光伏新能源技术在建筑电气节能中的应用

毛晓娟

兰州石化职业技术大学，甘肃兰州，730000

0 引言

随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提高，新能源技术的应用变得越来越重要。在建筑行业，电气节能是减少能源消耗和碳排放的重要手段之一。因此，将光伏新能源技术应用于建筑电气节能中具有重要的研究意义。

第一，全球能源需求不断增长，传统的化石能源供应面临压力。同时，能源的过度消耗也会造成空气污染，从而影响气候变化，因此，寻找可再生能源替代化石能源迫在眉睫。

第二，建筑领域中的能源消耗是全领域中能源消耗的重要领域之一。根据国际能源机构的数据，建筑领域的能源消耗占全球总能源消耗的30%以上。因此，在建筑行业应用光伏新能源电气节能技术具有重要的节能潜力。

第三，光伏新能源技术作为一种可再生能源技术，具有广阔的应用前景。光伏发电系统可以减少对传统能源的依赖，提高能源独立性，降低能源供应的风险。光伏发电系统的寿命通常在25年以上，在使用过程中不需要维护成本，具有较长的经济寿命。

综上所述，将光伏新能源技术应用于建筑电气节能中具有重要的研究背景和应用前景。通过研究和应用光伏新能源技术，可以提高建筑的能源效率，减少能源消耗和碳排放，促进可持续发展。

1 研究目的和意义

将光伏新能源技术应用于建筑电气节能具有重要的研究目的和意义，主要包括以下几个方面。

①节能减排：建筑领域是能源消耗的重要领域之一，通过应用光伏新能源技术可以减少对传统能源的依赖，降低建筑的能耗和碳排放，实现节能减排的目标。

②可持续发展：光伏新能源技术是一种可再生能源技术，具有无污染、可再生、分布式等优点，可以促进可持续发展，减缓能源危机和环境污染问题。

③提高建筑效益：应用光伏新能源技术可以减少能源的浪费，降低能源成本，从而提高建筑的经济效益。

④推动技术创新：光伏新能源技术在建筑电气节能中的应用需要涉及多个领域的技术创新，如光伏材料、光伏电池、光伏系统集成等，可以推动相关技术的发展和创新。

⑤提升社会形象：应用光伏新能源技术可以提升建筑的社会形象，展示企业或机构对环境保护和可持续发展的承诺，增强社会责任感。

首先，本文介绍了光伏新能源技术的定义、原理和发展历程，以及其在建筑电气节能中的优势和局限性。其次，文章分析了光伏新能源技术与建筑电气系统更好地集成需要考虑的问题。接下来，本文详细阐述了光伏新能源技术在建筑电气节能中的应用，包括屋顶光伏发电系统、光伏幕墙、光伏路灯、光伏电梯、光伏空调、光伏储能系统等方面。最后，通过对实际案例的分析，本文进一步验证了光伏新能源技术在建筑电气节能中的有效性和实用性。同时，对光伏新能源技术在建筑电气节能中的未来发展进行了展望。

2 光伏新能源技术概述

2.1 光伏新能源技术的定义和原理

光伏新能源技术是指利用太阳能转化为电能的技术，它是一种可再生能源技术，具有无污染、可持续、分布式等优点，光伏新能源技术的核心是光伏电池，它是一种能够将太阳能直接转化为电能的半导体器件。其工作原理基于半导体材料的光电效应，当太阳光照射到半导体材料上时，光子的能量可以被半导体材料吸收，使得半导体材料中的电子获得足够的能量而发生跃迁，从价带跃迁至导带，从而形成自由电子和空穴。在半导体材料内部，自由电子和空穴会在电场的作用下，分别向半导体材料的两端移动，从而形成电流。光伏新能源技术的应用非常广泛，包括分布式发电、集中式发电、光伏建筑一体化等。其中，分布式发电是指将光伏电池安装在建筑物屋顶或其他场所，通过逆变器将直流电转换为交流电，供应给建筑物内部使用。

2.2 光伏新能源技术的发展历程

1839年，法国科学家贝克勒尔发现了半导体材料的光电效应，这为光伏电池的发明奠定了基础。1954年，美国贝尔实验室成功研制出第一块实用的单晶硅光伏电池，效率为4%左右。20世纪70年代，随着石油危机的爆发，人们开始重视可再生能源的开发和利用，光伏新能源技术得到了快速发展。20世纪80年代，光伏电池的效率不断提高，成本不断降低，逐渐开始实现商业化应用[1]。21世纪初，随着全球对可再生能源的需求不断增加，光伏新能源技术得到了更广泛的应用，成为全球最重要的可再生能源之一。

总的来说，光伏新能源技术的发展历程是一个不断创新和进步的过程，随着技术的不断提高和成本的不断降低，光伏新能源技术将会在未来的能源发展中发挥更加重要的作用。

2.3 光伏新能源技术的优势和局限性

光伏新能源技术具有以下优势：太阳能是一种可再生能源，应用光伏新能源技术就不会像化石燃料一样面临能源枯竭的问题。其次，光伏新能源发电过程中不会对环境产生污染，是一种绿色的资源，另外，光伏发电系统可以根据需要进行分布式、集中式、光伏建筑一体化安装，安装具有灵活性。光伏发电系统的寿命通常在20年以上，具有较高的可靠性。

然而，光伏新能源技术也存在一些局限性：目前光伏发电系统的成本仍然相对较高，需要政府或企业提供一定的补贴才能实现商业化应用；光伏电池的能量密度相对较低，应用在建筑行业中需要较大的面积才能产生足够的电力；光伏发电系统的发电量也会受到天气的影响，在阴雨天气或夜晚无法产生大量的电力；光伏发电系统产生的电力需要进行存储，目前存储技术仍然存在一定的局限性。

