光伏新能源技术在城市智能建筑电气中的应用

曹 刚

（中国能源建设集团山西电力建设第三有限公司 山西 太原 030006）

随着我国建筑业的持续繁荣，一批以建筑为主体的智能化建筑开始涌现。虽然智能家居、智能安全监控管理小区等一系列智能建筑，正在为社会创造安全、高效、便捷、健康的智能建筑物居住环境，但是也给人类的生存和发展带来大量的能耗消耗。现在全球倡导可再生能源利用，而光伏作为新能源之一，很多国家都在关注。尤其建筑方面，美国从2010 开始，就推出“百万太阳能屋顶计划”，而欧美国家的光伏技术已经占据建筑的40%以上。尽管我国光伏行业发展很快，但是我国光伏新能源技术在建筑工程中的运用，还停留在理论层面，运用到建筑工程中还很少。因此，开展光伏新能源技术在城市智能建筑电气中的运用，不仅可以从根本上解决城市智慧建筑电气的高能耗问题，还可以推进光伏新能源技术在城市智慧建筑电气系统中的应用，从而促进我国智慧建筑电气的发展。

1 光伏新能源技术概述

我国在实现社会主义现代化进程中，能源对社会、经济的发展起到了重要作用。当前，我国经济处于高质量发展时期，能源需求巨大，因此必须重视能源资源的开发和利用。而在可持续发展和绿色经济发展理念深入人心的背景下，国家发展对能源的种类和要求越来越高。由于太阳能是一种可再生、洁净的新能源，在解决我国能源使用问题上有着显著的作用，已成为国家发展新能源的一个重要趋势。如果要将光伏新能源技术在城市建筑中进行科学合理的应用，那么一定要对光伏新能源技术的有关内容有充分认识，对其应用环境、应用条件等进行详尽的分析，为光伏新能源技术的应用提供理论支撑[1]。另外，利用光伏新能源技术在建筑电力系统中的优势，进行安装、维护、工作区等方面的规划，并尽可能地避开较高建筑的遮蔽范围，使其得到更多的阳光，从而不降低器件的工作效能。

2 光伏新能源的优势

光伏发电站与建筑相融合建设，具有安装灵活、占地面积少等特点，将其安装在城镇居民的屋顶墙上，方便有效接受太阳照射，随时接收太阳能，大大节约建筑的使用空间。只有在太阳光不断照射下，才可以正常进行发电，发挥出基础设施建设的效果。光伏发电站的使用不会产生任何温室气体，也不会产生有毒、有害的气体，能对石油和煤炭等非再生资源而导致大量的温室气体现象，及时有效地改善。另外，由于光伏系统的价格越来越低廉，降低了太阳能光伏系统的运行和维护费用，就具备了经济合理、稳定和安全的优势。最后，随着太阳能电池发电效率不断提升，以及太阳能电池系统的使用日趋成熟，配置普通型式的太阳能电池板，即可以基本满足家庭、企业的能量需要，可以将资源节约得到最大程度的发挥。

光伏新能源技术有3 个方面优势。第一，随着新一代光伏新能源技术的不断发展，光伏新能源技术能够有效地调节光伏峰值电压，极大地提高光伏电网系统的运行稳定性。相对于常规的发电技术，光伏新能源技术投入小。将新型光伏新能源技术引入到智能城市的电气工程中，还能有效地提高城市资源的利用效率。第二，采用光伏新能源技术，用光伏半导体所产生的发电微效应为整个建筑电气系统提供电力，而电力消耗低、没有静电污染，能满足电气系统的节能要求。目前，可以在建筑外墙、屋顶上安装光伏发电系统，为建筑提供大量的电能。其中，要想将光伏板的优点充分利用起来，必须做好光伏板的安装和维护工作，还要对其进行合理布局，避免被周边的建筑所遮蔽，从而让光伏板更好地接收到太阳能，提高发电率。第三，光伏发电站与建筑相融合，占用空间小，可按照建筑具体条件来选取光伏板的安装面，并依据建筑物周围的环境进行合理布局，以此达到光伏电站的最佳运行效率。同时，光伏电站的建设与利用具有显著的经济效益，更大程度节省建筑的使用空间，在建筑装置和美化中也起到了重要的作用。

3 智能化建筑电气节能技术的问题分析

随着智能化的不断推进，我国建筑事业也得到了快速的发展，尤其是近几年民用智能化建筑得到广泛的应用。当前，智能家居、智能建筑小区安防与管理等在现代楼宇中的应用，极大地丰富了建筑的功能性，给人们的日常生活带来方便。同时，随着智能化的发展和应用，人们居住环境得到提高的同时，能耗问题也日益突出，而建筑能源中电力的消费是最主要的一环。因此，节能降耗将成为智能化发展首先考虑的问题。目前，随着新能源领域的快速发展，太阳能技术已经变得越来越成熟，并且已经被运用到城市智能化建筑的电气系统中，用于节能控制。但在实际中，工业智能化建筑电气系统的关键节能控制技术出现了问题，主要原因就是建筑安全自动化和智能化专用电气设备，决定系统是否能够实现可持续发展。此外，新型光伏发电技术能对太阳能资源进行有效开发与应用，能够有效地解决智慧城市的节能问题。通过光伏新能源技术在城市智能建筑电能中的运用研究，充分利用技术优势，更好地去提高城市建筑的智能化程度[2]。

