閆峰

（黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

隨著中國現(xiàn)代建筑業(yè)的不斷蓬勃發(fā)展，特別是近年來民用智能建筑逐漸興起。智能家居、智慧住宅小區(qū)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)、智能自動(dòng)泊車監(jiān)控系統(tǒng)等諸多智能建筑基礎(chǔ)設(shè)施為人們創(chuàng)造了安全、高效、便捷、健康的智能建筑生活環(huán)境，但同時(shí)也帶來了巨大能源消耗。開拓應(yīng)用光伏新能源技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)城市智能建筑系統(tǒng)整體性能不斷優(yōu)化的必然需求，也是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求［1］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著化石能源的過度開采使用，使得世界各國都面臨著環(huán)境嚴(yán)重污染的壓力。新能源作為可再生能源得到了大力提倡，而光伏作為新能源的主力得到各國的大力發(fā)展，對(duì)于光伏能源在建筑中的應(yīng)用也慢慢的得到了各國的重視，美國自2010年就提出了“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，歐美國家對(duì)太陽能開發(fā)和利用走在世界的前列，建筑能源結(jié)構(gòu)中光伏能源占比達(dá)到40%。中國雖然光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但目前國內(nèi)在建筑電氣項(xiàng)目中應(yīng)用光伏新能源技術(shù)大多處于理論階段，實(shí)際在建筑中完全應(yīng)用光伏新能源技術(shù)的項(xiàng)目少之又少，通過對(duì)光伏新能源技術(shù)在城市智能建筑電氣中的應(yīng)用進(jìn)行研究，可對(duì)城市智能建筑高能耗的缺點(diǎn)得到了有效的應(yīng)用解決方案，同時(shí)推動(dòng)光伏新能源技術(shù)在城市智能建筑電氣系統(tǒng)節(jié)能中的開發(fā)利用，極大的促進(jìn)城市智能建筑電氣發(fā)展。

1 光伏新能源技術(shù)特點(diǎn)研究

1.1 光伏新能源的概念

能源安全是保障當(dāng)前生產(chǎn)生活順利開展的重大前提，作為社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)順利進(jìn)行的重要基石，一直以來都受到社會(huì)各界的高度重視。特別是我國當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的形勢(shì)下，對(duì)潔凈能源也有了更高的要求，當(dāng)使用石油、天然氣、煤等主要不可再生能源時(shí)，就需要及時(shí)采取措施合理地處理能量資源有限與能源需求之間的矛盾問題。為了實(shí)現(xiàn)的能源及發(fā)展的可持續(xù)，就必須加大力度支持開發(fā)下一代新的可再生能源，充分利用光和太陽能等各種新能源，對(duì)比其他傳統(tǒng)的可再生能源，不僅可以直接進(jìn)行資源再生且對(duì)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境造成破壞程度影響小，有較大的能源綜合應(yīng)用性和發(fā)展空間優(yōu)勢(shì)［2］。光伏新能源主要工作原理是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)等，也就是通過吸收大量太陽能將光能轉(zhuǎn)化為電能，再通過光伏逆變器將光伏電能的直流電轉(zhuǎn)化成為交流電，采用自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備，再通過光伏系統(tǒng)控制器對(duì)其整個(gè)電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制如圖1所示。在太陽光充足時(shí)完全可以直接利用光伏儀器設(shè)備吸收大量太陽能，同時(shí)利用太陽能光伏系統(tǒng)用轉(zhuǎn)化的電能將儲(chǔ)能電池盡可能充滿，需要用電或者太陽光不充足時(shí)就可以直接通過利用光伏逆變器使儲(chǔ)蓄電池為用電設(shè)備供電，光伏控制器對(duì)整個(gè)能源及供放電系統(tǒng)進(jìn)行一系列科學(xué)系統(tǒng)的管理。光伏作為新一代能源的主要好處在于可持續(xù)儲(chǔ)蓄大量可再生能源，光伏能源具有無污染、無噪聲、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，隨著近年來的飛速發(fā)展，光伏系統(tǒng)使用材料、技術(shù)上的不斷進(jìn)步，以及光伏系統(tǒng)制造的發(fā)展成熟，使得光伏系統(tǒng)的價(jià)格變得更加便宜，這極大且有效降低太陽能光伏系統(tǒng)能源管理及運(yùn)營維護(hù)成本，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠穩(wěn)定且安全的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 光伏新能源技術(shù)調(diào)節(jié)及控制流程

