光伏发电系统在建筑的应用

  • 来源:明升备用网址   2019-09-12 11:56
摘要:

随着社会能源危机的愈加严峻,新能源的开发和利用备受社会关注。基于光伏发电系统的开发,光伏建筑一体化技术成为当前节能环保的热点。在分析安徽省光伏发电系统应用现状的基础上,点出来光伏发电系统在建筑中的适用场所,最后对光伏发电系统在建筑中的应用进行研究和节能效果的分析。在建筑中采用光伏发电系统,不仅可以有效降低建筑内部的能耗,而且还提升了建筑的经济效益,并使其在绿色环保和节能效果方面都得到了有效加强。

随着社会能源危机的愈加严峻,新能源的开发和利用备受社会关注。基于光伏发电系统的开发,光伏建筑一体化技术成为当前节能环保的热点。在分析安徽省光伏发电系统应用现状的基础上,点出来光伏发电系统在建筑中的适用场所,最后对光伏发电系统在建筑中的应用进行研究和节能效果的分析。在建筑中采用光伏发电系统,不仅可以有效降低建筑内部的能耗,而且还提升了建筑的经济效益,并使其在绿色环保和节能效果方面都得到了有效加强。

当今世界正面临着越来越严重的能源危机,新能源的开发和利用已备受社会的关注。其中,太阳能属于可再生清洁能源,其储量的无限性、范围的普遍性和利用的环保性,已经在各能源领域得到了重视并开发,属于一种较好的绿色能源。在这个基础和前提下,光伏发电系统作为太阳能利用的主要方式,具备良好的发电、储存、传输和利用等优势,已经在各行各业中得以体现。其中,最为主要的应用方式就是光伏建筑一体化技术的体现。

将光伏发电系统应用于建筑设计中,不仅可以有效降低建筑在使用过程中产生的能源损耗,还对建筑的结构优化、绿色环境的营造产生积极的现实作用。本文主要以安徽省为例对光伏发电系统在建筑中的应用进行有效研究,分析光伏建筑的节能效果以及对绿色建筑的构建情况,有效促进安徽省建筑能源损耗的减少以及绿色节能建筑的改善。

1安徽省光伏发电系统的应用现状

1.1安徽省太阳能资源情况

安徽省地处我国的东部地区,恰好位于暖带和亚热带的过渡地域,四季比较分明,境内有山川、平原等,长江与淮河两大流域横贯其中,同时受到季风的影响较大,因此,安徽省有着独特的气候环境。淮河以南主要以亚热带湿润气候为主,以北主要以暖袋半湿热气候为主。安徽省全省平均气温主要分布在14℃~17℃,平均日照时长约为2000h~2500h,霜期仅为100d左右,降水量较大,约为1000mm~2000mm。由此可见,安徽省属于太阳能资源的中等地区,其中省内光照情况见图1所示。

1.2安徽省建筑能耗情况

据统计,在2016年安徽省全民建筑能耗达到200亿kW•h,其中,公共建筑虽然仅占省内全民总建筑的27%,但是能源消耗所占比例达到了66%,而大型公共建筑占总建筑面积的2%,能耗却占总能耗的5%。由此可见,大型公共建筑单位面积耗能比例居各类建筑的能耗之首,是一般公共建筑能耗的2倍。

期中,在一般公共建筑中,商场、超市之类的建筑单位面积能耗最高,其次是酒店、宾馆之类的建筑,分别是居住类建筑单位能耗的11倍和10倍,而办公类的建筑单位能耗虽然比较低,但是由于其总面积的庞大,使得办公类建筑的能耗占公共建筑能耗的44%,由此可见,安徽省境内建筑能耗比较大主要体现在商场、酒店以及办公楼等。据调查,该三者能耗比较大的主要原因是空调系统的使用,占据总能耗的53%,办公设备占26%,而照明设备等仅占21%,这一比例根据不同的建筑性质也有所改变。

