太阳能光伏发电技术在建筑电气系统中的 应用探究

郭润梅

兰州石化职业技术大学，甘肃兰州，730060

0 引言

随着科技的发展和全球能源结构的转变，人们对环境的保护也在增强，同时，由于化石能源资源的有限性，以及它在燃烧过程中对全球环境和气候所产生的影响日益严重，因此，从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势，其中，光伏发电技术以其清洁、高效、可再生的特性，在建筑电气系统中发挥着越来越重要的作用。

1 光伏发电技术在建筑电气系统中的应用现状

1.1 光伏发电技术在建筑电气设计中的应用现状

随着我国经济的飞速发展，众多科技成果得以广泛推广，新能源技术在生产及生活领域的发展与应用更加广泛，与此相关的技术研发硕果累累。尤其是近年来在经济政策良好的背景下，光伏新能源技术的发展日新月异，不论是研发层面，还是生产应用层面，都有显著的成效。然而，在建筑电气设计领域，光伏新能源技术的应用仍有待深化。现阶段，光伏新能源技术在建筑电气节能领域的应用尚不全面，实际工程应用普遍以分布式光伏发电为主导，政府方面采取鼓励自发自用及电费补贴政策的方式推动该项技术的实际运用[1]。

1.2 光伏发电技术在建筑电气系统中的应用领域

（1）独立光伏发电系统：这种系统主要应用于偏远地区或电力供应不稳定的地区。其优点是能够自给自足，减少对传统电网的依赖，同时还能为建筑物提供一定的电力。

（2）并网光伏发电系统：这种系统将光伏电池板产生的电能直接输送到电网中，与电网实现电能的共享。其优点是能够充分利用太阳能资源，提高电力系统的效率。

（3）混合光伏发电系统：这种系统结合了独立光伏发电系统和并网光伏发电系统的特点，既能自给自足，又能与电网实现电能的共享。

由此可见，光伏发电技术在建筑电气系统中有广泛的应用领域。首先，光伏发电技术可以应用于建筑的能源供应，通过将光伏电池组件安装在建筑的外墙、屋顶或遮阳设施上，将太阳能转化为电能并供给建筑内部使用。其次，光伏电池组件也可以用于建筑外立面的装饰，起到美化建筑外观的作用。此外，光伏发电技术还可以应用于建筑的照明系统、空调系统和电梯系统等，减少对传统能源的依赖，提高建筑的能源利用效率。

1.3 光伏发电技术在建筑电气系统中的优势和存在的问题

（1）优势：光伏发电技术具有清洁、高效、可再生的特性，能够减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，同时还能为建筑物提供可靠的电力供应。

（2）存在的问题：尽管光伏发电技术在建筑电气系统中有着广泛的应用，但仍然存在一些问题。首先，光伏电池组件的制造成本较高，导致光伏发电系统的投资回收周期较长。其次，光伏发电技术的能源转化效率较低，需要进一步提高。此外，光伏发电技术在阴天或夜晚的发电能力较弱，无法满足建筑电气系统的持续需求。另外，光伏电池组件的寿命有限，需要定期更换和维护，增加了系统的运营成本。这些问题对于光伏发电技术在建筑电气系统中的应用提出了一定的挑战。

1.4 解决方案

首先，通过技术的创新和工艺的改进，可以降低光伏发电系统的制造成本，提高光电转换效率。其次，可以通过结合储能技术，解决光伏发电系统在能源储存方面的问题，使其能够持续供电。此外，还可以通过智能控制系统，实现对光伏发电系统的优化管理和运行控制，提高其整体性能。

2 光伏发电技术概述

2.1 光伏发电技术的原理和分类

光伏发电技术依据半导体PN结具有的光生伏特效应原理实现。当光伏电池内的PN结接收到太阳光照射的情况下，因扩散运动的影响，将会使得P区与N区分别处在带正电及带负电的状态，从而在PN结两端位置出现电势差。如此，将电池与外接电路进行连接后，就能够出现电流与电压，实现太阳能与电能两者的能量转换[2]。

在建筑领域，光伏电池分为以下两种类型：一是晶硅太阳能电池，参照晶硅数量的差异，又能够划分为单晶硅与多晶硅两类太阳能电池；二是薄膜太阳能电池，参照光电转换材料的差异，能够分为有机聚合物、硅以及铜铟镓硒等多种形式。现阶段，虽然晶硅太阳能电池的市场份额更高，但其存在成本投入高昂、难以弯曲等不足之处，一定程度上限制着其发展与应用。相较而言，柔性薄膜太阳能电池表现出可弯曲、质轻等优势，因而更易于与建筑协同使用，是近些年研究的热点内容[3]。

2.2 光伏电池的类型和特性

光伏电池的种类繁多，其分类依据主要是材料使用及结构特点。常见的光伏电池类型包括单晶硅、多晶硅、非晶硅以及复合材料等。各类光伏电池各具特色，例如，单晶硅电池以其高转换效率、优良稳定性以及较长使用寿命等特征而广泛运用，不足就是需要投入的成本偏大；多晶硅电池尽管成本投入相对较低，但是稳定性及转换率方面都会略逊一筹；非晶硅电池以其灵活性和轻薄性得以脱颖而出，然而转换效率却相对较差；复合材料电池则通过整合各种材料优势的方式，实现成本与效率的平衡，是研究的重点方向。