1.2 光伏新能源技術(shù)應(yīng)用

由于光伏新能源技術(shù)的迅速發(fā)展，能夠?qū)夥逯惦妷鹤兓龀龊侠淼恼{(diào)解，使光伏電網(wǎng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性更高，和傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比有著很大的優(yōu)越性。也極大的減少了投資成本。將其運(yùn)用于城市智能建設(shè)的電氣系統(tǒng)中，將能夠更有效地提升城市建設(shè)資源的綜合效率。利用光電新能源技術(shù)發(fā)電的主要機(jī)理是通過光伏半導(dǎo)體產(chǎn)生發(fā)電效應(yīng)，為整個(gè)建筑電氣系統(tǒng)提供電力，具備了能量消耗較小、無靜電污染等優(yōu)點(diǎn)，更能滿足現(xiàn)代智能建筑電氣系統(tǒng)的節(jié)能需求。逐漸的被應(yīng)用進(jìn)建筑電力系統(tǒng)一體化的建設(shè)中［3］。在建筑物外墻上可架設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，并利用光伏發(fā)電系統(tǒng)給整座建筑物帶來大量電能。此外，為了切實(shí)發(fā)揮光伏板在建筑電氣系統(tǒng)中的優(yōu)越性，還必須切實(shí)做好裝置安裝和日常保養(yǎng)以及工作區(qū)域的設(shè)計(jì)，盡量避免將其放置在附近有一些較高建筑的可覆蓋區(qū)域，以免無法有效的接收太陽能，影響光伏設(shè)備的發(fā)電效率。在后期設(shè)備使用維修過程中，為了保證電氣可以長(zhǎng)久持續(xù)為提供穩(wěn)定的電源，需定期對(duì)其進(jìn)行巡檢維修，尤其是在惡劣降雨天氣時(shí)，要立即采取緊急電氣預(yù)防措施進(jìn)行處理。

2 光伏新能源的優(yōu)勢(shì)

光伏發(fā)電站可與建筑結(jié)合且占地面積較小，可根據(jù)具體情況直接選擇安裝在城市住宅區(qū)的屋面墻面或能有效接收太陽能的區(qū)域，便于能夠隨時(shí)接收日常使用中所需的太陽能，能極大的節(jié)省建筑的使用空間，可有效應(yīng)用于現(xiàn)代城市中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，太陽能板對(duì)于城市基礎(chǔ)建筑可一定程度起到城市建筑景觀裝飾以及美化保護(hù)作用。同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何的溫室氣體和有毒有害氣體，對(duì)環(huán)境污染?。?］。獲取能源簡(jiǎn)單方便，只需太陽光的持續(xù)照射即可正常進(jìn)行發(fā)電，能有效改善由于使用石油以及天然煤炭等不可再生資源而產(chǎn)生的大量溫室氣體造成環(huán)境污染（主要城市太陽能分布見表1）。隨著光伏系統(tǒng)的價(jià)格變得更加便宜，使得太陽能光伏系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)成本低，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠穩(wěn)定且安全的優(yōu)點(diǎn)。隨著光伏效率的逐步提高，及光伏系統(tǒng)應(yīng)用的成熟，布設(shè)一般型式的光伏系統(tǒng)就可基本上保證小型家庭企業(yè)用電戶的能源需求，通過節(jié)能利用措施可將資源利用最大化。在修建光伏發(fā)電廠的整個(gè)過程中，所有的光伏發(fā)電設(shè)備只需自動(dòng)進(jìn)行調(diào)配，用戶的電能即能合理的儲(chǔ)存，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定以及安全。