1.3安徽省光伏建筑情况

近些年来,随着国家能源的紧缺以及建筑节能环境的迫切需求,政府加大了对光伏发电的补贴力度,在国家发改委提出的借助于价格促进光伏发电健康发展通知的基础上,安徽省针对光伏发电系统采取了电价降价或者电价补贴策略,由于安徽省地处我国中等太阳能资源地区,对光伏发电电价执行每千瓦时收取1元的价格,分布式广发发电用户可以享受每千瓦时0。42元的电价补贴。同时,建筑屋顶、光伏发电建筑等光伏发电站,按照其发电量给予每千瓦时0。02元的补贴,补贴连续时间为15年。在安徽政府强有力的补贴和支持下,安徽省各个地区大规模开展了光伏发电系统,开始注重建筑的光伏发电一体化技术。

例如,2015年,安徽合肥市第一个光伏商业建筑屋顶开始建设,选择地点为合肥市一个农产品市场的屋顶上,通过接近一年的建设,已经开始投放使用。该农产品市场占地1200多亩,属于华东地区最大的农产品批发及物流配送中心,建筑面积接近100万m2,其中可以用做光伏发电系统的屋顶面积也达到20万m2,最后,该光伏建筑实现了年均发电量1500万kW•h,,意味着每年可以减少15000t的二氧化碳排放和500t的二氧化硫排放,在满足该农产品市场周边的用电需求外,还有效减少了建筑的能耗,实现建筑的绿色环保。

然而,由于安徽省光伏发电系统在建筑的应用起步较晚,与其他地区的光伏建筑一体化已久存在一定的差距,远远不能满足安徽境内的能耗需求。另外,安徽省属于三等光照强度地区,太阳能资源比较丰富,在政府的大力支持下,安徽光伏发电系统在建筑中的应用还有进一步的发展空间。

2光伏发电系统在建筑中的适用场所

光伏发电系统在建筑中的应用比较广泛,限制性较小,通过对安徽省公共建筑的能耗分析,在建筑中应用光伏发电系统可以进一步提升建筑的节能水平和环保质量,因此,根据建筑的分类以及使用情况,分布式光伏发电系统在建筑中的适用场所可以有以下几种:

(1)工业厂房。工业厂房具备较大的屋顶面积,并且比较平整,有利于光伏发电系统的安装;另外,工业用电价格比较贵,在工业厂房中采用光伏发电系统可以缓解工业高用电情况,减少工业生产的成本,同时还可以最大限度的利用厂房,提升建筑的使用效率;

(2)商业建筑。首先,根据商业建筑的用电特点,属于白天用电高峰、夜间用电低谷,恰好与光伏发电的发电特性相匹配;其次,商业建筑比如商场、办公楼等建筑屋顶普遍采用水泥材料,更有利于光伏发电系统的布置和安装;最后,根据安徽商业建筑的能耗情况,在商业建筑中采用光伏系统可以对能耗的降低起到关键性作用;

(3)高校校园。现代的高校校园不再局限于教学活动,高校与社会的相互交流也在一定程度上影响着高校校园建筑的能源消耗水平。在校园建筑中采用光伏一体化技术,一方面利用绿色环保的技术解决高校建筑用电量大用电复杂的问题;另一方面,光伏系统是独立于城市电网之外的能源储备,故有着良好的自适应性。对高校校园的绿色化发展提供了良好的保障。

3光伏发电系统在建筑中的应用研究

3.1光伏发电系统在建筑外墙体中的应用

据研究表明,建设的外墙体和太阳光的接触面积最大、最广,也是吸收太阳光能量最多的结构地方,尤其是当今城市,为营造一个美化的市容市貌,将大多数高层建筑的外墙都采用了玻璃幕墙。因此,可以借助于当前城市的建筑,将光伏发电系统简化成光伏电池内置于玻璃幕墙之中,这样,不仅可以起到美容和装饰城市的作用,还可以合理的利用太阳能进行发电,以供该建筑的内部电能源消耗,起到了一举两得的作用。

这种由PV板和玻璃制成的光电幕墙,由太阳电池芯以及双层玻璃组成,芯片夹在玻璃中间,芯片之间留有一定间隙以提高透光性,芯片面积占70%左右,即不仅可以有效解决了玻璃墙的遮阳,还有效降低了建筑的热负荷,同时还有30%的采光度。

