光伏發(fā)電在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀探討

摘 要：能源危機(jī)與環(huán)境污染是當(dāng)前世界各國(guó)都在面臨的重要問(wèn)題，因而努力發(fā)展推廣清潔能源也成為各國(guó)的主要目標(biāo)之一。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而減少對(duì)煤炭、石油等能源的依賴，同時(shí)該技術(shù)也可以應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中。然而實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電技術(shù)在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍不普遍，仍然需要社會(huì)及相關(guān)部門的大力引導(dǎo)。對(duì)此，文章率先簡(jiǎn)述了光伏發(fā)電的概念原理，以及其在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性，隨后系統(tǒng)介紹了我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中光伏發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為光伏發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)；光伏發(fā)電；應(yīng)用研究

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種重要的清潔能源方式，不僅干凈無(wú)污染且儲(chǔ)量無(wú)限，不必?fù)?dān)心消耗過(guò)多的問(wèn)題，而且隨著綠色建筑概念的不斷普及，越來(lái)越多的學(xué)者或者建筑設(shè)計(jì)人員嘗試將光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，以求城市建筑對(duì)不可再生能源的消耗，減少污染，緩解人與自然生態(tài)日益緊張的關(guān)系[1]。而作為能源消耗大國(guó)，在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)的重要性不言而喻。

1 光伏發(fā)電的概念原理分析

光伏發(fā)電是一種根據(jù)光生伏特效應(yīng)利用半導(dǎo)體將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)現(xiàn)技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板、控制器、逆變器、保護(hù)裝置、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）等結(jié)構(gòu)組成[2]，具體如圖1所示。其中太陽(yáng)能電池板負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并具有儲(chǔ)存電能的作用；控制器負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，決定太陽(yáng)能電池板的發(fā)電、逆變器運(yùn)行、開關(guān)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換等工作；逆變器負(fù)責(zé)將電池板或者蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電；保護(hù)裝置負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)以及家庭低壓配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理為：白天，太陽(yáng)能板會(huì)正常發(fā)電，控制器更具最大的發(fā)電功率調(diào)整變換器，從而將電能引入蓄電池，同時(shí)，控制器控制逆變器給家用電器供電；晚上，太陽(yáng)能電板停止發(fā)電，主控制器控制逆變器將蓄電池中的電能轉(zhuǎn)換成交流電，給家用電器供電。若蓄電池電量不足或者光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則控制器會(huì)自動(dòng)將電路切換到正常電網(wǎng)供電線路中。

2 建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用光伏發(fā)電的必要性

2.1 城鎮(zhèn)建筑能源消耗大

近年來(lái)，加快城鎮(zhèn)化建設(shè)一直是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措之一，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)城鄉(xiāng)建筑面積以每年近20億平方米的速度增長(zhǎng)[3]。與此同時(shí)需要注意到，每年新出現(xiàn)的建筑中超過(guò)8成為傳統(tǒng)建筑，即高耗能建筑，再加上現(xiàn)有建筑的能源消耗，因而我國(guó)每年的建筑能源消耗量便能夠達(dá)到年能源消耗總量的3成左右，這一數(shù)據(jù)甚至還在增加。在當(dāng)前能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重的今天，在建筑設(shè)計(jì)中大力推廣光伏發(fā)電技術(shù)，減少建筑能源消耗，從而緩解能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展十分必要。

2.2 建筑產(chǎn)生的污染嚴(yán)重

當(dāng)前，我國(guó)建筑所依賴的能源主要是電能，而發(fā)電主要依靠煤炭。與數(shù)據(jù)顯示，發(fā)電廠每消耗一噸標(biāo)準(zhǔn)煤就會(huì)產(chǎn)生兩千余千克二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等。因此，在建筑設(shè)計(jì)中采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠減少煤炭的使用。從而降低硫化物、氮化物等污染物和二氧化碳等溫室氣體的排放量，最終起到保護(hù)環(huán)境的效果。

