太阳能光伏发电技术在公共建筑的应用

摘要：随着社会经济的快速发展，太阳能光伏发电的特殊优势逐渐体现出来。太阳能光伏具有其他资源无可比拟的优势，具体包括可再生、清洁环保等。随着太阳能电池光伏单晶硅原材料成本的下降，太阳能光伏发电得以受到越来越多的重视。不仅能够替代部分常规能源，而且在开始在世界能源消费中占据重要的位置，并将成为未来世界能源供应的主体。本文就太阳能光伏发电技术在公共建筑的应用展开简要的论述。

关键词：建筑工程；太阳能；光伏发电；应用

中图分类号： TU198 文献标识码： A

一、太阳能光伏发电技术的原理及运行方式

太阳能电池是光伏发电的主要能量转换器，它也被称为光伏电池。关于太阳能光伏发电的原理简单概括就是光生伏特效应，太阳能电池接触到太阳光线时，电池会自然吸收其中的光能，进而构成光生电子。基于内建电场的控制，空穴与光生电子发生隔离，异号电荷积累到一定程度之后便会汇聚成为光生电压，这也就是所谓的光生伏特效应。在内建电场接上负载后会导致光生电流流出，这就实现了功率的输出，成功将太阳能转化为电能。

太阳能光伏发电系统是将太阳能转换为电能的主要装置，这一装置也被称为太阳能电池发电系统，一般我们将地面太阳能光伏发电系统划分为联网运行方式和离网运行方式两个方面。所谓的离网太阳能光伏发电系统是指没有与公共电网相接的光伏发电系统，它是一种相对独立的光伏发电过程，常被应用于偏僻的农村或是公共电网难以覆盖的无电地区，甚至牧区及海岛照明也通常会选用这一独立的太阳能光伏发电系统。除此之外，离网太阳能发电系统还成功实现了为气象台站及通信中继站等特殊地区提供电能。联网太阳能光伏发电系统顾名思义是与公共电网相连接的光伏发电系统，通过并网光伏发电的方式将太阳能转化为交流点，它与电网电压同频同相，在与电网相连的过程中实现电能的输送。太阳能光伏发电技术涉及到太阳能电池技术、光伏阵列最大功率跟踪技术、孤岛效应检测技术以及聚光光伏技术等。商业化发电阶段有着显著的规模化特征，无论是联网运行还是离网运行都构成了电力工业的重要组成部分，它们势必将成为太阳能光伏发电领域的核心技术格局。

二、太阳能光伏发电系统

（1）独立光伏发电系统

利用太阳能光伏技术可以进行独立发电，其不需要与电网相连，独立运行光伏发电系统即可进行发电，这种独立光伏发电系统通常会在边远地区及野外的电源中进行应用，由于其可以将白天生产出来的部分电能通过蓄电池储存起来，而在晚上释放出来供人们对电能的需求，所以对于一些没有接入到电网中的居民也是十分好的选择。但由于独立光伏发电系统在日常应用中稳定性还较为欠缺，往往需要建立普通电站作为辅助，这不仅导致发电成本增加，而且与绿色能源的目的也不相符合。

（2）并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是指将光伏发电设备与电网连接在一起的发电系统。太阳能光伏发电设备与其他类型的发电站一样能为公共电网提供有功电能和无功电能。光伏电池在阳光照射下产生的是直流电，需要经过相关设备变换成与公共电网频率相同的交流电，之后再以电流源、电流源等方式把电能送入电网，所以并网系统不需要蓄电池，系统运行成本低于独立光伏发电系统。另外，并网光伏发电系统的转换率比独立光伏发电系统高很多，所以发电系统的供电比较稳定，是太阳能光伏发电产业的比较合理发展方向。

三、太阳能光伏发电技术在公共建筑中的应用

（1）光伏发电在LED照明中的应用

作为半导体材料制作而成的组件，LED与光伏发电的结合可实现电能至光能的转化。这一半导体照明技术不仅有着环保、节能、高效的技术优势，并且照明周期较长，且易于维护。光伏发电在LED照明系统中的应用突出了光生伏特效应的技术原理，通过太阳能电池实现对太阳能至电能的转化，再借助LED照明系统将其转化为最终的光能。由于LED照明和光伏发电技术同是直流电，因此转化过程并不需要借助变频器，这明显提高了整个过程的执行效率。除此之外，在可充放蓄电池的辅助下，光伏发电在LED照明中的技术优势必将更加突出。