然而,在采用光伏发电电池板内置于玻璃幕墙过程中,首先需要考虑幕墙玻璃的透光度,在充分发电的基础上,不能影响建筑内部的采光,以确保屋内的光线透入量;其次需要考虑的是建筑外墙设计的角度设计,这样可以确保无论太阳升起还是落下时,都能让光伏发电电池得到更多的光照;最后需要考虑其安全性,在设计光伏发电电池排布中,需要同时将建筑的开窗设计以及人群的密级程度等考虑在内,确保建筑低层部分光伏发电的安全性。

3.2光伏发电系统在建筑屋顶中的应用

一般建筑的屋顶设计都比较平整,同时,建筑的屋顶部分可以更多角度地接受太阳光的照射。因此,在建筑的屋顶布置光伏发电系统有着得天独厚的条件。另外,屋顶的光伏发电系统除发电作用之外,还能起到一定的遮阳、隔热作用,有效降低建筑内部在夏天时的热负荷。

再者,在建筑的屋顶使用光伏发电系统,可以实现光伏建筑屋顶一体化技术,大大降低了光伏材料的成本,使得单位太阳能能量转换设施的价格减少,有效地提升了建筑屋面的综合功能(见图3)。然而,虽然建筑屋顶中的光伏发电系统在安装布置过程中要求相对较低,但是依旧可能会造成屋顶的防雨雪问题,这个问题可以以及不同地区的不同天气情况进行针对性的设计,在雨雪比较多的地方,可以将光伏屋顶一体化设计成具有一定角度的斜坡,在安徽境内,由于雨天比较多,雪天比较少,可以将该斜面角度设计比较小一些,与太阳光成最佳照射角,提升光伏发电效率。

在光伏屋顶设计中,太阳能瓦是由太阳能光伏电池和屋顶瓦板结合而成的产品,该材料实现了太阳能和建筑的完美结合。可以直接将该系统安装在屋顶,无需支架,另外,太阳能模板的尺寸、形状以及铺设时的方法和普通瓦一样,简单高效。这样,可以实现光伏发电系统和建筑的完美一体化设计,将天阳能瓦直接铺设在建筑的屋顶,不需要多余的固定和安装材料,不仅可以降低安装时的成本,还与建筑的屋顶结构完美融合于一体,外形、尺寸以及安装方式等都与普通瓦相似,起到了绿色环保的作用。

3.3光伏发电系统在建筑天窗中的应用

在房屋建筑中,天窗一般都用来屋顶的采光,但是过大或者过多的天窗会让建筑内部空间透过过多的阳光。因此,选择性的在部分天窗中应用光伏发电系统,不仅可以起到发电节省能源之外,还可以缓解天窗阳光直射的亮度。用光伏发电板替代传统的天窗,可以让室内的采光得到最佳,实现屋内免用电照明,根据光照的不同,可以将光伏板天窗设计成为不同的透明程度,借助于光伏板的透光和缝隙的透光,让发电之余避免屋内的采光。

另外,光伏发电板的天窗设计可以采用不同形状的设计和不同角度的布置,对于多种类型的建筑设计具有较强的适应能力和美观要求(见图4)。由图可知,光伏板天窗采用了透明性比较好的光伏板,并且可以利用光伏板之间的间隙进行采光。另外,天窗的造型是多样化的,图中类似井格状的天窗起到了很好的室内效果。天窗光伏系统的布置很好的满足该教学楼简单的教具用电需求,同时还为学生的学习提供了最佳的光照氛围。

3.4光伏发电系统在建筑其他元素中的应用

光伏发电系统在建筑中的应用不仅仅局限于屋顶、天窗以及外墙,只要有太阳照射的地方都可以用来进行光伏设计,比如,建筑中遮阳板、阳台以及空调遮挡或遮雨棚等,都可以用来进行光伏发电(见图5)。由图可以看出,将不透明的太阳能光伏板用做了遮阳板,在给该建筑物提供电力的同时,改善室内的光照,避免炫目的感觉。