表1 主要城市太陽能分布表

3 智能化建筑電氣節(jié)能技術(shù)的問題分析

從目前我國及整個(gè)世界建筑能源消耗的主要組成部分分析，電力能量的消耗依然是建筑最主要的組成部分。太陽能、熱能、風(fēng)電等新技術(shù)領(lǐng)域成為了當(dāng)前建筑節(jié)能行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)方向，而隨著新能源領(lǐng)域的迅速發(fā)展，光伏新能源領(lǐng)域技術(shù)已日趨完善，并應(yīng)用于城市智能建筑電氣系統(tǒng)中的節(jié)能控制。目前依托于利用混合太陽能與風(fēng)能的新型建筑發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已日趨完善，這兩種新型建筑電氣系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)已在我國眾多新型節(jié)能環(huán)保行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛投入使用，并已成功取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［5］。雖然對(duì)于工業(yè)智能化建筑樓宇高層建筑電氣系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)能控制技術(shù)方面已經(jīng)成功取得了一定的突破，但是同時(shí)也面臨著許多新的問題，建筑樓宇安全自動(dòng)化、智能化專用電氣設(shè)備是確保節(jié)能系統(tǒng)能否達(dá)到發(fā)展效益的重要影響因素。如果智能化大型建筑物節(jié)能系統(tǒng)缺少基本的各類工業(yè)化、自動(dòng)化、和智能化電氣設(shè)備，即使是擁有最為先進(jìn)的節(jié)能管理控制技術(shù)，也很難真正達(dá)到節(jié)能效果。而目前我國在現(xiàn)代工業(yè)裝備自動(dòng)化、智能化和新建筑電氣設(shè)備等新技術(shù)產(chǎn)品研究、開發(fā)和產(chǎn)品批量生產(chǎn)上仍然處于發(fā)展階段。

4 光伏新能源技術(shù)在智能建筑電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

以某建筑屋頂光伏智能發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化工程為例，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

4.1 太陽能電池陣列

選擇應(yīng)用多晶硅光伏組件，成本較低且生產(chǎn)效率高，經(jīng)過性價(jià)比計(jì)算，確定項(xiàng)目太陽能光伏組件應(yīng)用260WP。鎘鎳與鉛酸蓄電池單體浮充電壓分別為1.4～1.6V和2.2V。

負(fù)載24h消耗容量P：P=H/V。其中V表示負(fù)載額定電壓。

電池陣列工作電壓VP：VP=VF+VD+VT。其中，VD=0.5～0.7，且VD≈VF。

4.2 表面太陽能輻射

將光伏陣列水平面太陽能輻射量同過如式（1）計(jì)算換算成光伏陣列傾斜面太陽輻射量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果換算發(fā)電量。如果選擇傾斜角固定安裝陣列的方式安裝太陽能光伏陣列，可接收太陽能輻射主要受傾斜角度的影響，計(jì)算公式為：

式中，RD為傾斜光伏陣列面太陽能總輻射量；D為散射輻射量；S為水平面太陽直接輻射量；β為光伏陣列傾角；α為太陽高度角。

依據(jù)氣象部門的數(shù)據(jù)，對(duì)項(xiàng)目太陽能輻射值進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過分析計(jì)算可確定當(dāng)?shù)厝娼邮仗柲茌椛淞孔畲髸r(shí)陣列傾斜角，按照計(jì)算確定的最佳角度來安裝光伏陣列。

4.3 光伏系統(tǒng)效率計(jì)算

光伏系統(tǒng)總體效率主要由太陽能電池板的轉(zhuǎn)換（發(fā)電）效率和所發(fā)電力并入系統(tǒng)電網(wǎng)損失兩個(gè)要素決定，光伏系統(tǒng)總效率主要由光伏陣列效率、逆變器效率以及系統(tǒng)并網(wǎng)效率決定。光伏陣列效率η1，即光伏陣列在1000W/m2太陽輻射強(qiáng)度下，實(shí)際直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。逆變器轉(zhuǎn)換效率η2，即逆變器輸出交流電功率與直流輸入功率比。交流并網(wǎng)效率η3，即從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)傳輸效率，其中主要為升壓變壓器效率?？捎?jì)算光伏系統(tǒng)總效率η=η1（光伏陣列效率綜合考慮一般可取85%）×η2（逆變器效率一般可取95%）×η3（交流并網(wǎng)效率一般可取95%）=77%。

4.4 其他

太陽能光伏系統(tǒng)需設(shè)置控制系統(tǒng)對(duì)電氣及能源進(jìn)行科學(xué)合理地控制，并設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)太陽光輻射量、環(huán)境溫度及風(fēng)速等有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并記錄反饋給系統(tǒng)，通過傳感器及儀器儀表獲得功率、電流、電壓、容量等相關(guān)數(shù)據(jù)，為優(yōu)化控制及能源管理提供有力數(shù)據(jù)支持。應(yīng)對(duì)太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)置防雷及接地裝置，防雷系統(tǒng)應(yīng)按照有關(guān)防雷規(guī)范的要求，并結(jié)合當(dāng)?shù)丶碍h(huán)境情況進(jìn)行設(shè)置，接地裝置應(yīng)按照電氣及安全規(guī)范的有關(guān)規(guī)定設(shè)置，確保光伏系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

