设备可以参与频率控制，通过调整其有功输出实现对系统频率的支撑。

2.新能源发电

对频率稳定性有所贡献的新能源发电设备，例如，风力发电机组和光伏发电系统，可以在一定程度上参与系统频率控制。例如，风力发电机组通过调整其叶片角度实现有功功率的调节；光伏发电系统通过逆变器控制实现有功功率的调整，这都有助于提高电力系统的频率稳定性。

（三）成本压力过大，节能技术落实不到位

虽然在低碳经济的发展理念下，建筑行业对节能减排技术的重视程度越来越高。然而，结合建筑工程实践可以发现，建筑行业所需的投资成本也是其他行业无可比拟的，例如，在电气设计的过程中，建筑企业会为设计人员提供一个成本指标，要求设计人员在成本的范围内进行设计，而设计人员在巨大的成本压力之下，基本也无法选择节能设备。

三、新能源光伏发电助力建筑电气节能减排探讨

（一）培养高素质的光伏发电技术队伍

在建筑工程的设计、建设及维护阶段，为了进一步高质量落实新能源光伏发电系统的应用，要加快培养光伏发电技术专业工作人员，采取有效措施提升人才队伍的专业综合素质，使工作人员掌握光伏发电技术的核心内容，确保光伏发电系统的高利用效率，助力建筑工程节能减排工作目标的有效完成。此外，建筑电气工程设计工作要满足国家及地方性规范标准的需求，同时结合建筑工程的实际，有针对性地应用新能源光伏发电系统，并在实施过程中不断优化光伏发电技术的应用方案、系统架构及设备选型。这一举措能降低光伏发电技术的应用成本，充分发挥光伏发电的核心价值。

（二）光伏发电并网技术

1.技术特点

光伏发电并网技术将太阳能电池组件所产生的直流电力经逆变器转换成AC电力，再由公用电网进行供电。光伏发电系统可分集中式和分散式两类。集中式光伏发电系统的特征是将电力直接传输至电网，再通过电网对不同用户进行统一分配，适合大规模的太阳能发电站；而光伏发电并网技术可以实现光伏发电系统与电网的互联互通，通过与电网的连接，实现电能的输出和负载的供应，也可以将多余的电能输入电网，实现能源的互补和共享。通过充分利用电网的支持和保护功能，光伏发电系统在并网运行过程中能保证电能输出的稳定性和可靠性，也能确保电网安全稳定的运行，实现双方的互惠互利。

2.节能节排功能

光伏发电并网技术可为建筑提供绿色能源，促进电气节能减排效果。该技术可利用建筑物屋顶、车棚，在不破坏原有建筑结构及防水性能的基础上建设光伏构件，由此减少能源消耗，降低室内屋顶、地面的温度，降低生产用电成本。例如，10kW及以上的分布式光伏电站在光伏发电并网技术的应用中，用直采的方式接入有关的调度机构。在此过程中，可使用电力调度数据网和无线网，需保障使用的数据满足调度数据的采集和频率需求。

（三）太阳能屋顶

目前，在建筑物顶部安装太阳能板是一种较普遍的太阳能利用方式，随着建筑行业发展水平提升和建筑工程量增加，可以在大多数高层建筑屋顶发现太阳能板的身影。将太阳能板安装在建筑屋顶能实现光照范围最大化，设备与屋顶结构紧紧贴合还能减少风力对建筑的影响。太阳能屋顶能代替屋顶结构，降低材料用量，经济效益显著。

其优点在于：第一，屋顶是建筑物外侧最大的闲置空间，是建筑物中适合安装太阳板的位置，高效利用屋顶可大幅提升建筑物的空间利用率。第二，由于屋顶的斜坡与水平方向都比地面更高，因此屋顶是吸收日光最好的位置。在屋面设置水平或倾斜的平面，吸收的太阳辐射量将超出垂直立面吸收的太阳辐射量。

在建筑物屋顶安装太阳能板，屋顶结构不会影响建筑物的总体美感。尤其对于城市化建设较完善的区域，可在已有建筑基础上提升建筑的环保性。如果将太阳能板设置在建筑外墙，可能会由于操作不当影响周边行人与居民的视线，造成眩光污染。建筑密度较高的城市，其外墙遮挡现象较严重，多数地方不适合安装太阳能板，即使安装发电效率也较低。

如果将太阳能板应用于高层建筑屋顶，可在建筑物与阳光间建立一种“过渡”结构，提升建筑物的保温隔热效果，进而实现节能降耗的目的。目前，国内已有较成熟的太阳能屋顶设计技术，无论是前期的安装工作还是后期的维修工作，工艺都较简便，可推广运用。

