光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用研究

張飛 宋輝輝

光伏發(fā)電對于落實“雙碳”戰(zhàn)略決策具有重要現(xiàn)實意義，是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進能源革命的重要舉措。光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的推廣應用不僅是建筑設計領域的創(chuàng)新，而且能夠有效降低建筑全壽命周期的能源消耗，具有明顯的節(jié)能減排效果。本文首先從原理、類型、特征等方面對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了說明，而后以某學校建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，進一步對光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案設計、優(yōu)越性進行了探析，通過分析光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用技術(shù)、發(fā)展方向等，闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用前景。

伴隨著“雙碳”戰(zhàn)略決策和戰(zhàn)略部署的大力推進，我國能源領域中能源轉(zhuǎn)型與結(jié)構(gòu)調(diào)整成為亟待解決的問題，而在眾多的轉(zhuǎn)型調(diào)整方向中，可再生清潔能源的應用顯現(xiàn)出了強勁的發(fā)展勢頭和廣闊的應用前景。太陽能作為一種清潔的可再生能源，取之不盡、用之不竭，有著石化礦物能源不可比擬的優(yōu)勢，因此，利用太陽能就成為了解決能源危機，平衡氣候變化，減少溫室氣體排放，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。

近年來，光伏發(fā)電技術(shù)進步較快，應用領域也更加多元化，市場活躍空前，其中光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic）作為建筑市場和光伏發(fā)電領域的交叉應用，成為近年來熱門的研究課題。隨著能源危機的日漸加重和城市化進程的迅速發(fā)展，通過將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑維護結(jié)構(gòu)表面提供能源供給來實現(xiàn)建筑節(jié)能的光伏與建筑一體化將成為城市發(fā)展、能源利用的重要趨勢。光伏建筑一體化產(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅能夠促進建筑節(jié)能和綠色能源協(xié)調(diào)發(fā)展，而且對促進國家生態(tài)文明建設具有長遠意義。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽能光伏發(fā)電是利用半導體材料的光電效應，將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)化為直流電能的發(fā)電系統(tǒng)，其中，“光伏”是光生伏特效應的簡稱，是在光照的情況下不均勻的半導體之間、半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分包括光伏電池組件、充放電控制器、逆電器、測試和監(jiān)控設備、儲能設備及其它輔助設備。光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要能量來源是太陽光，故影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要因素包括光伏組件可能接受的太陽能以及光伏組件本身的性能。

光伏發(fā)電系統(tǒng)應用較廣，目前主要應用于通信領域、交通領域、水文氣象領域、農(nóng)村邊遠地區(qū)、照明領域以及建筑領域等，隨著光伏技術(shù)的進一步發(fā)展以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的進一步成熟，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用領域會更加廣泛。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用類型及特點

1. 光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用類型

光伏發(fā)電與學校建筑相結(jié)合的應用主要包括建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合（BAPV）和建筑與光伏發(fā)電組件相結(jié)合（BIPV）兩種類型。BAPV即安裝型或組裝型太陽能光伏建筑，其中的光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑本身沒有沖突，可以后期安裝，也不會影響建筑的原有功能和外觀。BIPV即光伏建筑一體化則是構(gòu)建型或建材型太陽能光伏建筑，光伏發(fā)電組件與建筑本身同時設計、同時施工，使其成為建筑的組成部分。BAPV與BIPV相比，前者是傳統(tǒng)的通過建筑屋面、建筑墻面安裝太陽能光伏板材，而后者在于光伏發(fā)電系統(tǒng)作為圍護結(jié)構(gòu)本身而非附屬設施。

光伏建筑一體化根據(jù)其光伏發(fā)電組件類型來劃分，可以進一步分為光伏屋面系統(tǒng)即屋瓦式組件（PVROOF）、光伏墻面系統(tǒng)即墻體式組件（PV-WALL）和光伏構(gòu)件系統(tǒng)等，通常來說，建筑墻面比屋面的光伏發(fā)電使用面積更大，但屋面比墻面的光伏發(fā)電效率更高。當前，北京南站為最大的應用太陽能屋面采光系統(tǒng)的單體光伏發(fā)電建筑，而深圳方大大廈是國內(nèi)首個墻面采用光伏幕墻的光伏發(fā)電建筑。

