發(fā)布時(shí)間：2017-07-20所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 這篇電力技術(shù)論文發(fā)表了光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑的應(yīng)用，論文介紹了安徽省光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，有效促進(jìn)安徽省建筑能源耗損的減少和綠色節(jié)能建筑的改善，確保建筑低層部分光伏發(fā)電的安全性，并使其在綠色環(huán)保和節(jié)能效果方面都得到了有效加強(qiáng)。
這篇電力技術(shù)論文發(fā)表了光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑的應(yīng)用，論文介紹了安徽省光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，有效促進(jìn)安徽省建筑能源耗損的減少和綠色節(jié)能建筑的改善，確保建筑低層部分光伏發(fā)電的安全性，并使其在綠色環(huán)保和節(jié)能效果方面都得到了有效加強(qiáng)。
關(guān)鍵詞:電力技術(shù)論文發(fā)表,光伏發(fā)電;建筑
引言
當(dāng)今世界正面臨著越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)，新能源的開發(fā)和利用已備受社會的關(guān)注.其中，太陽能屬于可再生清潔能源，其儲量的無限性、范圍的普遍性和利用的環(huán)保性，已經(jīng)在各能源領(lǐng)域得到了重視并開發(fā)，屬于一種較好的綠色能源.在這個基礎(chǔ)和前提下，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為太陽能利用的主要方式，具備良好的發(fā)電、儲存、傳輸和利用等優(yōu)勢，已經(jīng)在各行各業(yè)中得以體現(xiàn).其中，最為主要的應(yīng)用方式就是光伏建筑一體化技術(shù)的體現(xiàn).將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，不僅可以有效降低建筑在使用過程中產(chǎn)生的能源損耗，還對建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綠色環(huán)境的營造產(chǎn)生積極的現(xiàn)實(shí)作用[1].本文主要以安徽省為例對光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行有效研究，分析光伏建筑的節(jié)能效果以及對綠色建筑的構(gòu)建情況，有效促進(jìn)安徽省建筑能源損耗的減少以及綠色節(jié)能建筑的改善.
1安徽省光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1安徽省太陽能資源情況
安徽省地處我國的東部地區(qū)，恰好位于暖帶和亞熱帶的過渡地域，四季比較分明，境內(nèi)有山川、平原等，長江與淮河兩大流域橫貫其中，同時(shí)受到季風(fēng)的影響較大，因此，安徽省有著獨(dú)特的氣候環(huán)境.淮河以南主要以亞熱帶濕潤氣候?yàn)橹鳎员敝饕耘霛駸釟夂驗(yàn)橹?安徽省全省平均氣溫主要分布在14℃～17℃，平均日照時(shí)長約為2000h～2500h，霜期僅為100d左右，降水量較大，約為1000mm～2000mm.由此可見，安徽省屬于太陽能資源的中等地區(qū)，其中省內(nèi)光照情況見圖1所示.
1.2安徽省建筑能耗情況
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2016年安徽省全民建筑能耗達(dá)到200億kW•h，其中，公共建筑雖然僅占省內(nèi)全民總建筑的27%，但是能源消耗所占比例達(dá)到了66%，而大型公共建筑占總建筑面積的2%，能耗卻占總能耗的5%.由此可見，大型公共建筑單位面積耗能比例居各類建筑的能耗之首，是一般公共建筑能耗的2倍.期中，在一般公共建筑中，商場、超市之類的建筑單位面積能耗最高，其次是酒店、賓館之類的建筑，分別是居住類建筑單位能耗的11倍和10倍，而辦公類的建筑單位能耗雖然比較低，但是由于其總面積的龐大，使得辦公類建筑的能耗占公共建筑能耗的44%，由此可見，安徽省境內(nèi)建筑能耗比較大主要體現(xiàn)在商場、酒店以及辦公樓等.據(jù)調(diào)查，該三者能耗比較大的主要原因是空調(diào)系統(tǒng)的使用，占據(jù)總能耗的53%，辦公設(shè)備占26%，而照明設(shè)備等僅占21%，這一比例根據(jù)不同的建筑性質(zhì)也有所改變.
