民用建筑中应用太阳能光伏发电系统的相关思考

文／霍艳华 国电电力广东新能源开发有限公司 广东珠海 519002

1、民用建筑中应用太阳能光伏发电系统的必要性

1.1 解决偏远地区用电问题

随着近年来我国电力行业的不断发展，电网的覆盖面也变得越来越大。但仍有一部分偏远地区依然存在着未有效覆盖的问题。这类区域的供电设施普遍存在不完善现象，经常出现无电、少电等问题，区域内居民的日常生活十分不便。但如果这类地区拥有良好的光照条件，就可以利用太阳能光伏发电系统将太阳能转换为电能，完善当地的供电设施、解决区域内居民的用配电问题，带动偏远地区经济的发展。

1.2 推动老旧小区供电改革

我国的三线城市、四线城市存在着大量老旧小区，这些老旧小区内的供电设施大多已经投入使用较长时间，其普遍存在着老化现象。这些供电设施的规划与设计水平也相对比较落后、负荷容量相对较小，老旧小区内居民在日常用电的过程中，经常会出现跳闸、断电等故障，对居民的生命安全与财产安全造成了巨大的威胁。除此之外，部分老旧小区内还存在着建筑密度大、供电设施可用空间小的问题，这大幅增加了区域内供电线路的架设难度。而太阳能光伏发电系统的应用则能够有效地解决上述问题，推动老旧小区的供电改革。

2、太阳能光伏发电系统的优势

2.1 有利于提升电网电压的稳定性

在电网中应用太阳能光伏发电系统，可以实现电网的削峰填谷，落实电网的调峰工作。太阳能光伏发电系统的应用不仅能够优化电网的功率因数，还能够降低电网尾处电压的波动现象、减少电网杂波的发生率。

2.2 有利于提升电网的经济效益

太阳能光伏发电系统可以将自己产出的电能存储到电网中，节约在太阳能电池方面的投资成本。除此之外，系统内的光伏电池与建筑设计也能够实现完美融合。准备多个额定电压为1V～3V 的太阳能电池板，对其进行串联或并联，电压即可达到30V～50VDC，便可与控制器、逆变器相连接。这种操作不仅能够美化建筑的外观设计，还能够最大化太阳能光伏发电系统的发电作用，实现资源的合理调配与组合。

2.3 有利于缓解用电过度负荷问题

通过上文的分析，可以得知我国的老旧民用住宅普遍存在着用电过度负荷问题。太阳能光伏发电系统的应用可以平衡民用建筑供电系统的负荷，降低供电系统线路的电能损耗。

2.4 有利于保护我国的生态环境

与火力发电不同，太阳能光伏发电系统所应用的太阳能资源属于可再生资源，其不仅不会对生态环境造成污染，还不存在资源短缺问题。因为太阳能光伏发电系统不需要燃料，所以其不会产生对土壤、空气、水有害的物质。太阳能光伏发电系统利用自动化控制技术将太阳能转换为电能，因此企业不需要利用机械转动部件、不会产生噪音污染，能够有效提升民用建筑居民的生活质量。

3、太阳能光伏发电系统的原理与构成

3.1 太阳能光伏发电系统的原理

将太阳能转换为电能是太阳能光伏发电系统的主要运行方式。电能是民用、商用必不可少的重要能源，太阳能则是新能源中重要的可再生能源，将太阳能转换为电能对于经济发展、环境保护等多个领域都有着十分重要的意义。

在太阳光的照射下，太阳能电池板会将太阳能转换为电能，电能会经过控制器为蓄电池充电或以特定的负载直接供给负载，蓄电池存储的电能会在光照不足的阴天或夜晚为直流负载供电。部分太阳能光伏发电系统中含有交流负载，因此还需要设置相应的逆变器，将直流电转换为交流电。