（四）逆变器的设计

太阳能光伏逆变器是光伏系统中的核心部分，主要功能是将太阳能电池组件产生的直流电转换成交流电，再经过逆变器将交流电转换成直流电，从而输出电能。太阳能光伏逆变器根据控制方式可以分为有源逆变和无源逆变。在光伏发电系统中，逆变器是核心设备，其性能和质量决定了光伏系统的工作效率、可靠性以及安全性。在系统设计中，应从以下方面进行考虑。

1.系統容量

光伏发电系统中通常包括多块光伏组件，在实际安装过程中，应详细分析太阳能电池组件的功率以及安装位置，确保逆变器稳定运行。

2.运行模式选择

逆变器需要选择运行模式。光伏发电系统主要包括MPPT和最大功率点跟踪两种运行模式。其中，MPPT模式可以使光伏电池组件产生的直流电转变成交流电，从而输出电能；而最大功率点跟踪模式是使光伏电池组件产生的直流电转变成交流电，从而使其输出电能。

3.孤岛检测装置

孤岛检测装置主要是用来检测光伏系统中是否出现故障，确保光伏系统正常运行。

4.防雷保护设计

为了提高系统的安全性和可靠性，应对光伏发电系统进行防雷保护设计。一般采用防雷器对电路进行保护，能有效避免由于雷击而造成的严重后果。

（五）光伏电池板安装方式

为了更好地利用光能，科学安装光伏电池板也是提高光伏发电效率、降低企业能耗的重要途径。现阶段，光伏电池板安装方式主要包括固定式、单轴跟踪式以及双轴跟踪式三种。

固定式是将光伏电池板固定安装在某个位置，并处于静止不动，该种安装方式应用广泛、安装方式简单、安全性高，也是三种安装方式成本最低的一种。

单轴跟踪安装形式主要借助单轴自动跟踪器对光伏电池板的角度进行动态化调整，主要根据外界光照强度的变化而改变，相比较固定式安装方式最多可提高30%的发电量。当前，单轴自动跟踪安装方式也分为单轴跟踪和极单轴跟踪，极单轴跟踪安装方式由于施工成本较高，容易受到大风的影响，应用并不广泛。

双轴跟踪安装方式是根据太阳光的照射情况可以转向各个方向，双轴系统可以最大程度上利用太阳辐射的光能。该种安装方式能在光照资源较差的地方应用，吸收太阳能，相比较固定式安装提高40%的发电量，但造价较高，安装技术有待进一步完善。基于此，本文光伏新能源节能改造采用固定式安装方式，以此降低改造项目对企业所产生的成本压力。

（六）光伏列阵技术

依靠单一光伏电池产生电能无法满足供电需求，还需采用光伏列阵技术进行多块光伏电池排列组合，在实现电能充分采集的同时，利用逆变器等设备将直流电转换为交流电，从而实现供电目标。而设计光伏列阵需要根据太阳照射角度、时长等因素分析光伏发电效率，根据不同地区和季节的光照强度变化进行研究，采取适合的方法进行光伏电池排列，确保列阵可以尽可能输出更多电能。采用跟踪技术监测光伏电池最大发电功率，通过检测电流和电荷与同场其他电池进行比较，确定电能转换慢的原因，提出有效改进措施，确保有效提高光伏发电效率。在光伏列阵的最大开路电压处，确认列阵输出电压不超逆变器最大允许输入电压，电流不超逆变器最大输入电流，通过调整串联组件数使功率输出接近逆变器额定功率。使列阵的电压、电流和功率与逆变器匹配，实现最高逆变效率，为实现并网发电奠定基础。

（七）逆变器的设计

第一，系统容量。光伏发电系统中通常包括多块光伏组件，在实际安装过程中，应详细分析太阳能电池组件的功率以及安装位置，确保逆变器稳定工作。第二，最大功率点跟踪控制算法。为了保证太阳能电池组件的功率持续输出，需要对其进行最大功率点跟踪控制算法的设计。最大功率点跟踪控制算法主要分为无反馈和有反馈两种算法，常用的是有反馈法，可以减少跟踪误差，使系统更加稳定。

四、结语

综上所述，建筑工程行业迎来了重要的发展机遇，但随着建筑工程数量的日益增多，建筑电气能耗快速增加，不仅加剧了传统化石资源消耗，也不利于生态环境质量的维护。因此，随着现代化科学技术的发展，新能源光伏发电技术应运而生，并迅速得到广泛应用。该技术可以有效降低建筑电气工程的用电能耗，解决环境污染问题，打造真正的“绿色建筑”，并加快实现建筑电气节能减排目标，促进建筑行业的稳步和健康发展。

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作者简介：亢涛（1984），男，山西省襄汾县人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化。