光伏技术在建筑电气节能中的应用

张雁洋洋

中铁第五勘察设计院集团有限公司乌鲁木齐分院 新疆 乌鲁木齐 830000

电气系统是所有建筑中耗能最大的部分。近年来，随着我国建设事业的迅速发展，建筑能源消耗也呈上升趋势。为推动我国建筑业健康、可持续发展，必须强化建筑节能设计，实现建筑工程节能降耗。将光伏技术引入到建筑节能设计中，将极大地提升建筑的节能效率，推动建筑产业的长期发展。

1 光伏技术及工作原理

光伏技术是指通过太阳能辐射，将光能直接转化成电能的一种技术。光伏技术的主要应用是太阳能电池，也被应用于太阳能电池板、太阳能电池组、太阳能光伏系统等领域，光伏技术的核心是光伏材料的使用。光伏电池是太阳光电转换的核心。它是由一层P型半导体和一层N型半导体组成，通过P-N结的形成将光能转化为电能。当太阳光照射到光伏电池上时，电池板内部受到激励，电子从半导体带中跃迁到导带中，形成电流并输出电能。光伏电池板并联或串联安装形成的光伏组件，通过光伏逆变器将直流电转化为交流电，以满足家居、商业及公共用途的用电需求。光伏技术已应用于多个领域，如屋顶太阳能板、太阳能路灯、太阳能水泵等，成为现代清洁能源的一个重要组成部分。

2 建筑电气节能的特性需求

2.1 实用性

在中国，建筑电气节能是一个重要的发展趋势，越来越多的建筑都需要找到更适合的电气能源，从而达到节能的目的，而将其它能源转换成电能就是其中之一。所以，在普通的建筑电气节能中，首先要考虑的是转换设备的效果，它是否能够把其它能量转换成真正所需的电能。除此之外，还要考虑到在转换的过程中，会不会出现过度的消耗，会不会为了完成目标能量的转换而出现不实际的损耗。所以，在建筑电气节能方面，需要转换后的能量能够满足实际需要，从而实现建筑电气的“节能”。从当前的角度来看，新能源是一个比较好的选择，其中，光伏、水电、风电等能源在建筑电气节能方面都可以基本满足实际需求。

2.2 合理性

从合理性角度来看，水电、风能、光伏能更符合实际情况。其中，风力发电对环境的要求比较高，通常需要比较开阔的区域来形成强大的风力，并且需要比较平坦的区域来便于安装采集设备；水力方面，需要在地面有较大落差的地方设立装置，以方便采集；而太阳能，对天气、昼夜等方面的影响更大，受到的影响也更大。所以，新能源在某种程度上都会被各种因素所限制，在实际应用过程中，仍会出现一些不合理的地方，要想将其更好地应用到建筑电气节能领域，就必须要不断地去克服这些不合理的地方。

2.3 进步性

从更长远的角度出发，必须先满足实际的要求，然后才能继续考虑今后的发展，因此，在利用电能的过程中，要考虑到各种因素，例如：用电设备的额定功率，各个部门和地区的用电状况，不同时期的用电需求等等，这些都要求专业人士有针对性的进行方案设计，全面考虑不同的能量转换，对比不同的方法的长远收益，以最优的用电效益，设计出符合要求的建筑节能方案，实现长期的节能减排目标。

3 光伏技术在建筑电气节能中的应用优势

3.1 占地面积小

相比传统的发电方式，如火电、水电等，光伏能实现分布式、分散式供电，不仅取消了传统电力站建设所需的大面积土地，也不需要考虑输电线路的影响，使建筑设备占地面积更小，采用更加灵活，可以增加建筑物在限定面积内的发电能力。光伏建筑一般在建筑的外墙或屋顶进行搭建，不占用地面面积，既不影响电站布局，也不影响土地的垂直空间利用。在不会拓宽土地面积的情况下，实现了扩大建筑物能提供的能源量的目的。因此，光伏建筑节能系统可节省大量土地，使用寿命也长，经济效益稳定。

3.2 来源应用广泛

光伏技术源自太阳辐射能，太阳可以被各地消费，而且无需地理限制。在光照充足的情况下，光伏电池板就可以进行电力转换。因此，光伏技术源源不断地为建筑电气节能提供能源。光伏技术应用广泛，从庞大的电力系统到小型的照明系统，从城市建筑到乡村住宅都可以应用。在建筑中，光伏技术可以以各种形式出现，包括屋顶、立面和脚手架式构架，使得在不同类型的建筑中都可以得到应用。此外，还可以将光伏技术与其他技术进行结合，如太阳能热水器、空气集热器等，实现对建筑物能源的全面利用，达到更加高效的节能目的。

