光伏电池在体育运动场馆中的应用

王朦朦

(河南开封科技传媒学院,河南 开封 475004)

当前,人口增长、气候变化、环境污染、能源危机和生态环境恶化等问题日益加剧。由于人类对各类资源的过度开采和超前透支,部分自然资源已出现枯竭的风险,生态环境遭到极大的破坏。于是,人们便把目光转向风能、潮汐能、水能、地热能和太阳能等可再生能源,希望可以替代紧缺的不可再生资源,改善资源短缺现状,谋求长远发展。太阳能是最容易获得的自然能源之一,地域限制小,能量丰富、清洁环保,是典型的可再生能源,也是未来可再生能源发展的主要趋势。目前,光伏电池技术已相对成熟,规模逐渐壮大,应用于体育运动场馆的建设中,会给体育领域的行业发展以及城市升级改造带来较大的积极影响,值得推广。

1 光伏电池系统概述

光伏发电是依托于半导体材料的光电效应,将太阳能转化为电能,从而实现供电的技术,包括逆变器、控制器和太阳能电池等组件,其中,太阳能电池是关键的技术元件。根据供电形式的不同,光伏发电系统可分为能够独立运行的独立发电系统、与公共电网相连的并网发电系统和分散式分布的分布式发电系统等。随着光伏发电技术的快速发展,光伏材料日益创新,光伏发电成本大幅度降低,在各个领域的应用也更加广泛。首先,光伏发电技术可以应用到日常生活用电领域,尤其是高原、海岛等电力供应有困难的边远地区,解决用电不方便的问题,还可用于水泵系统,解决无电地区的用水问题;其次,光伏发电技术广泛应用于交通领域,如交通信号灯、路灯和交通警示灯等;此外,光伏发电技术还可应用于通信、气象、石油和体育等领域,前景十分广阔。

2 光伏电池在体育运动场馆中的应用

光伏电池系统在体育运动场馆中的实际应用体现在功能性和建筑设计两个方面。

2.1 功能性

在功能上,光伏电池作为体育运动场馆的电力来源,可以应用于体育场馆的照明系统、运输系统和空调系统等领域。照明系统是体育场馆的重中之重,只有合理、有效的照明系统才能保证运动员、裁判的良好视野,以及观众的良好观感。体育运动场馆照明系统中,多种灯具都可以使用光伏电池,如路灯、聚光灯、办公用灯等,可以使用光伏电池独有的自动开关功能,利用太阳光的照射时间来控制运动场馆的工作时间。一些观赏性灯光,也可以使用光伏电池,如国家速滑馆“冰丝带”的外部设计正是采用太阳能光伏发电技术,电池板模块散落在由屋顶至地面的结构上,散发着淡蓝色的光,与冬奥会的主题交相辉映。体育运动场馆的场地一般空间较大,不同场馆之间的距离较远,常需要车辆在馆内运输物品,此时新能源动力系统的车辆则可以发挥优势。目前,已经有一些团队在研发车载光伏技术,将太阳能电池安装在电动汽车上,提供部分动力来源,该技术可以提升新能源电动汽车的性能,减少充电时间和次数。夏季和冬季体育场馆内需要运行空调系统以保持适宜温度,需要耗费巨大的电能,太阳能发电系统可以提供电能,以供给空调设施用电。另外,当体育运动场馆内没有体育赛事时,光伏电池发出的电能可以输送至电网中,缓解城市的能耗需求,节省能源。

2.2 建筑设计

光伏电池是接收直接照射的太阳光进行电能转换,通常需要安装在建筑物表面,因此,光伏电池是体育运动场馆建筑设计的一部分。在对体育运动场馆进行设计时,需要综合考虑光伏电池的位置和材料。光伏电池与建筑物的结合形式有两种:一种是以主体建筑为依托,将光伏模块加装在建筑物上,可拆卸,这种形式称之为建筑光伏;另一种是光伏电池系统作为建筑物的一部分,镶嵌在建筑材料上,被称为集成光伏。这两种形式在体育场馆的建筑中都有应用。