（2）太阳能光伏系统建筑一体化利用方式

“光伏发电与建筑物一体化”的概念在1991年正式提出，是目前世界上大规模利用光伏发电的研发热点。太阳能光伏与建筑物相结合主要有两种形式：一种是在建筑物屋顶、立面安装平板光伏器、光伏阵列与电网并联向用户供电，从而形成用户联网光伏系统。第二种形式是将光伏器件与建筑实现集成一体化，即在建筑物屋顶或立面安装光伏发电电池板，用光伏发电的玻璃幕墙代替普通的玻璃幕墙，由屋顶和墙面的光伏器件直接吸收转化太阳能，太阳能系统平板既可以做建材又可以发电，进一步降低光伏发电的成本。目前，许多国家已研制出大尺度的彩色光伏模块可替代昂贵的墙体外饰材料，使光伏发电与建筑物一体化成本进一步降低。

建筑物与太阳能光伏发电系统的进一步有机结合是将太阳能电池板与建筑顶面、立面材料集成一体化。建筑物建设使用过程中，建筑立面墙体结构表面通常采用喷涂涂料、铺贴瓷砖、安装幕墙玻璃等。如果用太阳能电池板替代建筑立面墙体及屋顶建筑材料，太阳能电池板既可作为建筑装饰材料，也可以用于光伏发电系统。由此可见，实现太阳能电池板与建筑的有机一体化结合，是太阳能光伏发电系统建筑一体化推广与应用的一个关键问题，这种结合并非是建筑与太阳能电池板简单“叠加”，而是在建筑与光伏系统设计方案阶段将太阳能电池板纳入建筑设计构思中。

太阳能电池板用于建筑材料，必须具备建筑材料的基本要求，如坚固耐久、防水防潮、保温隔热、隔音等以及适当的强度和刚度等性能。若安装在屋顶、窗户等，还应具有透光的性能。太阳能光伏系统建筑有机结合，根据建筑工程使用及工况的需要，与普通的平板式光伏系统组件不同，太阳能电池板兼有发电与建筑装饰材料的功能，必须满足建筑材料的基本性能需要。应该遵循以下原则：①建筑物设计完成后使太阳能电池板成为建筑不可缺少的一部分，成为建筑结构构成部分。②太阳能电池板的颜色和肌理必须与建筑物的相关部分相和谐统一，与建筑物的整体风格相结合。③太阳能电池板的比例和尺度必须与建筑整体的比例与尺度相协调，这将决定太阳能电池板的分格尺寸与形式。④太阳能电池板屋顶具体的细部设计，如材料用量是否最小化、设计细节是否和谐、有机等需统一考虑。

（3）太阳能水泵

通常情况下，太阳能水泵并不需要蓄电池，而是借助太阳能电池板来带动水泵工作。在大型光伏水泵站中都会备有逆变器，逆变器可以将太阳能电池板的直流电转换为交流电，然后交流电再带动水泵进行工作。虽然刚开始要对太阳光伏水泵系统投入较多的资金，但是太阳光伏水泵系统的运行费用较低、使用寿命长，所以太阳光伏水泵系统仍然具有广阔的发展前景。

（4）太阳能、LED光源的结合

在固体物理、半导体技术的快速发展下，科学家已经研发出了固体光源LED。其具有以下的几点优势：较低的功耗、较长的寿命、较高的光效以及较快的反应速度等，与白炽灯相比较，固体光源LED的污染也是非常小的。在不久的未来，固体光源LED有望占领整个灯源市场。

四、结语

随着光伏发电产业化进程和技术开发的发展，太阳能光伏发电系统与建筑一体化生态节能工程，其发展前景广阔，市场潜力巨大，其效率、性价比随着太阳能光伏技术日益发展将进一步得到提高，相信在不久的将来，太阳能光伏发电将取代常规的发电系统，成为能源的主体。