1.3安徽省光伏建筑情況
近些年來，隨著國家能源的緊缺以及建筑節(jié)能環(huán)境的迫切需求，政府加大了對光伏發(fā)電的補(bǔ)貼力度，在國家發(fā)改委提出的借助于價(jià)格促進(jìn)光伏發(fā)電健康發(fā)展通知的基礎(chǔ)上，安徽省針對光伏發(fā)電系統(tǒng)采取了電價(jià)降價(jià)或者電價(jià)補(bǔ)貼策略，由于安徽省地處我國中等太陽能資源地區(qū)，對光伏發(fā)電電價(jià)執(zhí)行每千瓦時(shí)收取1元的價(jià)格，分布式廣發(fā)發(fā)電用戶可以享受每千瓦時(shí)0.42元的電價(jià)補(bǔ)貼.同時(shí)，建筑屋頂、光伏發(fā)電建筑等光伏發(fā)電站，按照其發(fā)電量給予每千瓦時(shí)0.02元的補(bǔ)貼，補(bǔ)貼連續(xù)時(shí)間為15年.在安徽政府強(qiáng)有力的補(bǔ)貼和支持下，安徽省各個地區(qū)大規(guī)模開展了光伏發(fā)電系統(tǒng)，開始注重建筑的光伏發(fā)電一體化技術(shù).
例如，2015年，安徽合肥市第一個光伏商業(yè)建筑屋頂開始建設(shè)，選擇地點(diǎn)為合肥市一個農(nóng)產(chǎn)品市場的屋頂上，通過接近一年的建設(shè)，已經(jīng)開始投放使用.該農(nóng)產(chǎn)品市場占地1200多畝，屬于華東地區(qū)最大的農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)及物流配送中心，建筑面積接近100萬m2，其中可以用做光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積也達(dá)到20萬m2，最后，該光伏建筑實(shí)現(xiàn)了年均發(fā)電量1500萬kW•h，，意味著每年可以減少15000t的二氧化碳排放和500t的二氧化硫排放，在滿足該農(nóng)產(chǎn)品市場周邊的用電需求外，還有效減少了建筑的能耗，實(shí)現(xiàn)建筑的綠色環(huán)保.然而，由于安徽省光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑的應(yīng)用起步較晚，與其他地區(qū)的光伏建筑一體化已久存在一定的差距，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足安徽境內(nèi)的能耗需求.另外，安徽省屬于三等光照強(qiáng)度地區(qū)，太陽能資源比較豐富，在政府的大力支持下，安徽光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用還有進(jìn)一步的發(fā)展空間.
2光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的適用場所
光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用比較廣泛，限制性較小，通過對安徽省公共建筑的能耗分析，在建筑中應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)可以進(jìn)一步提升建筑的節(jié)能水平和環(huán)保質(zhì)量[2]，因此，根據(jù)建筑的分類以及使用情況，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的適用場所可以有以下幾種:(1)工業(yè)廠房.工業(yè)廠房具備較大的屋頂面積，并且比較平整，有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝;另外，工業(yè)用電價(jià)格比較貴，在工業(yè)廠房中采用光伏發(fā)電系統(tǒng)可以緩解工業(yè)高用電情況，減少工業(yè)生產(chǎn)的成本，同時(shí)還可以最大限度的利用廠房，提升建筑的使用效率;(2)商業(yè)建筑.首先，根據(jù)商業(yè)建筑的用電特點(diǎn)，屬于白天用電高峰、夜間用電低谷，恰好與光伏發(fā)電的發(fā)電特性相匹配;其次，商業(yè)建筑比如商場、辦公樓等建筑屋頂普遍采用水泥材料，更有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的布置和安裝;最后，根據(jù)安徽商業(yè)建筑的能耗情況，在商業(yè)建筑中采用光伏系統(tǒng)可以對能耗的降低起到關(guān)鍵性作用;(3)高校校園.現(xiàn)代的高校校園不再局限于教學(xué)活動，高校與社會的相互交流也在一定程度上影響著高校校園建筑的能源消耗水平.在校園建筑中采用光伏一體化技術(shù)，一方面利用綠色環(huán)保的技術(shù)解決高校建筑用電量大用電復(fù)雜的問題;另一方面，光伏系統(tǒng)是獨(dú)立于城市電網(wǎng)之外的能源儲備，故有著良好的自適應(yīng)性.對高校校園的綠色化發(fā)展提供了良好的保障.
3光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用研究
3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑外墻體中的應(yīng)用
據(jù)研究表明，建設(shè)的外墻體和太陽光的接觸面積最大、最廣，也是吸收太陽光能量最多的結(jié)構(gòu)地方，尤其是當(dāng)今城市，為營造一個美化的市容市貌，將大多數(shù)高層建筑的外墻都采用了玻璃幕墻[3].因此，可以借助于當(dāng)前城市的建筑，將光伏發(fā)電系統(tǒng)簡化成光伏電池內(nèi)置于玻璃幕墻之中，這樣，不僅可以起到美容和裝飾城市的作用，還可以合理的利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，以供該建筑的內(nèi)部電能源消耗，起到了一舉兩得的作用.這種由PV板和玻璃制成的光電幕墻，由太陽電池芯以及雙層玻璃組成，芯片夾在玻璃中間，芯片之間留有一定間隙以提高透光性，芯片面積占70%左右，即不僅可以有效解決了玻璃墻的遮陽，還有效降低了建筑的熱負(fù)荷，同時(shí)還有30%的采光度.然而，在采用光伏發(fā)電電池板內(nèi)置于玻璃幕墻過程中，首先需要考慮幕墻玻璃的透光度，在充分發(fā)電的基礎(chǔ)上，不能影響建筑內(nèi)部的采光，以確保屋內(nèi)的光線透入量;其次需要考慮的是建筑外墻設(shè)計(jì)的角度設(shè)計(jì)，這樣可以確保無論太陽升起還是落下時(shí)，都能讓光伏發(fā)電電池得到更多的光照;最后需要考慮其安全性，在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電電池排布中，需要同時(shí)將建筑的開窗設(shè)計(jì)以及人群的密級程度等考慮在內(nèi)，確保建筑低層部分光伏發(fā)電的安全性[4].
3.2光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑屋頂中的應(yīng)用
一般建筑的屋頂設(shè)計(jì)都比較平整，同時(shí)，建筑的屋頂部分可以更多角度地接受太陽光的照射.因此，在建筑的屋頂布置光伏發(fā)電系統(tǒng)有著得天獨(dú)厚的條件.另外，屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)除發(fā)電作用之外，還能起到一定的遮陽、隔熱作用，有效降低建筑內(nèi)部在夏天時(shí)的熱負(fù)荷.再者，在建筑的屋頂使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光伏建筑屋頂一體化技術(shù)，大大降低了光伏材料的成本，使得單位太陽能能量轉(zhuǎn)換設(shè)施的價(jià)格減少，有效地提升了建筑屋面的綜合功能(見圖3).然而，雖然建筑屋頂中的光伏發(fā)電系統(tǒng)在安裝布置過程中要求相對較低，但是依舊可能會造成屋頂?shù)姆烙暄﹩栴}，這個問題可以以及不同地區(qū)的不同天氣情況進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)，在雨雪比較多的地方，可以將光伏屋頂一體化設(shè)計(jì)成具有一定角度的斜坡，在安徽境內(nèi)，由于雨天比較多，雪天比較少，可以將該斜面角度設(shè)計(jì)比較小一些，與太陽光成最佳照射角，提升光伏發(fā)電效率[5].在光伏屋頂設(shè)計(jì)中，太陽能瓦是由太陽能光伏電池和屋頂瓦板結(jié)合而成的產(chǎn)品，該材料實(shí)現(xiàn)了太陽能和建筑的完美結(jié)合.可以直接將該系統(tǒng)安裝在屋頂，無需支架，另外，太陽能模板的尺寸、形狀以及鋪設(shè)時(shí)的方法和普通瓦一樣，簡單高效.這樣，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和建筑的完美一體化設(shè)計(jì)，將天陽能瓦直接鋪設(shè)在建筑的屋頂，不需要多余的固定和安裝材料，不僅可以降低安裝時(shí)的成本，還與建筑的屋頂結(jié)構(gòu)完美融合于一體，外形、尺寸以及安裝方式等都與普通瓦相似，起到了綠色環(huán)保的作用.