2.3 滿足無(wú)電地區(qū)建筑物的用電需求

當(dāng)前，我國(guó)仍然有部分偏遠(yuǎn)落后地區(qū)沒(méi)有通電，這個(gè)當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ町a(chǎn)生了嚴(yán)重影響。在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以直接利用太陽(yáng)光給建筑物供電，從而滿足居民的用電需求。

3 光伏發(fā)電在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

光伏發(fā)電在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以用一個(gè)具體的概念代替，即光伏建筑一體化。顧名思義，所謂光伏發(fā)電一體化就是指將光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合在一起。而且光伏發(fā)電一體化具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：降低電網(wǎng)及其配套設(shè)施的使用，減少建筑施工成本；具有極高的性價(jià)比；滿足建筑自身用電的同時(shí)，還能夠向電網(wǎng)輸電，從而緩解發(fā)電壓力；減少建筑物對(duì)不可再生能源的消耗。

通常來(lái)說(shuō)，光伏建筑一體化包括兩種形式，其一為光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合，例如：將太陽(yáng)能電池板放在建筑屋頂或者墻面上，這種形式下系統(tǒng)與建筑之間的功能并不會(huì)發(fā)生沖突，該形式英文簡(jiǎn)稱BAPV。另一種是光伏元器件與建筑的結(jié)合，例如：用太陽(yáng)能電池板當(dāng)做建筑幕墻，在發(fā)電的同時(shí)又起到遮陽(yáng)、透光、美觀建筑的作用，這種形式英文簡(jiǎn)稱BIPV。

3.1 BAPV的應(yīng)用分析

實(shí)際生活中，BAPV的應(yīng)用時(shí)比較普遍的大到城市地標(biāo)建筑小到城鎮(zhèn)普通居民樓，都可以看到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。而比較有代表性的實(shí)例有：北京首都博物館在設(shè)計(jì)建設(shè)之初在利用其平頂挑檐結(jié)構(gòu)，在屋頂平面上黏貼了太陽(yáng)能電池板，其發(fā)電量足夠滿足博物館白天的照明需求。京滬高鐵上海虹橋站的兩側(cè)雨棚屋面上也設(shè)計(jì)安裝了太陽(yáng)能電池板，其年發(fā)電總量可以滿足1.2戶居民的正常使用。

在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員還需要考慮到相應(yīng)的要素。包括：BAPV的應(yīng)用不能破壞建筑的美學(xué)觀感；建筑屋頂最好呈傾斜，且傾斜角度能夠使太陽(yáng)能電池板接受到最大太陽(yáng)輻射；合理確定建筑物的體型，最好是東西朝向的長(zhǎng)方形，從而使太陽(yáng)能電池能夠接受到最大輻射。

3.2 BIPV的應(yīng)用分析

這種形式是將光伏元件與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，比較知名的例子有：青島火車站直接將光伏元件作為建筑材料安裝在景觀走廊頂部，既滿足了火車站的景觀效果，又可以發(fā)電供車站照明使用。電谷國(guó)際酒店將光伏幕墻設(shè)計(jì)為鑲嵌了3000多塊光伏元器件的玻璃幕墻，這種幕墻在具備玻璃幕墻功能的前提下又可以發(fā)電供酒店照明使用，而且多余的電還可以輸入國(guó)家電網(wǎng)，節(jié)約對(duì)煤炭的消耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)或者技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)前較為普遍，且被多數(shù)人們所接受的新理念。然而，鑒于當(dāng)前實(shí)踐中建筑設(shè)計(jì)對(duì)于光伏發(fā)電的應(yīng)用并不廣泛，因此仍然需要對(duì)光伏發(fā)電在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行探討，以使更多的人了解光伏建筑一體化。文章率先對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)及工作原理進(jìn)行了解，同時(shí)指出建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用光伏發(fā)電的必要性，最終對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行介紹，促進(jìn)了光伏發(fā)電在建筑設(shè)計(jì)中的更廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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