5 光伏新能源在建筑電氣的應(yīng)用前景分析

5.1 新型空調(diào)

可將光伏新能源技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)等建筑用電設(shè)備上，通過智能控制器將光伏新能源進(jìn)行合理利用，對(duì)建筑內(nèi)的溫度進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。對(duì)光伏儲(chǔ)能電池的能源進(jìn)行綜合利用，根據(jù)智能控制邏輯可以進(jìn)行供暖和保溫制冷［6-8］。在供暖制熱過程中，主要利用的能源是儲(chǔ)蓄的太陽能和其他光能，不會(huì)產(chǎn)生任何的溫室氣體和污染氣體，在大氣中的污染物排放降低，清潔環(huán)保。光伏新能源電池在利用太陽能，不會(huì)產(chǎn)生任何聲音，對(duì)于居住在建筑內(nèi)的任何人和其身體健康不造成任何影響。通過太陽光的照射可產(chǎn)生一定的熱能，在儲(chǔ)蓄電能及制熱保溫過程中，可利用一部分能源作為熱能，通過媒介進(jìn)行保溫保熱，一般來說，發(fā)熱器的溫度越高，則發(fā)熱量也就越大，制熱也就越快。所以如果用多層熱能媒介疊加的方式，則可以把保溫制熱過程效率進(jìn)一步提高。

在整個(gè)建筑內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行制熱或者制冷會(huì)造成建筑內(nèi)溫度循環(huán)不良，采用智能建筑控制技術(shù)并結(jié)合太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，對(duì)整個(gè)建筑的濕熱循環(huán)進(jìn)行處理，控制濕度、溫度在合理舒適的狀態(tài)。光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)可應(yīng)用室內(nèi)外的設(shè)備，利用太陽能等開放循環(huán)系統(tǒng)，將空氣、水汽等多種循環(huán)進(jìn)行溫濕度處理調(diào)解，不僅節(jié)能高效，還可盡量減少固體碳排放，操作管理也比一般濕熱處理器簡(jiǎn)單。

5.2 光伏系統(tǒng)與建筑集合

將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑進(jìn)行相互集合融合，將太陽能光伏組件、光伏發(fā)電配套裝置等光伏系統(tǒng)集成安裝在建筑物的外側(cè)以便最大化的接收太陽光，作為建筑的組成部分。通過結(jié)合光伏發(fā)電配套系統(tǒng)，建筑物本身就像一臺(tái)發(fā)電機(jī)。綜合考慮建筑物的功能及安全等影響，盡可能多將光伏組件布置在建筑物的各個(gè)方面，將能源則通過儲(chǔ)蓄設(shè)備收集起來，用于建筑物的各種應(yīng)用。光伏發(fā)電配套系統(tǒng)與多個(gè)集合光伏建筑進(jìn)行同時(shí)供電，也可光伏發(fā)電系統(tǒng)僅給獨(dú)立建筑供電，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)易于安裝和拆卸，并且日常養(yǎng)護(hù)運(yùn)維簡(jiǎn)單方便，對(duì)環(huán)境的空氣污染?。?，10］?，F(xiàn)在很多大型光伏建筑都已經(jīng)配備了獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，隨著該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大的推動(dòng)了我國光伏發(fā)電城市化的發(fā)展。

6 結(jié)語

目前，國家大力提倡低碳經(jīng)濟(jì)，推行可持續(xù)發(fā)展策略，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家對(duì)于節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用將持續(xù)增強(qiáng)，而光伏新能源技術(shù)作為可再生資源應(yīng)用技術(shù)，能夠穩(wěn)定有效的持續(xù)提供能源支持。文中圍繞光伏建筑新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，介紹光伏建筑新能源的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，分析了光伏建筑新能源技術(shù)在民用智能建筑電氣系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用及存在問題。對(duì)光伏建筑新能源技術(shù)對(duì)我國城市民用智能建筑電氣系統(tǒng)發(fā)展的影響進(jìn)行了分析，得到了光伏新能源技術(shù)可很好的滿足智能建筑中的能耗需求，特別是空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)、公共照明系統(tǒng)、公共設(shè)施等智能建筑中大功耗的設(shè)備設(shè)施用電，同時(shí)光伏新能源技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的電路用電，可有效提高對(duì)能源的利用效率，減少污染物的排放。因此，光伏新能源技術(shù)在智能建筑電氣發(fā)展領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊。