光伏技术在建筑中的应用研究

项若轩

（中国水电工程顾问集团有限公司，北京100101）

1 引言

随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平不断提高，人们在生产和生活中对能源的需求量日趋增加。目前，国内能源提供主要以化石能源为主，化石能源为不可再生能源，面临着资源日益减少趋于枯竭的问题；而且大量化石能源的使用也严重污染了人类赖以生存的生态环境[1]。如何保证经济建设中能源的持续供应的同时又满足社会各界对绿色生态环境的要求，是摆在相关部门面前的一大难题。这道题的答案就是可再生能源，其中，以太阳能为能源的光伏发电技术凭借其可持续、清洁、环保、安全的特点，在绿色建筑中得到了广泛应用。

2 光伏发电的相关内容

2.1 光伏发电的基本原理

光伏发电的基本原理是光生伏特效应，光伏电池在这一过程中发挥着能量转化作用。在太阳光照射到光伏电池时，光能会被电池吸收，在电池内形成光生电子，光生电子会和空气发生隔离反应，这样产生的电荷在长期的积累过程中汇聚形成光生电压，即光生伏特效应。在电场的作用下，光伏电池在接入负载后，光生电子会流出，电能被输出和利用，从而实现从太阳能到电能的转化。

2.2 光伏发电与建筑一体化概述

光伏发电和建筑一体化是指将光伏发电应用到建筑行业的发展中构成一体化的建筑系统。光伏建筑一体化的实施方式主要分为2种：（1）光伏系统与建筑的结合，光伏系统设置在建筑中，可先有建筑后建光伏，也可二者同时建设；（2）光伏系统与建筑的集成，光伏电池及相关材料作为建筑物的构件存在，在实施过程中光伏工程需要和建筑工程建设共同进行。

3 光伏发电技术在绿色建筑中的应用

3.1 光伏幕墙技术的应用

光伏幕墙是现在光伏发电和建筑一体化中使用较为广泛的一种技术，光伏幕墙技术主要指的是在玻璃幕墙内部应用双玻璃光伏组件替代普通材料，这样光伏幕墙会兼具光伏发电以及隔音、隔热、安全等功能。在光伏玻璃幕墙技术的应用过程中，除了可实现充分利用太阳能发电的目标，还可以实现绿色建筑指标控制的目的，可在相关工程中加大光伏幕墙技术的应用力度，为建筑行业的可持续发展提供支持。

3.2 光伏采光技术的应用

顶部采光技术是建筑工程常用的节能措施之一，白天通过自然采光代替建筑内部分照明，起到节能降耗的效果。由于太阳光线直射屋顶，因此，在建筑顶部安装的光伏电池板相对于玻璃幕墙可接收到更多的辐射能量，利用小时数更多，发电量更优。在顶部采光设计加入光伏技术有2种模式：（1）与光伏幕墙技术类似，采用双玻璃组件可同时满足采光与发电的要求；（2）采用透明材料与常规光伏组件混布的方式，常规组件可按规则排列，也可按图案（企业名称、LOGO等）排列，该方式可减少太阳光带来的热辐射，多用于炎热地区[2]。光伏采光顶的应用，有利于减少太阳对建筑物的辐射，提高受光率，推动绿色建筑建设的进一步发展。

4 光伏技术在建筑中的应用实例

4.1 应用背景

某商业办公楼属于新建公共建筑，且被申报成绿色建筑二星级的设计标识，该商业办公楼的建筑用电面积是17 000m2，地上建筑面积是860 000m2，共4栋高层商业办公楼，1层和2层的设计功能为商铺，3层及以上设计的是办公楼。该项目需要在实施中引用一种及以上绿色可再生能源，才能满足绿色建筑及节能方面相关要求和规定。根据工程建设条件及功能需求，本工程制定了光伏建筑一体化、空气源热泵等多个方案，在进行经济、技术、施工难度等的方面的比选后，最终选择光伏建筑一体化方案。

4.2 光伏发电设计流程

4.2.1 负荷分析及安装容量

相关人员通过分析该项目的实际情况，最终将本工程光伏发电系统的对应负荷确定为长期负荷和短时负荷2种：长期负荷为安全通道、步行楼梯、地下室等公共场所照明设施，该类负荷长期稳定；短时负荷为各商户或办公室照明设施，负荷随工作时间变化。

根据负荷变化情况，结合当地的辐照水平及商业楼总体规划方案，设计人员确定最终的安装容量，力求节能效益、经济效益的最大化。从图1可知，除早晨部分时段，其他时段的发电量均可完全消耗，使用率较高。

4.2.2 光伏系统规划

该栋商业办公楼1层为商户的大门，2层为广告牌预留空间，3层和4层为玻璃幕墙，屋顶位置有多处挑空。利用南侧的玻璃幕墙并在屋顶安装光伏组件，既可以满足建筑物功能要求，又保证了光伏发电的效率。根据容量规划及安装位置大小，确定最终的光伏组件选型，合理规划逆变器容量及安装位置，使其就近接入对应负荷，可减少电缆敷设的投资，又能减少电能传输的损耗，一举两得[3]。

4.2.3 节能及经济效益分析

该地区年利用小时约为1100h，考虑到平铺布置、垂直布置、扬尘、阴雨等因素的影响，该商业办公楼光伏系统利用小时数暂定为950h，商业用电按照1.2元/（kW·h）计算，当光伏安装容量为100kWp时，该系统各项指标详见表1。

图1 光伏发电曲线与负荷曲线对比图

表1 光伏发电系统各指标表

由表1可知，合理的利用光伏建筑一体化技术，不仅能给企业带来不错的经济效益；还能有效地减少CO2的排放，降低化石能源的使用量，节能效果显著。

5 结语

综上所述，在社会经济的快速发展中，大量化石能源的使用使生态环境受到了严重的污染。由于太阳能具有可持续性、清洁性、环保性的特点，光伏发电与建筑一体化技术已经得到了大量的应用。随着人们环保意识的不断提高，光伏发电配套技术的不断进步，光伏发电与建筑一体化技术将在绿色节能建筑工程扮演更为重要的角色，为建筑业的可持续发展提供有利的保障。