建筑光伏最常用的安装位置是在建筑物顶部,顶部系统直接接收太阳光照射,不受其他建筑物遮挡,日照资源丰富,并且建筑顶部比较空旷、面积大,不会对原有建筑结构产生明显影响,适合光伏电池系统的安装。很多体育场馆建筑在后期改造过程中,都采用了顶部加装太阳能光伏材料的设计,意大利的维罗纳圆形体育馆在改造过程中,就是直接在建筑顶层平铺光伏阵列,从上空看,光伏阵列从圆心开始发散,圆形结构更加突出;美国的多功能体育中心——斯台普斯中心,也是在屋盖直接布置太阳能电池板。

除了建筑物的顶部,墙面也是日照辐射强度比较大的位置,但是由于体育运动场馆一般设计性较强,造型比较特殊,墙面往往是不规则的,并且每个墙面的面积差异也较大,给光伏电池系统的布置和安装造成了较大的难度。东南、西南方向的墙面更容易受到阳光照射,有利于光伏发电系统的铺设,但体育场馆的南北向往往作为短轴,建筑面积较小。这是因为需要在馆内外侧设置观众看台,而北向看台的观众容易受到太阳直射影响。这类体育场馆需要结合具体的建筑结构特点来决定铺设光伏电池系统的面积和数量。相较而言,棒球场馆则比较适合安装光伏电池系统,该类体育场馆是一个直角扇形,观众一般多集中在两个直角边上,位于西南或者东南方向,面积较大,并且比较规整,有利于光伏电池系统的铺设。

集成光伏是光伏发电技术应用于建筑中的一种形式,集成光伏与建筑本身融为一体,不需要过多考虑安装的问题,只要是易于接收太阳光的位置都可用集成光伏组件代替原有的建筑部分,有利于光伏电池系统的推广,是未来光伏电池应用的主要方向。集成光伏形式也给体育运动场馆设计带来更多可能性。以“龙”为造型设计的中国高雄龙腾体育场就是采用集成光伏的形式。该体育场以龙为主题,蜿蜒曲折,光伏电池板就像巨龙身上的鳞片穿插在体育馆屋顶上,这也是全球首个完全由太阳能供电的体育场馆。龙腾体育馆的表层建筑由悬臂、螺旋钢管和光伏电池板组成。悬臂结构承载主要重力负荷,通过间隔连接的方式构成屋顶的主体架构;螺旋钢管包覆在悬臂外,对悬臂的结构起辅助支撑作用;太阳能电池板则镶嵌在悬臂的间隔中形成屋顶。由于悬臂间隔的形状不同,太阳能电池板的形状和尺寸也各不相同,巧妙的设计构思与太阳能电池板的高超工艺相得益彰。

在全球倡导“碳中和”的今天,“绿色体育”和可持续发展演变为新时期的体育发展观念。场馆是承办体育赛事的主要载体,在体育运动场馆的建筑设计中加入新能源技术正是“绿色办赛事”的重要体现。光伏电池系统将可再生能源转化为电能,使体育运动场馆实现绿色电力供应,赛后还可以供应其他民生用电,充分响应了“绿色体育”的号召。

3 光伏电池在体育运动场馆中应用的意义

将新兴的光伏电池系统应用于体育运动场馆的建设中,可充分发挥光伏电池的优势,有着积极的社会效益、经济效益和环境效益。

首先,光伏电池在体育运动场馆中应用,可以充分利用太阳能资源,节省经济成本。传统的电能由煤炭和天然气转化而来,开采程序比较复杂,需要大量的劳动力参与,储存及运输费用昂贵,后期还需要一定的维护费用,总体生产成本较高。光伏电池系统借助太阳能板在室外直接吸收太阳能并转换为电能,只需将太阳能板安装在体育运动馆的建筑结构中,不需要额外的存储、运输,既节省了土地资源、劳动力资源,也降低了成本,维护起来相对高效、简单,大大节约了能源开采后的其他费用,经济效益显著。从体育运动场馆的运营方来看,运动场馆的运作主要靠电力来支撑,尤其是赛事活动往往在用电高峰期举办,电价较高,电费支出是一笔庞大的费用。光伏电池部分或者完全代替传统供电系统在运动场馆中的应用,可以节省运营方的运营成本,降低支出,使运营方将更多的工作重心放在赛事活动上。

其次,光伏电池系统在体育运动场馆中的应用,符合“绿色运动”的理念,绿色环保。随着社会的发展,人类利用资源的手段和技术越来越先进,对地球资源的挖掘、破坏也越来越严重。由于现代化进程的不断加快,用电量持续增加,人们对煤炭、天然气、石油等资源的开采规模越来越大,这些自然资源不可再生,资源储量日益减少,能源紧缺问题严重。同时,这些资源在开采过程中通常需要大规模施工作业,可能会破坏原始生态环境。煤炭等资源在转化为电能过程中,还会产生大量有害气体,污染大气环境,破坏地球的生态平衡。光伏电池系统则可以充分利用太阳能资源,阳光照射地球表面能够产生巨大的能量,资源十分丰富,取之不尽、用之不竭,可以弥补其他自然资源紧缺带来的问题,缓解能源危机。同时,太阳能资源清洁环保,无需开采,不会对自然环境造成破坏,后续使用过程中也不会对环境产生二次污染。近年来,国家和国际社会对生态环境的重视程度越来越高,中国更是在全球范围内大力推动全球生态环境治理工作的发展,不断推出“可持续发展”“绿色发展”“节能减排”“碳中和”等理念以及多项生态文明建设举措,加强环境保护进程,以应对气候变化、能源紧缺等全球性挑战。新型能源的设计开发正是对上述政策的积极响应,尤其将光伏电池系统应用在耗电量较大的体育运动场馆内,减少了传统电能的消耗,而运动本身就代表着热爱生命、拥抱自然,体现着阳光、积极的精神,光伏电池系统与运动的本质不谋而合。

再次,光伏电池系统体育运动场馆中的应用,保证了用电的安全、可靠。光伏发电系统稳定,不易受其他因素影响,结构简单,维护容易,不易出现设备故障问题。第一,光伏发电系统在接受阳光。并将光能转化成电能进行利用或者储存的过程中,不受资源储量的限制,也不需要异地运输,保证了供电系统的稳定、可靠。光伏电池设备可以拓宽体育运动场馆的选址范围,打破地理位置的限制。第二,光伏发电系统采用模块式结构进行搭建,安装和拆卸比较便捷,不需要大型的设备进行施工,减少了人员施工和设备运行的危险。第三,光伏电池往往设计在体育馆建筑的顶层,既节省了空间又保证了用电安全,一举两得。

最后,光伏电池系统在体育运动场馆中的应用,还可以促进科技创新,促进新能源产业发展。体育运动场馆用电量大、用电时间集中,对供电系统的稳定性、安全性是一个巨大的考验,光伏电池需要提高使用率,积累使用经验,不断创新、优化,快速成长起来,体育运动场馆建筑是较为适合光伏电池系统的应用场景。体育运动场馆的造型多样,对光伏电池材料的要求较高,就需要不断对材料的性能进行改进、创新,以满足使用需求。

4 结语

体育运动是一项强身健体、愉悦身心的活动,对国民素质发展有着重要的作用,体育场馆的建设也应紧跟时代的潮流,创新运营机制,优化硬件设施。光伏电池属于新能源技术的一种,是科技不断发展的成果,将光伏电池系统广泛应用在大型体育运动场馆的设计中,可以节省自然资源、降低场馆运营成本,贴合“绿色办赛事”的理念,同时促进科技创新与国民素质联动发展,有着蓬勃的发展前景。