BIPV根據(jù)其是否與交流電網(wǎng)連接來劃分，可以分為并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)即連接電網(wǎng)式太陽能發(fā)電系統(tǒng)和獨立BIPV系統(tǒng)即離網(wǎng)式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。獨立BIPV系統(tǒng)一般用于遠離外電網(wǎng)，引接電源困難，負荷容量較小的情況；并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)根據(jù)具體需求考慮是否儲能，是否允許光伏發(fā)電系統(tǒng)向公用電網(wǎng)逆向饋電等進行具體方案設計。

2. 光伏建筑一體化的特點

考慮到資源豐富的太陽光和廣闊的建筑屋面和建筑墻面，打造光伏發(fā)電組件與建筑完美融合的光伏建筑一體化，推動從傳統(tǒng)的耗能型建筑到符合可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)能型建筑轉(zhuǎn)變，勢必成為綠色建筑走可持續(xù)發(fā)展道路的最優(yōu)選擇。

（1）太陽能資源豐富，為清潔能源，采用太陽能光伏發(fā)電可以大大緩減石化燃料發(fā)電導致的空氣污染問題。

（2）有效利用閑置屋面或墻面，特別是對于人口密集、用地相對緊張的區(qū)域，優(yōu)勢更加明顯；可以就地發(fā)電就地使用，減少輸變電損耗及輸變電費用，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與規(guī)模擴大，光伏建筑的廣泛應用可在一定程度上緩解區(qū)域內(nèi)的用電供需矛盾，可以減輕傳統(tǒng)電力基礎設施的投入壓力。

（3）在民用建筑中，通常采用可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)通過并網(wǎng)進行運行，在光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電時段采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)向負荷供電，倘若有多余電量還可以逆流上網(wǎng)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)非發(fā)電時段自動由電網(wǎng)向負荷供電，保證負荷用電需求，增加供電可靠性。

（4）夏季日照充足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率高，正逢制冷設備使用多，用電處于高峰時期，可以有效緩減電網(wǎng)供電壓力，穩(wěn)定電網(wǎng)負荷動態(tài)，起到調(diào)峰作用。

（5）光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑屋面或建筑墻面維護結(jié)構(gòu)上，通過對太陽能輻射的吸收，可以大大減少室內(nèi)空調(diào)負荷，有利于節(jié)約能源。特別是隨著城市化進程的加快，公共建筑在城市建筑中占比逐漸增大，節(jié)能減排效果越加明顯，因為相比于居住建筑，公共建筑具有更豐富的輻射面積，且能耗更大。

三、項目案例

1. 項目基本情況

西安交通大學智慧輸變電裝備多工況模擬試驗平臺項目屬于教育部“雙一流”建設項目，項目總投資15937萬元，總建筑面積約11997平方米，包括試驗與仿真樓，多波形電源及戶內(nèi)試驗場，強電磁環(huán)境暗室、高功率微波源及電磁脈沖源室，E3大廳，單錐地下室共計5個單體建筑，其中試驗與仿真樓是教學辦公樓，屬于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上五層，地下一層；單錐地下室是試驗用房，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上一層，地下一層；其余三個試驗廠房均為鋼結(jié)構(gòu)單體，地上一層。

2. 項目光伏發(fā)電系統(tǒng)方案

為了積極響應政府“雙碳”政策導引，智慧輸變電裝備多工況模擬試驗平臺項目三個鋼結(jié)構(gòu)單體原設計方案在外墻部分區(qū)域采用了光伏幕墻組件。為了更好地利用社會投資進行新型能源開發(fā)建設，充分利用屋面日照條件的優(yōu)越性，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率，經(jīng)與西咸新區(qū)自然資源與規(guī)劃局灃西工作部多次溝通，最終將項目三個鋼結(jié)構(gòu)單體的外墻光伏方案調(diào)整為屋面光伏組件。

項目原設計方案中包含光伏板約3116平方米，施工總承包單位報價為841元/平米，造價約262萬元；方案調(diào)整后，原光伏板回歸為雙層壓型鋼板復合體系，施工總承包單位報價為167元/平米，造價約52萬元；而調(diào)整后的屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)由陜西某新能源有限公司進行全額投資進行建設，總體節(jié)約項目建設投資約210萬元，項目原設計方案及調(diào)整后設計方案詳見圖1。