3.3 对于地面的破坏程度较低

常规的非可再生能源工厂常常占据很大的土地，产生很大的排放和废弃物问题，对于土地和生态环境的破坏也非常严重。而光伏技术相比之下会产生更少的破坏效应，降低了对于环境的影响，光伏电池板一般直接安装在建筑物上，不需要类似挖掘的土地改造工程，不会对土壤和环境产生破坏性影响，可长期提供电力支持，更加环保[1]。

4 建筑电气的节能现状

4.1 监控系统

建筑物的监控系统是保障建筑物安全和管理的重要手段之一，在一些传统建筑物的监控系统设计中，监控设备不够完善，监控范围有限，监控设备安装位置不当等问题。这些问题可能会导致出现死角区域和盲区，从而增加安全隐患。同时，监控数据处理不及时，可能会出现监控数据积累和处理不及时的情况。这样的情况会增加建筑物的安全隐患，因为监控数据的及时处理对于提前预警和响应异常事件至关重要。

4.2 照明设计不合理

照明系统是建筑电气设计中最基本的要素之一。在一些建筑设计中，设计师往往只关注建筑物的外观，而忽略了建筑物内部的光照环境。因此，建筑物的某些区域可能会出现光线不足或过强的情况，或者出现反射、耀眼和影子等问题。在这些条件下，不但会影响使用者的视觉体验，还可能导致健康问题和事故发生。传统建筑物的照明系统设计常常依据传统惯例和经验来进行，经常出现照明布局不合理的问题。例如，在照明设备的安装位置上，设计过程中没有充分考虑不同视觉要求和光源之间的相互作用等问题。在这些情况下，可能会导致照明质量的下降，同时增加能源消耗。

4.3 通风系统设计不合理

通风系统是传统建筑电气设计中另一个重要部分，它关系到建筑物内部空气质量和舒适度。在传统建筑电气设计中，通风系统的选择通常只考虑到能源消耗和初投资等因素，而没能充分考虑到通风效率和噪声等问题。因此，选择不当的通风系统可能会导致空气品质下降或者噪声污染等问题。同时，在一些传统建筑物的设计中，通风系统的布局存在不合理的问题。例如，通风系统采用的是混合风模式，在采暖和通风过程中可能会产生交叉干扰。另外，通风系统的损失和噪声可能会影响使用者的舒适感。

5 建筑电气节能中运用光伏技术分析

5.1 光伏屋顶

光伏屋顶属于一种较为普遍的光伏新能源技术的应用方式，随着建筑物的数量和高度的不断增长，经常可以在一些高层建筑中看到光伏屋顶的身影。将光电器件安装在屋顶上，可使其与采光面积更广，且与屋顶紧密相连，可防止风对其造成的损害。同时，将其应用于屋顶，还可节省屋顶建筑材料，提高建筑效益。从安装面积上来说，楼顶是建筑中空余面积较大的一块，具有较为理想的地理位置，非常适合安装光伏系统。屋顶可以吸收更多的太阳辐射，并且在屋顶水平面及倾斜面上，所取得的辐射量要比垂直立面要大得多。特别是对于一些高层建筑较多，建筑比较密集，外墙遮挡现象严重的大城市来说，在屋顶安装光伏系统非常方便，而且效果好，还可以实现大规模安装。将太阳能电池板应用于建筑屋顶，虽能取得良好的节能效果，但若大面积应用，将会对城市环境产生影响。此外，若不加以妥善处理，还可能造成光污染，从而影响到居民的日常生活。这些都是在安装太阳能电池板时要考虑到的。将太阳能电池装到屋顶上，相当于在太阳光和建筑物间形成一个过渡，可以提高建筑物的保温效果，减少建筑物的能耗。当前，光伏屋顶技术的应用已经比较成熟，它的安装和后期维护都很方便，而且它的效率很高，成本也很低，可以进行大规模的推广，在世界范围内的建筑系统中，光伏新能源技术的应用主要是以光伏屋顶为主导。

5.2 光伏幕墙

光伏幕墙一般指的是将光伏发电技术应用于建筑围护结构外表层，它将建筑外幕墙技术与光伏发电技术进行了完美的融合，光伏幕墙取代了过去的外墙面，既避免了对环境的污染，又十分节能。光伏幕墙的建设也可以起到隔绝外部噪音、改进传统围护结构的隔音、保障建筑内部温度等作用。在对建筑物光伏幕墙系统进行设计的时候，要以实际情况和自己的特性为基础，将当地的太阳辐射特性和建筑物周围的环境相结合，只有这样，才可以将光伏幕墙的性能充分发挥出来，提高节能效果。