3.3光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑天窗中的應(yīng)用
在房屋建筑中，天窗一般都用來屋頂?shù)牟晒猓沁^大或者過多的天窗會讓建筑內(nèi)部空間透過過多的陽光.因此，選擇性的在部分天窗中應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以起到發(fā)電節(jié)省能源之外，還可以緩解天窗陽光直射的亮度.用光伏發(fā)電板替代傳統(tǒng)的天窗，可以讓室內(nèi)的采光得到最佳，實(shí)現(xiàn)屋內(nèi)免用電照明，根據(jù)光照的不同，可以將光伏板天窗設(shè)計(jì)成為不同的透明程度，借助于光伏板的透光和縫隙的透光，讓發(fā)電之余避免屋內(nèi)的采光.另外，光伏發(fā)電板的天窗設(shè)計(jì)可以采用不同形狀的設(shè)計(jì)和不同角度的布置，對于多種類型的建筑設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和美觀要求(見圖4).由圖可知，光伏板天窗采用了透明性比較好的光伏板，并且可以利用光伏板之間的間隙進(jìn)行采光.另外，天窗的造型是多樣化的，圖中類似井格狀的天窗起到了很好的室內(nèi)效果.天窗光伏系統(tǒng)的布置很好的滿足該教學(xué)樓簡單的教具用電需求，同時(shí)還為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了最佳的光照氛圍.
3.4光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑其他元素中的應(yīng)用
光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用不僅僅局限于屋頂、天窗以及外墻，只要有太陽照射的地方都可以用來進(jìn)行光伏設(shè)計(jì)，比如，建筑中遮陽板、陽臺以及空調(diào)遮擋或遮雨棚等，都可以用來進(jìn)行光伏發(fā)電(見圖5).由圖可以看出，將不透明的太陽能光伏板用做了遮陽板，在給該建筑物提供電力的同時(shí)，改善室內(nèi)的光照，避免炫目的感覺.這些建筑的元素完全可以和光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體化，用不透明的光伏發(fā)電板替代遮陽板或者防雨棚等，在合理發(fā)電之余使建筑增添了外在的美，同時(shí)將投入到屋內(nèi)的光線變得柔和，對室內(nèi)的采光環(huán)境也有著良好的改善[6].光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的多元素和多維利用，讓建筑在有效降低能源消耗以外，還提升了該建設(shè)的檔次，成為一種綠色的時(shí)尚和典型的品牌，起到了對城市以及社會的綠色、節(jié)能引領(lǐng)作用.但同時(shí)在多元素光伏發(fā)電建筑一體化設(shè)計(jì)中，需要對其進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算，滿足建筑的強(qiáng)度要求和三防需求等.
4建筑中采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能效果分析
4.1光伏建筑的綠色環(huán)保效果
光伏建筑一體化的建筑為光伏發(fā)電系統(tǒng)的布置提供了足夠的面積，不需要單獨(dú)的占別的土地，還可以減少傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的支架等材料.另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的材料如太陽能硅電池等屬于半導(dǎo)體材料，在工作過程中無噪音，不會帶來額外的噪音污染;其次，光伏一體化建筑可以實(shí)現(xiàn)用電的自給自足，減少了輸電的損耗，降低了用電的分配污染和維修支出;再次，光伏建筑在光照強(qiáng)度加強(qiáng)，發(fā)電效率最高時(shí)，恰逢建筑的用電高峰.因此，光伏建筑一體化系統(tǒng)在保證自身建筑的用電之外，在一定條件下可以向外供電，有效緩解了用電高峰時(shí)的電網(wǎng)壓力;最后，光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑的應(yīng)用可以于建筑融為一體，將光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)置到建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，增添建筑的美學(xué)之外，促進(jìn)了建筑的綠色化設(shè)計(jì).
4.2光伏建筑節(jié)能效果分析
在建筑中應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，其節(jié)能效果是非常顯著的.首先，最直接的節(jié)能效果就是充分吸收天陽能，轉(zhuǎn)換成為建筑所需的大量電力，有效降低了非環(huán)保能源的消耗以及電網(wǎng)輸送的成本，為低碳環(huán)保事業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持;其次，就是用光伏發(fā)電板替代傳統(tǒng)的玻璃天窗以及遮陽板等結(jié)構(gòu)，在不減少原來作用的基礎(chǔ)上，還對太陽的輻射進(jìn)行了吸收和利用，提升了其遮陽、隔熱的效果，降低了炎熱夏天中建筑室內(nèi)的溫度，同時(shí)減少了屋內(nèi)制冷電器的使用頻率，間接上節(jié)省了能源的消耗，加強(qiáng)了其節(jié)能的效果;最后，由于我國當(dāng)前發(fā)電形式依舊以火力發(fā)電為主，在建筑中廣泛的采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以有效降低社會對火力發(fā)電的需求，這樣不僅緩解了用電高峰期能源的緊張局面，還對綠色環(huán)境的營造、低碳意識的培養(yǎng)和節(jié)能效果的提升都具有一定的積極意義.
4.3光伏建筑節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析
光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用，不僅起到了一定的節(jié)能作用，還對經(jīng)濟(jì)效益的提升具有良好的促進(jìn)作用.雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)初期投入力度較大，同時(shí)安裝成本也比較高，但是光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于一次性投入，即初期投入，長久使用.例如，在某建筑中采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，假設(shè)安裝一臺1千千瓦的光伏發(fā)電系統(tǒng)，南墻面傾角為90°，峰值日照小時(shí)數(shù)為3.5h，取系統(tǒng)效率為80%，以安徽省光照強(qiáng)度和時(shí)長計(jì)算，該建筑一年可以發(fā)電量為1000×3.5×80%×365=1022000kWh，即超過1百萬千瓦時(shí)的電力，在整個系統(tǒng)的安裝、布置以及人工、材料費(fèi)用大約為800萬.現(xiàn)按照當(dāng)前商業(yè)用電約為0.8元/kWh，計(jì)算可得，該建筑每年都可以節(jié)省電費(fèi)約80萬元，也就是意味著10年的時(shí)間就可以收回前期的投資，按照光伏發(fā)電系統(tǒng)25年的使用壽命，在10之后的15年里，該光伏發(fā)電系統(tǒng)就可以節(jié)省約為1200萬的電費(fèi)支出，扣除日常的維護(hù)以及檢修之外，依舊可以有1000多萬的經(jīng)濟(jì)效益.由此可見，在未來的發(fā)展中，光伏發(fā)電系統(tǒng)有著長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，體現(xiàn)了光伏發(fā)電綠色建筑的節(jié)能效果和綜合收益的回報(bào).
5結(jié)語
城市的發(fā)展不斷加快，建筑物的數(shù)量持續(xù)增長，如何實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和降低能耗成為建筑行業(yè)的難題.隨著光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用，解決這一難題也將成為可能.因此，在建筑中采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過與建筑的屋頂、天窗、外墻等多元素的完美結(jié)合，不僅可以有效降低建筑內(nèi)部的能耗，還提升了建筑的經(jīng)濟(jì)效益，使得其在綠色環(huán)保、節(jié)能效果方面都得到了加強(qiáng)，值得在更多建筑中推廣和使用，共同營造一個綠色環(huán)境和低碳生活.
參考文獻(xiàn)
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作者：梁楠 單位：安徽工程大學(xué)
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