圖1 原設計方案及調(diào)整方案

本項目光伏發(fā)電裝機容量700kW，屋面光伏組件引出端經(jīng)過控制器、逆變器后，通過鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱間隙從屋面引至高低壓配電室，進而與國家電網(wǎng)對接，形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)、國家電網(wǎng)并聯(lián)向項目供電的系統(tǒng)。

項目屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)由陜西某新能源有限公司負責進行建設、維護、運營，同時享受合作期內(nèi)收益。該投資公司承諾優(yōu)先將光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電提供給西安交通大學使用，對光伏發(fā)電電價給予當?shù)仉娋W(wǎng)購電含稅電價9折優(yōu)惠；25年合作期滿后，承諾將該光伏發(fā)電系統(tǒng)無償捐贈給西安交通大學用于教學或科研實踐基地。

3. 光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用優(yōu)越性

智慧輸變電裝備多工況模擬試驗平臺項目采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，不但通過利用社會資金為項目建設節(jié)約了造價，而且為學校及社會的節(jié)能減排做出了相應的貢獻。

（1）該項目節(jié)能效果顯著，有效地降低建筑全壽命周期的能源消耗。經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑的圍護結(jié)構(gòu)，能夠起到保溫隔熱作用，省去了設置保溫隔熱層的費用，并有效改善室內(nèi)溫差。

（3）學校能夠享受優(yōu)惠電價，進一步減少項目運營成本。

四、展望與思考

伴隨著能源革命向縱深發(fā)展，中國能源革命有了明確、清晰的發(fā)展道路和發(fā)展目標，清潔、低碳、安全、高效的能源轉(zhuǎn)型目標將加快推動太陽能等可再生能源的快速發(fā)展。為了更好地執(zhí)行國務院的“雙碳”工作意見，光伏建筑一體化成為綠色建筑的重要發(fā)展方向，也成為了學校建筑節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。

（1）公共建筑的耗能相對較大，光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校公共建筑中應用前景廣泛，節(jié)能空間大，示范效應好。

（2）在光伏建筑一體化的過程中，需要進一步加強光伏建筑基礎研究，在新型光伏材料、多能互補、智能控制與調(diào)度等方面爭取突破，使建筑從能源消耗者轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲哪茉瓷a(chǎn)者，為進一步踐行零能耗建筑理念創(chuàng)造條件。

（3）大力發(fā)展裝配式光伏建筑，努力實現(xiàn)光伏建筑一體化的構(gòu)件化、建材化、產(chǎn)業(yè)化、科技化、信息化和智慧化。

（4）光伏建筑一體化技術(shù)在鄉(xiāng)村振興、抗震救災中的應用研究和潛力。

（5）既有學校建筑改造潛力巨大，光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的廣泛應用具有良好的經(jīng)濟效益。

未來光伏建筑一體化的目標是低成本、高效率、高可靠、長壽命，但由于材料、技術(shù)、市場等客觀原因，目前仍然存在如下問題：

（1）光伏建筑一體化建筑初始投資占比較大，建造成本相對較高，投資回報率低，回報周期較長。

（2）符合建筑功能要求的光伏組件產(chǎn)品偏少，材料問題導致的發(fā)電效率問題以及光伏組件的壽命還不能很好地與建筑設計使用年限相匹配。

（3）功能性和藝術(shù)性結(jié)合方案探索。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的利用相對更加廣泛，但由于光伏發(fā)電自身的效率、成本等方面的限制，光伏產(chǎn)能與市場需求仍然存在一定矛盾。

隨著光伏材料發(fā)電效率的提高，光伏建筑未來將能夠?qū)崿F(xiàn)負荷脫網(wǎng)甚至用戶脫網(wǎng)，終將成為綠色能源和綠色建筑的領頭雁。當光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展到一定程度，光伏發(fā)電系統(tǒng)在學校建筑中的應用能夠達到零耗能，進而達到建筑脫網(wǎng)，為綠色建筑戰(zhàn)略的進一步發(fā)展提供光伏建筑一體化新模式。