浅析太阳能光伏发电原理及建筑一体化技术在节能建筑中的应用

国强

摘要：如今，能源的日益枯竭、环境的污染越来越严重，人们也在密切关注着这些问题，人们的环境保护和能源供应意识也越来越强，也都在寻求可靠的可再生能源。而太阳能作为一种可再生能源，符合可持续发展战略，具有广阔的开发前景，也是发展低碳经济的必然选择。太阳能光伏发电是将太阳能辐射能通过光生伏特效应转换为电能，由于它不需要使用燃料，所以也不会污染环境，是具有清洁性、环保性的可再生能源，而且还可以持续供给，如果将其与建筑一体化，那么对于推动节能建筑的发展来说，具有重要的意义。

关键词：太阳能光伏发电；建筑一体化技术；节能建筑

1太阳能光伏系统和建筑一体化

太阳能光伏发电系统主要是利用太阳能电池半导体材料在太阳光照射下所产生的电位差现象，将太阳光辐射直接转化成电能的一种新型发电系统。就目前的情况来看，其主要有两种形式，即独立运行和并网运行。独立运行系统又被分为了直流负载独立系统和交流负载独立系统。如今，光伏系统的应用也是越来越广泛，在太空、交通以及太阳能建筑等方面都得到了广泛的应用，而对于太阳能光伏建筑，其是未来发展中主要的研究方向，需要特别的重视。建筑一体化主要是在建筑设计的初期使用新型的太阳能光伏技术，进而形成一个有机组成部分，对其进行整个设计以及施工和调试的优化。在设计的过程中，必须要确保建筑的美学特性，同时还要确保太阳能光伏技术的使用性能，有效地结合这两方面，从而也就形成了一体化设计。光伏建筑一体化系统目前主要有两种形式，即光伏屋顶结构以及光伏墙结构。对于光伏屋结构的组成主要有三种形式，第一种是光伏组件与低层建筑结合，第二种是光伏组件与小高层、高层建筑结合，第三种光伏组件与公共建筑结合。

2太阳能光伏发电的原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

3光伏发电系统的组成

1）光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。

2）太阳能电池方阵：在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

由此可见太阳能电池中单晶硅电池的光电转换效率最高。

3）蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

4）冲放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。

5）逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。目前国内并网逆变器的效率一般为92～97%之间。

4光伏发电系统的分类

光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式光伏发电系统。

1） 独立光伏发电系统：独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。由于需装设蓄电池组，系统造价相对较高。

2） 并网光伏发电系统：并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵并网逆变器组成，

不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。

3） 分布式光伏发电系统：分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备。

目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。

4） 光伏发电系统按负荷形式可分为下列三种系统

4.1小型系统，装机容量不大于20kWP的系统。

4.2中型系统，装机容量在20kWP-400kWP之间的系统。

4.3大型系统，装机容量大于400kWP以上的系统。

5太阳能光伏发电与建筑一体化技术在节能建筑中的应用

1）透光技术的应用

在建筑中，顶部光伏采光是最常用的方式，效果也非常的显著。在顶部进行采光，一方面，太阳相当于直射在顶部，能够使太阳能的吸收率得到提高，使玻璃幕墙不能对阳光进行足够吸收的弊端得以解决；另一方面，在顶部进行采光时，还要对没有遮挡或者遮挡率比较低的地方进行选择，这样能够保证最大的吸收太阳能。除此之外，为了能够对太阳能进行最大化的吸收，在安装时可以选择透明度比较高的材质。对太阳能光伏采光顶进行利用，能够使太阳能对建筑物的辐射大幅降低，进而增大建筑物的受光率，并且起到对阳光进行遮挡的作用。