5.3 光伏温室

当前，光伏温室已被陆续用于农业生产中，伴随着人民生活水平的不断提升，光伏温室在农业中的应用范围也在逐步扩展。目前，光伏温室已经被用于鲜花养殖、畜牧业、林业以及果树生产等领域。从实际来看，植物的生长对光线的需求非常高，在温室中采用光伏技术，既可以延长光照时间，又可以保证作物的品质，对食品安全有很大的帮助。将光伏技术应用于农业温室，既能节约土地资源，又能为温室内的其它设备提供电能，满足农户的生产和生活需要。除此之外，在温室中，很容易出现保温和升温的问题，特别是夏天，气温过高，会对蔬菜的正常生长造成不利的影响。而利用光伏技术，利用红外线将外面的温度隔离开来，这样就不会在温室中产生过多的热量，能够确保蔬菜的健康生长。同时，到了冬天，温室的红外波段向外辐射的程度也会随之降低，从而避开了白天和黑夜的巨大温差，起到了一定的保温效果。

5.4 输电线路电气节约

在建筑电气节能领域，光伏技术的应用不仅局限于建筑物屋顶、幕墙等领域，输电线路上同样可以进行光伏技术的应用。在许多情况下，建筑物和城市垃圾站等设施具有许多小型电气负载，如弱电传感器、市政路灯以及需要随时驱动的智能家居设备等。在这些场景下，如果使用阻隔开关作为输电线路的电源，将会浪费大量的能源，缺乏高效的电力供应和能源储存方式。通过在输电线路上置入光伏电池板等设备，可以实现地面化的电力工程，并利用光伏电池板将太阳能转化为电能，将能量储存于电池中。这一方案可以极大地减少城市垃圾站等设施的用能损耗，从而实现节能减排的效果。通过光伏技术的应用，可以向气候变化和环境污染等方向迈出重要的一步，实现可持续性的发展和节能减排的目标[4]。在实现光伏技术的应用过程中，需要注意选择优质的光伏电池板和电池组，以实现更加高效的能源利用。同时，还需要合理设计输电线路的布局和电力储存系统的配置，以实现更加稳定和可靠的电力供应。只有通过全面、高效的电气设计和技术实现，才能为城市垃圾站等设施提供更加可靠、节能、环保的电力供应服务，为人民群众创造更加美好的生活和工作环境，为全球能源问题的解决贡献力量。

5.5 监控系统

在建筑监控系统中，光伏技术也可以得到广泛地应用。在这种监控系统中，主要的设备包括摄像机、传感器和其他监测装置，可以用于监控建筑物或其周边的变化。这些设备需要长时间运行以进行数据采集，并传输至监视中心。由于监控系统中的设备较多，为了保障其稳定运行，需要必要的电源支撑。而光伏技术可以通过光伏电池板和储能系统提供电能，以实现监控设备的长期和稳定的运行。光伏发电是一种可再生的能源，可以降低能源消耗并减少对环境的影响。光伏技术提供的电源支撑可以确保监控系统稳定并可靠地运行。利用光伏技术提供的可再生能源进行建筑监控是一种非常经济实用的办法。使用光伏技术的监控系统可以节约电力成本，同时也可以保护环境[5]。

5.6 照明系统

在建筑的照明系统中，光伏技术可以作为一种独立的电力源来提供能源，也可以与城市电力系统进行并网运行，从而实现照明系统的节能和环保。光伏电池板可以安装在建筑顶部或立面上，以收集太阳能提供电力，并将电力储存于电池中，供照明系统使用。这种系统不但具有独立供电的优点，还可以通过与普通电网的并网运行，充分发挥光伏技术的优势，实现节能和环保。基于光伏技术的照明系统还可以根据实际需要进行系统设计和优化。根据照明光度和照明时间等方面的需求，可以设计出最优化的光伏照明系统。因此，光伏技术的采光利用效率更为高效。此外，光伏技术的采用还能带来很多其他的好处[6]。

6 结论

综上所述，随着时代的发展，建筑行业使用的电器日益增多，建筑电气节能的重要性日益凸显，同时也带来了能源危机与环境污染问题。当前，随着众多科研工作者对光伏技术的研究与开发，使新能源发电技术的发展日趋成熟，其应用领域也日趋广泛。在光伏发电技术产业的应用过程中，需要相关行业人员继续进行探索，对光伏发电技术的发展进行持续深入，对其缺陷进行改进，将其更好地运用到日常生活中，缓解能源短缺问题。