3 建筑电气系统中光伏发电技术的应用

3.1 必要性

（1）城镇建筑能源消耗大

近些年，我国城镇化建设的发展步伐持续加快，取得了显著的建设成效。然而，值得关注的是，每年新建的建筑接近八成属于传统高能耗建筑，加之现有建筑带来的大量能源消耗，使得每年我国建筑能耗占比接近三成。值此能源危机日益严重的背景下，光伏发电技术凭借自身低能耗的绿色能源技术优势，被大力倡导应用到建筑领域。因此，积极做好建筑电气系统领域光伏发电技术的发展与应用研究，具有突出的实践意义。

（2）满足无电地区建筑物的用电需求

现阶段，我国仍存在很多未通电的偏远贫困地区，这严重影响了当地居民的生产与生活。而光伏发电系统在建筑设计领域的应用，能够直接通过太阳光照的方式实现建筑物电能供应的效果，进而满足偏远地区的居民用电。

3.2 应用探讨

作为创新性的技术发展与应用，建筑内部光伏系统的核心在于将光伏组件融入建筑内部，进而达到可持续供应电能的目标。此类技术的实际应用涵盖光伏窗户以及室内太阳能光管等。其中，室内太阳能光管一般选取的是光导管道，借助墙壁或者是屋顶的支持将自然光引入到管道内，不仅能够满足室内采光需求，而且能够通过管道内部分布的光伏材料作用获得电能，满足用电需求；光伏窗户则通过透明状的太阳能电池板支持，把室外照射的太阳光进一步转化成电能，满足用电需求。这些技术的发展与应用，能够达到电力供应与自然采光的作用效果，在降低建筑电能消耗的同时，还能够对建筑内部的采光情况进行改善，有助于落实节能环保政策。

4 关键技术

4.1 光伏电池技术

光伏电池是光伏发电系统的核心部件，其转换效率直接影响到光伏发电系统的发电量和功率。目前，光伏电池技术正在不断发展和改进，包括提高电池的转换效率、降低生产成本、提高使用寿命等。

4.2 光伏组件设计

光伏组件是光伏发电系统中的基本单元，其设计需要考虑到电池片的性能、封装材料、结构形式等因素。同时，还需要考虑到组件的安装和使用环境，确保其能够适应不同的气候和环境条件。

4.3 逆变器技术

逆变器是将直流电转换为交流电的关键设备，是光伏发电系统中必不可少的组成部分。逆变器的性能和效率直接影响到光伏发电系统的供电质量和能源利用效率。因此，逆变器技术的研究和改进也是光伏发电技术在建筑电气系统中应用的关键之一。

4.4 能源管理系统

能源管理系统是建筑电气系统中的重要组成部分，其作用是对建筑内的能源消耗进行监测和管理。在光伏发电系统中，能源管理系统需要考虑到光伏电池的供电特性，对光伏电池的输出功率进行控制和管理，以保证建筑的能源供应和节能减排。

4.5 建筑集成光伏技术

建筑集成光伏技术是将光伏发电系统与建筑相结合的一种技术，可以在保证建筑外观和功能的同时，实现建筑的可持续发展和节能减排。这种技术包括将光伏电池集成到建筑的外墙、屋顶、窗户等部位，以及将光伏发电系统与建筑的暖通、空调、照明等系统相结合，实现能源的多元化利用。

4.6 故障诊断技术

在建筑光伏发电系统的功能实现中，故障诊断技术发挥着至关重要的影响作用。在实际投入使用的过程中，逆变器以及光伏组件等极易面临老化以及破损等故障。若是无法及时对这些故障进行诊断与处理，则很大程度上妨碍系统功能运转的稳定性与电能产生的效率。因此，应当重视故障诊断技术的发展，根据故障类型的差异，合理选择数据分析软件、红外热像仪等诊断技术，及时找到故障位置及故障原因，进而有针对性地采取排障措施，尽快让系统恢复到正常工作状态。

4.7 运行维护技术

在建筑光伏发电系统内，需要重视定期巡检、组件清洁以及电路状态检查等一系列运行维护技术，依托科学、合理的维护管理，减轻系统出现故障的风险程度，确保系统能够长时间处在稳定、有序的工作状态。同时，还应当关注以下四个方面：一是安全防护，严格遵循安全规范进行维护作业，避免意外事故的出现；二是环保意识，维护期间需要重视环保问题，不能因维护工作影响到生态环境；三是设备维修，当观察到存在故障设备，应当及时进行更换或者维修处理，保障系统能够有序运转；四是系统更新，维护过程中应当关注新技术的应用，进行系统升级与维护，保障系统性能水平。

综合来看，建筑电气设计系统内涉及的光伏发电关键技术环节包括光伏电池技术、光伏组件设计、逆变器技术、能源管理系统、建筑集成光伏技术、故障诊断技术和运行维护技术等方面。这些技术的不断改进和发展将有助于提高建筑能源利用效率、降低能源消耗、减少环境污染，实现建筑的可持续发展[4]。

5 结论

总而言之，随着科技的发展和环保意识的提高，光伏发电技术在建筑电气系统中的应用将会越来越广泛。该项技术为建筑领域提供了可持续的电力来源，同时，在降低碳排放、减少能源投入及保障安全能源供应等领域取得显著成效。然而，光伏技术的发展还存在着存储电力能源、提高发电效率等限制，一定程度上影响到光伏技术的实际应用。因此，今后的研究还需要持续进行创新研发，不断加深光伏发电在建筑电气系统等领域的应用程度，提高绿色能源的应用效率，为人与自然和谐发展贡献力量。