3.2 太阳能光伏发电系统的构成

太阳能电池（太阳能电池板）、控制器、蓄电池、电源逆变器是太阳能光伏发电系统的几大重要组成部分。

3.2.1 太阳能电池板

现有的产业化产品中，太阳能电池的太阳能转换效率是相对较低的。大部分太阳能电池的太阳能转换效率仅为10%～20%左右。2022 年5 月，美国NREL 研究人员研究出一种太阳能转换效率高达39.5%的太阳能电池，但其距离商用还存在着较大的差距。总的而言，单一太阳能电池所能供给的电能是有限的。因此，在构建太阳能光伏发电系统时，可以使用串联、并联等方式创建太阳能电视系统，即太阳能电池板。太阳能电池板与系统内的其它部件共同构成了太阳能光伏发电系统。太阳能电池在整个系统内占据着重要的地位，其肩负着将太阳能转换为电能的重要任务。太阳能电池板多由钢化玻璃进行封装，能够有效抵御极端恶劣天气，使用寿命通常为20a。图1

图1 太阳能电池板的构造

3.2.2 控制器

控制器是平衡太阳能电池板与蓄电池组关系的重要部件。蓄电池组在应用的过程中，无论是被太阳能电池板过充电、还是给交流负载过放电，都有可能会出现寿命与性能降低现象。控制器的应用能够有效避免蓄电池组发生上述现象，其本质上属于一种具有测量功能的电子设备。

3.2.3 蓄电池组

蓄电池组肩负着存储太阳能电池板所转换的电能，并向负载供电的重要作用。蓄电池组的应用有效地解决了太阳能光伏发电系统在光照条件差或夜晚环境、负载需求过大情况下供电量不足的缺陷。蓄电池能够将对电能进行存储，在没有光照的环境下进行供电。蓄电池还能通过积累电能，将太阳能光伏发电系统应用于需求较大的负载当中。铅酸蓄电池是太阳能光伏发电系统中比较常用的一种蓄电池，其还可以被划分为深放电阀控式密封铅酸蓄电池和深放电吸液式铅酸蓄电池。随着近年来我国科学技术的不断发展，锂离子电池将成为未来太阳能光伏发电系统发展的重要方向之一。

3.2.4 逆变器

在大部分情况下，太阳能电池板都是可以直接为直流负载进行供电的。但为了丰富太阳能光伏发电系统的应用场景，还要为其设计可以将直流电转换为交流电的装置，以实现交流负载的供电。逆变器就是这样一种装置，其能够将太阳能电池板产生的直流电、蓄电池组的直流电转换为交流电，在此基础上与控制器相配合，将电能输送至电网。逆变器按照其运行模式的不同，可以被分为两种，一种是独立运行逆变器、另一种是并网逆变器。前者更多地被应用于独立运作的系统当中，负责为独立负载进行供电；后者更多地被应用于并网运行的系统当中，支持将太阳能转换成的电能馈入电网。

3.3 太阳能光伏发电系统的运行方式

太阳能光伏发电系统的主要运行方式有两种，一种是离网运行，另一种是联网运行。前者也可以被称作独立太阳能光伏发电系统，这种系统通常不会连接公共电网，被广泛的应用于公共电网未覆盖区域，例如：偏远山区、草原牧区、岛屿、乡村等。除此之外，这类系统在气象站、边防站、通信中继站等关键场所的供电中，也有着较好的应用效果。后者的则更多地被称为并网光伏发电系统，这一系统会与公共电网相连接。该系统可以将太阳能电池板转换的直流电转换为和公共电网电压相同的交流电，并将系统所产生的电能输送至公共电网，达到补充电能的效果。

随着近年来我国太阳能光伏发电系统的日益成熟，其也逐渐朝着规模化、商业化的方向发展。在新时期，并网光伏发电系统将成为该领域发展的主流，而独立光伏太阳能系统则会更多地被应用于特殊区域的供电当中。