4 光伏新能源技术的应用要点

实施光伏新能源技术在智能建筑中的应用需有一个清晰的认识，必须通过具体实例，对光伏新能源技术的应用思路、应用操作以及应当考虑的问题等进行归纳，从而为光伏新能源技术的将来应用提供更为切合实际的借鉴材料和经验。本文以一个典型的建筑屋顶光伏为研究对象，分析光伏新能源技术在建筑中的使用情况，并提出相应的解决方案。

1） 太阳能电池阵列设计。将城市特定环境及光照资源的实际需求相结合，根据建筑自身特征，选择的光伏模块为单晶硅光伏模块，光伏组件具有成本较低，转换效率较高，其商业化效率可达到16%～20%，实现太阳能资源的最大利用。同时，经过成本效益测算及市场分析，确定项目太阳能光伏组件为545 W。在这些电池中，镍镉电池及铅酸盐电池的单体浮充电压分别为1.4～1.6 V 及2.2 V。基于电池浮充电压控制，要对24 h 内负荷的能耗P进行计算。此外，还应根据具体的需求确定蓄电池组的工作电压VP。其中，前者的计算公式为

式中：V 为负荷的额定电压；HI 为太阳能电池板的运行电流。后者的计算公式为

式中：VP 为太阳电池板的工作电压；VF 为电池的充电电压；VD 为0.5～0.7 之间的反向充二极管P-N节点上的压力下降；VT 为由于温度上升导致的太阳电池的升温电压。

2） 表面太阳能辐射计算。当光伏新能源技术用于智能建筑电气系统时，表面的太阳能辐射是一个很有实际意义的问题。在对太阳能进行使用时，必须进行太阳辐射进行模拟，并根据模拟的成果进行设计、使用等，从而保证太阳能的可持续使用，同时也保证在智能建筑中的正常使用。光伏阵列水平面太阳能辐射量计算公式为

式中：RD 为倾斜的光伏阵列面的太阳总辐射的量；D 为辐射的散射率；S 为水平方向的阳光直射率。利用辐射量的计算结果与发电量结果进行转换，确定智能建筑的光伏荷载量[3]。

3） 光伏系统效率计算。光伏系统的效率与两个因素有关，一是太阳能电池板的转换效率，即发电效率；二是所发电力在并网过程中产生的损失。其中，光伏发电的总体效率主要取决于光伏发电的光伏发电效率、逆变器的发电效率以及光伏发电的发电效率。在实践中，太阳能电池板的光电转换效率是太阳能电池板在光照强度为1 000 W /m2时的真实直流输出功率与额定功率之比，换流站的效率是交流电力与直流电力之比。其中，交流并网效率是逆变器输出和高压电网传输效率，以升压变压器效率为基准。光伏系统总效率=光伏阵列效率×逆变器效率×交流并网效率，在对光伏系统利用率进行分析，应根据工程大小及具体的需求来确定。

4） 其他。在太阳能光伏系统中，需要建立一个控制系统，对电气和能源展开一系列的控制。此外，还需要建立环境监测系统和数据监测系统，对日照辐射量、环境温度及风速等相关环境数据进行检测，将信息记录并反馈到系统中，利用传感器和仪表来获得功率、电流、电压、容量等相关数据，进行最优控制和能源管理，提供强大的数据支撑。同时，太阳能光伏系统应安装防雷和接地装置，并根据相关防雷规范的要求和当地周围环境条件，接地装置要符合电气及安全规范的相关规定，保证光伏系统能够实现安全、稳定的运行[4]。

5 光伏新能源在建筑电气的应用前景分析

1） 新型空调。把光伏新能源技术运用到空调等建筑用电设备上，借助智能控制器，展开合理的使用，对建筑内部的温度综合调控。同时，综合使用光电蓄能电池的能量，按照智能控制逻辑进行加热和保温冷却，并在供暖制热的过程中，以储存的太阳能和其它光能为主要能源，达到洁净环保的目的。在太阳照射下，生成的热能在储蓄电能及制热保温过程时，将一些能源转化成热能，借助介质保温保热。一般而言，发热器的温度愈高，发出的热量就愈多，加热的速度也就愈快。因此，通过多层热能媒介叠加，提升传热和隔热的效率。另外，在整个建筑中长期使用制热或制冷，会导致室内温度循环不好，需要利用智能建筑控制技术，并与太阳能光伏发电技术相结合，解决建筑的湿热循环，将湿度控制在一个合理的、舒适的水平上。其中，光伏发电系统技术将室内和室外的设备结合起来，使用太阳能开放式循环系统，对空气和水蒸气等周期性进行温度和水分的调节，既节约能源又提高效率，还可以最大限度地降低固态碳的排放，而且运行和管理也要比一般的湿热处理器更加简便。

2） 光伏系统与建筑集合。将太阳能光伏发电系统与建筑结合，利用太阳能光伏模块、光伏发电配套设备等光伏系统集成安装在建筑物的外部，最大限度吸收太阳光，成为建筑的一个组成部分。其中，要对建筑功能及安全等因素进行全面的分析，将光伏模块设置在建筑的各个方面，通过储蓄设备将能源收集起来，以满足建筑的多种应用。目前，许多大型光伏建筑都安装光伏板，通过光伏新能源技术的普及，促进我国光伏发电城市化的发展[5]。

6 结束语

当前，我国一直在倡导低碳经济，奉行可持续发展战略，进行节能技术的推广。而光伏新能源作为一种可再生资源，稳定、高效、持续地提供能源，用于智能建筑的电力开发。此外，光伏太阳能属于可开发的清洁能源，有效缓解能源不足的问题，还具有污染小、可再生等优点。因此，进行光伏新能源技术研究，可实现光伏太阳能的开发和利用，为解决城市能源短缺等问题产生积极的影响。