2）光伏器件作为屋顶材料

在太阳能光伏发电中最大的优势是将光伏气作为屋顶的材料，这样不需要额外的建筑空间，能够得到广泛的使用，同时屋顶具有很多的太阳光照射，就算是在冬天，也能够实现白天日照，从而提高太阳能的使用效率。另外，屋顶材料的光伏器件能够通过施工与屋面结构进行连接，从而能够有效地控制大风以及暴风雨等方面所产生的影响。最后使用太阳能电池组件代替屋面保温隔热，不仅能够保护建筑物面，防止受到影响，同时也能够有效地控制整体的应用成本，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

3）光热发电

在建筑物中对太阳能光热加以利用进行发电，不再使用传统的发电方式，可以避免使用昂贵的硅晶光电转换工艺，从而使发电的成本得到减少。而且，利用光热发电还有将太阳能加热的水储存起来的优点，即使没有光照，也可以将汽轮带动发电好几个小时。利用光热进行发电时，充分合理的利用资源，发挥资源的价值，在技術和资金条件的允许下，还可以综合利用多种能源，进行互补发电，也可以考虑联合热电站进行发电。

4）光伏幕墙技术的应用

如今，光伏建筑一体化主要是光伏幕墙在建筑中的应用。光伏幕墙技术主要是在玻璃幕墙夹层中压入光伏方阵，在玻璃幕墙内使用双玻璃光伏组件来替代普通的材料，从而能够使其具备相应的功能，包括隔音、隔热以及安全等方面，光伏玻璃幕墙能够最大程度利用太阳能，有效地达到绿色控制作用，因此，建筑光伏一体化技术也是未来主要的发展方向，需要重点加强该部分的研究。

6太阳能光伏发电在建筑工程中的优势

在建筑工程中使用太阳能光伏发电技术变得越来越广泛。运用太阳能光伏发电技术，不仅可以起到节能能源的作用，还可以减少对环境的污染与破坏。主要的表现在以下几个方面：第一，通过使用太阳能光伏发电技术，可以实现电能的产生。这种发电的方式对环境来说是没有污染的；第二，使用光伏发电的机械设备成本比较高，但设备使用的时间很长，材料的占地面积也比较小，只需要在屋顶上面进行简单的安装就可以，不用占用其他的场地与空间，这样可以在工廠中进行广泛的使用，通常情况下，在住户的住所旁也可以进行应用；第三，太阳白天的光照会很强，电池可以在这一时间进行能源的大量储存，在晚间用电高峰的时候就可以提供使用，光伏发电生产的电力能源就可以有效的解决人们日常生活中出现的用电紧张的情况，为地区的发电厂减少很大的压力；第四，在居民的居住场所的屋顶或者墙壁上安装太阳能光伏发电装置，可以保证太阳能的吸收，减少阳光照射导致的建筑的损伤。也可以有效的避免光能的浪费，在夏季还可以降低室内的温度，起到很好的效果；第五，对于建筑一体化技术中太阳能光伏发电技术的使用，可以随时使用太阳能转化的能源，这在居民的生活中是非常重要的。为人们的生活带来很大的便捷，也节约了电能的使用与浪费，为国家的全面发展提供重要的帮助；第六，在太阳能光伏发电的广泛应用过程中，能够实现对环境的零破坏，因为它不会排放任何有害的物质，对自然造成环境的破坏。所以，在现代化的建筑工程中应用太阳能光伏技术可以实现很多的优点，不仅美观，而且可以保护环境，起到节约能源的作用。这一技术在发达国家中也是被广泛的使用。光伏发电项目的使用与国家未来设计的发展方向是一致的，有利于国家健康、可持续的发展，也是未来高新技术发展的一个重要的标志。

7结语

总而言之，建筑工程中应用太阳能光伏一体化是主要的发展方向，不仅能够有效地进行能源控制，同时也能够提高太阳能的利用效率，有效地将自然资源进行合理利用，进而达到可持续发展的目的，因此需要重点加强对其的研究。

参考文献：

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[3]易旷怡.太阳能光伏建筑一体化协同设计研究[D].北京交通大学，2013.

（作者单位：中国中元国际工程有限公司）