4、太阳能光伏发电系统在民用建筑中的应用

4.1 单体建筑中的应用

太阳能光伏发电系统在单体建筑的应用是体现在多个方面的，以灯光照明为例：灯光照明是我国民用建筑必不可少的组成部分之一。将太阳能光伏发电系统应用于灯光照明领域，可以起到节约电能的效果。部分小区受限于建筑密度、小区面积等因素的限制，难以开展相应的电力设施施工，小区内部的照明设施存在着非常严重的不完善现象。针对这一问题，可以在小区内部安装太阳能路灯，利用太阳能路灯取代常规路灯。降低路灯建设时的电力设施施工工程量，达到节约资金与电能、保护环境的效果。我国幅员辽阔，不同地区的建筑有着不同的风格。在单体建筑中应用太阳能光伏发电系统时，还可以根据建筑的风格进行安装。例如：我国北方地区的房屋建筑多为平顶，因此可以将太阳能电池板直接安装到平顶上。我国南方地区的房屋建筑多为斜顶，因此为其设计太阳能电池屋顶（下见图2）。还可以采用普通路灯结合太阳能路灯的形式间隔安装太阳能路灯，在蓄电池组电量充足时，只用太阳能路灯进行照明，在检测到蓄电池组电量不足时，结合应用常规路灯与太阳能路灯进行照明，达到节约用电、保障居民照明的效果。地下停车场同样也可以应用太阳能光伏发电系统，在停车场的采光井安装太阳能电池板，使其为地下停车场的照明提供电能。

图2 太阳能电池屋顶

4.2 群体建筑的应用

民用群体建筑有着面积大、规模大的特点。因此，在群体建筑应用太阳能光伏发电系统时，可以结合群体建筑的表面积进行设计。随着我国科学技术的不断发展，太阳能电池与砖、瓦、玻璃等材料结合的技术也变得越来越成熟。这种材料更多地被称为光伏建筑材料，常见的光伏建筑材料有：光伏砖、光伏瓦、玻璃光伏幕墙。

除此之外，将建筑构件与太阳能电池相融合，也是太阳能光伏发电系统在群体建筑中比较常见的一种应用形式，其更多地被称作光伏构件。以遮阳构件的应用为例，在建筑物的设计阶段，就考虑到了光伏建筑材料的应用，再利用太阳能电池板进行这样的同时，还能为建筑提供发电功能。光伏构件的应用不仅实现了太阳能电池板与建筑构件的有机结合，还在保障建筑功能性的同时，提升了建筑的电能产生量。群体建筑所产生的电量也可以并入电网中，达到缓解建筑物供电需求的效果。

4.3 实例分析

某民用建筑为单体别墅，常住人口为5 人。该别墅光照充足，负载需求为Led 照明灯具、液晶电视、冰箱、笔记本电脑与智能手机充电器，其工作时间分别为6h、6h、24h、5h，数量分别为10、2、2、3，总功率分别为50W、140W、300W、100W，耗电量分别为300W h、840Wh、7200Wh、500Wh。在为该别墅构建太阳能光伏发电系统时，主要考虑了以下指标：太阳能电池容量=30kW、交流输出额定功率=3kW、额定输出电压=220V±10%。选用了离网太阳能光伏发电系统，系统由太阳能电池板、控制器、逆变器、蓄电池组、ATS 与稳压保护装置构成。经评估，该别墅适用于太阳能光伏发电系统的负载分别为照明灯具、小型家电、笔记本电脑与智能手机充电，为保障系统运作的稳定性与安全性，太阳嗯电池系统的安装容量设计成了30kW。实际运作的过程中，蓄电池组电量充足时将会为负载进行供电。当蓄电池组电量不足时，会自动切换为市电进行供电，以保障负载供电的稳定性。该系统在运作时，会尽可能避免太阳能供电与市电供电的同时运行。该太阳能光伏发电系统在实际运作后，发现其在阴雨天气下，可保持连续正常供电2d～3d。在日常生活中也能够满足业主的用电需求，帮助业主节省了35%左右的电费，取得了较好的成果。