3 光伏新能源技术与建筑电气系统更好地集成需要考虑的问题

①设计优化：在建筑设计阶段，就需要考虑如何将光伏新能源技术与建筑电气系统更好地集成。例如，在建筑的屋顶、外墙、窗户等位置安装光伏电池板，以便最大限度地利用太阳能。

②系统集成：将光伏新能源技术与建筑电气系统集成需要考虑多个方面，例如，光伏电池板的布局、电缆的铺设、逆变器的安装等。

③控制系统：为了实现光伏新能源技术与建筑电气系统的有效集成，需要建立一个智能控制系统，以便对光伏电池板的输出功率进行监测和控制，以确保系统的高效运行。

④能源管理：为了更好地利用光伏新能源技术，需要建立一个能源管理系统，以便对建筑的能源消耗进行监测和管理，以最大限度地减少能源浪费。

⑤政策支持：政府可以出台相关政策，鼓励建筑业主采用光伏新能源技术，并提供一定的财政补贴，以降低建筑业主的投资成本。

4 光伏新能源技术在建筑电气节能中的应用

①屋顶光伏发电系统：它由多个光伏电池组成，能够将太阳能转化为直流电。屋顶光伏发电系统可以与建筑的电气系统集成，实现自给自足的电力供应，降低建筑的能耗和碳排放。通过屋顶光伏发电系统，家庭或企业可以利用太阳能发电，减少对传统能源的依赖，降低能源成本，同时也有助于减少温室气体排放，保护环境。

②光伏幕墙[2]：它是一种将太阳能发电技术与建筑幕墙相结合的新型建筑材料。它通常由光伏电池、玻璃板、框架等组成，能够将太阳能转化为电能，同时也具有建筑装饰的功能。光伏幕墙不仅可以发电，还可以起到遮阳、隔热、隔音等作用，提高建筑的能效。

③光伏路灯：将光伏电池安装在路灯上，可以利用太阳能发电。

④光伏电梯：将光伏电池安装在电梯井道或电梯轿厢顶部，利用太阳能发电，为电梯提供电力供应。

⑤光伏空调：它是一种利用太阳能发电来提供空调制冷或制热的设备。将光伏电池安装在空调室外机上，利用太阳能发电，为空调提供电力供应。控制器用于管理光伏空调的充电和放电过程，确保蓄电池的正常运行[3]。

⑥光伏储能系统：它是一种将太阳能发电与储能技术相结合的系统，它可以将太阳能转化为电能，并将电能储存起来，以备后续使用。将光伏电池与储能设备（如电池、超级电容器等）结合，形成光伏储能系统。

5 案例分析

5.1 案例一：上海世博会中国馆

上海世博会中国馆是中国光伏建筑一体化的标志性工程之一，中国馆的屋顶采用了光伏建筑一体化技术，将光伏电池集成在屋顶的结构中，形成了一个整体。这种技术不光提高了光伏电池的效率，也减少了建筑的能耗，降低了建筑的碳排放。上海世博会中国馆的光伏发电系统总装机容量为3.12兆瓦[4]，每年可发电约280万千瓦时，相当于节约标准煤约900吨，减少二氧化碳排放约2500吨。

5.2 案例二：深圳国际低碳城

深圳国际低碳城是一个采用了多种光伏新能源技术的项目，实现了建筑的自给自足和零碳排放。该项目采用了光伏幕墙、光伏屋顶、光伏路灯等多种光伏新能源技术，将太阳能转化为电能，为建筑提供电力供应。这些光伏技术的应用不仅可以提高建筑的自给自足能力，还可以减少建筑的碳排放，降低建筑的能耗。

深圳国际低碳城的光伏发电系统总装机容量为5.3兆瓦，每年可发电约600万千瓦时，相当于节约标准煤约1800吨，减少二氧化碳排放约5000吨。

5.3 案例三：北京奥运会鸟巢

北京奥运会鸟巢是中国光伏建筑一体化的另一个标志性工程，该项目的屋顶安装了大量的光伏电池，利用太阳能发电，为建筑提供电力供应。北京奥运会鸟巢的光伏发电系统总装机容量为0.13兆瓦[5]，每年可发电约15万千瓦时，相当于节约标准煤约50吨，减少二氧化碳排放约120吨。

6 结论与展望

光伏新能源技术能够将太阳能转化为电能，为建筑提供清洁、可再生的能源，有效降低建筑的能耗，实现建筑的电气节能。相比传统的化石能源，光伏新能源技术不会产生污染环境的有害物质，对环境更加友好，有利于可持续发展。尽管初期投资较高，但长期来看，光伏新能源技术能够通过降低能源成本和减少能源消耗为建筑带来经济效益。光伏新能源技术的应用可以使建筑更具科技感和现代感，提升建筑的品质和价值。政府对光伏新能源技术的应用给予了一定的政策支持，如补贴、税收优惠等，有利于推动其在建筑电气节能中的广泛应用。

随着光伏电池技术的不断改进，其转换效率将会进一步提高，从而提高光伏系统的发电能力。除了在屋顶和外墙安装光伏电池板外，未来光伏新能源技术还可以应用于窗户、天窗、遮阳棚等建筑部位，进一步提高建筑的能源利用效率。未来的光伏新能源系统将能够实现智能化的能源管理，根据建筑的能源需求和天气条件自动调整光伏电池板的输出功率，以达到最佳的节能效果。未来的光伏新能源系统将与其他可再生能源（如风能、地热能等）相结合，形成更加稳定和可靠的能源供应体系。未来的光伏电池板将采用更加美观和多样化的设计，以满足不同建筑风格和审美需求，使其更好地融入建筑环境。