5、民用建筑中应用太阳能光伏发电系统的展望

5.1 太阳能光伏发电系统的发展方向

5.1.1 提升太阳能转换效率

笔者在上文中提到了，现有的太阳能电池的转换效率是普遍较低的。太阳能虽然是一种可再生能源，有着取之不尽、用之不竭的优势，但受限于太阳能转换效率的限制，其作用的范围也相对较小。如果太阳能光伏发电系统转换的电能效率相对较低，就注定无法满足我国居民的日常用电需求。因此，如何提升太阳能转换效率成为了未来太阳能光伏发电系统的重要方向。常见的提效方法有：改变光照夹角、更换优质电池、优化电池功能等。我国的太阳能利用技术是相对比较落后的，常见的单晶硅太阳能光电转换效率仅有24%。应用于问天实验舱的柔性太阳能帆板光电转换效率则能够达到30%。2020 年4 月13 日，美国NREL 在《自然能源》上发表了转换效率高达47.1%的太阳能电池，该太阳能电池利用了III-V 型六结结构，由6 种类型不同的光敏层组成，能够捕获太阳光谱中的特定部分的光。2022 年5 月，美国NREL 在《焦耳》上发表了广电转换效率为39.5%的太阳能电池，该太阳能电池建立在倒置变质多结电池架构之上，由磷化镓铟、砷化镓、砷化镓铟构成，其能够吸收不同的波长，从光谱中获取更多的能量。NREL 首席研究员迈尔森·施泰纳在新闻稿中提到：“2020 年发布的太阳能电池虽实验效率可达到47.1%，但其仅适用于极度集中的光线环境下。新电池拥有更简单的设计、更加广泛的适用场景，能够打破光线高度的限制。”总的而言，我国在太阳能转换效率方面的研究还相对比较落后，仍需要继续努力。

5.1.2 降低太阳能电池板造价成本

降低太阳能电池板造价成本也是太阳能光伏发电系统的重要发展方向之一。现有的太阳能电池板价格普遍较高，这在一定程度上阻碍了太阳能光伏发电系统的推广与应用。为降低太阳能电池板的造价成本，相关工作人员会通过调整太阳能电池板工作时间、转换太阳能电池板使用类别等方式降低其在运作过程中产生的损耗。但要想从根源上降低其造价成本，还需要不断地进行研发，利用新技术为新能源产业注入新鲜血液，推动太阳能电池板的降价。

5.2 太阳能光伏发电系统的应用前景

随着太阳能光伏发电系统的不断发展，其应用范围也变得越来越广泛。通过调查近年来太阳能电池组件的生产数量可以发现，太阳能光伏发电系统正在朝着规模化、商业化的方向发展，太阳能光伏发电已成为了国际热门高新技术产业。越来越多国家开始围绕太阳能光伏发电制定短期、中期发展计划。太阳能光伏发电与民用建筑的融合是时代发展的大势所趋，也是解决我国民用建筑高能耗的重要途径，需予以足够的重视。

结语：

本文首先阐述了在民用建筑中应用太阳能光伏发电系统的意义；其次就太阳能光伏发电系统的优势进行了探究；再次深入分析了太阳能光伏发电系统的原理；然后在此基础上就民用建筑中太阳能光伏发电系统的应用进行了研究；最后就太阳能光伏发电系统的未来进行展望。民用建筑能耗高一直以来都是我国经济发展的难题，太阳能光伏发电系统的应用能够有效解决这一问题，推动我国建筑领域的健康可持续发展。在新时期，要想实现太阳能光伏发电系统的全面普及与覆盖，还需要从提升太阳能转换效率与降低太阳能电池板造价成本两方面入手进行优化，拓宽太阳能光伏发电系统的应用范围，推动我国民用建筑的绿色化、智能化发展。