这些建筑的元素完全可以和光伏发电系统设计为一体化,用不透明的光伏发电板替代遮阳板或者防雨棚等,在合理发电之余使建筑增添了外在的美,同时将投入到屋内的光线变得柔和,对室内的采光环境也有着良好的改善。光伏发电系统在建筑中的多元素和多维利用,让建筑在有效降低能源消耗以外,还提升了该建设的档次,成为一种绿色的时尚和典型的品牌,起到了对城市以及社会的绿色、节能引领作用。但同时在多元素光伏发电建筑一体化设计中,需要对其进行科学合理的计算,满足建筑的强度要求和三防需求等。

4建筑中采用光伏发电系统的节能效果分析

4.1光伏建筑的绿色环保效果

光伏建筑一体化的建筑为光伏发电系统的布置提供了足够的面积,不需要单独的占别的土地,还可以减少传统光伏发电系统安装的支架等材料。另外,光伏发电系统的材料如太阳能硅电池等属于半导体材料,在工作过程中无噪音,不会带来额外的噪音污染;其次,光伏一体化建筑可以实现用电的自给自足,减少了输电的损耗,降低了用电的分配污染和维修支出。

再次,光伏建筑在光照强度加强,发电效率最高时,恰逢建筑的用电高峰。因此,光伏建筑一体化系统在保证自身建筑的用电之外,在一定条件下可以向外供电,有效缓解了用电高峰时的电网压力;最后,光伏发电系统在建筑的应用可以于建筑融为一体,将光伏发电系统内置到建筑内部结构中,增添建筑的美学之外,促进了建筑的绿色化设计。

4.2光伏建筑节能效果分析

在建筑中应用光伏发电系统,其节能效果是非常显著的。首先,最直接的节能效果就是充分吸收天阳能,转换成为建筑所需的大量电力,有效降低了非环保能源的消耗以及电网输送的成本,为低碳环保事业的发展提供了有力的支持;其次,就是用光伏发电板替代传统的玻璃天窗以及遮阳板等结构,在不减少原来作用的基础上,还对太阳的辐射进行了吸收和利用。

提升了其遮阳、隔热的效果,降低了炎热夏天中建筑室内的温度,同时减少了屋内制冷电器的使用频率,间接上节省了能源的消耗,加强了其节能的效果;最后,由于我国当前发电形式依旧以火力发电为主,在建筑中广泛的采用光伏发电系统,可以有效降低社会对火力发电的需求,这样不仅缓解了用电高峰期能源的紧张局面,还对绿色环境的营造、低碳意识的培养和节能效果的提升都具有一定的积极意义。

4.3光伏建筑节能经济效益分析

光伏发电系统在建筑中的应用,不仅起到了一定的节能作用,还对经济效益的提升具有良好的促进作用。虽然光伏发电系统初期投入力度较大,同时安装成本也比较高,但是光伏发电系统属于一次性投入,即初期投入,长久使用。例如,在某建筑中采用光伏发电系统,假设安装一台1千千瓦的光伏发电系统,南墙面倾角为90°,峰值日照小时数为3。5h,取系统效率为80%,以安徽省光照强度和时长计算。

该建筑一年可以发电量为1000×3。5×80%×365=1022000kWh,即超过1百万千瓦时的电力,在整个系统的安装、布置以及人工、材料费用大约为800万。现按照当前商业用电约为0。8元/kWh,计算可得,该建筑每年都可以节省电费约80万元,也就是意味着10年的时间就可以收回前期的投资,按照光伏发电系统25年的使用寿命,在10之后的15年里,该光伏发电系统就可以节省约为1200万的电费支出,扣除日常的维护以及检修之外,依旧可以有1000多万的经济效益。由此可见,在未来的发展中,光伏发电系统有着长远的经济效益,体现了光伏发电绿色建筑的节能效果和综合收益的回报。

5结语

城市的发展不断加快,建筑物的数量持续增长,如何实现建筑节能和降低能耗成为建筑行业的难题。随着光伏发电技术在建筑中的应用,解决这一难题也将成为可能。因此,在建筑中采用光伏发电系统,通过与建筑的屋顶、天窗、外墙等多元素的完美结合,不仅可以有效降低建筑内部的能耗,还提升了建筑的经济效益,使得其在绿色环保、节能效果方面都得到了加强,值得在更多建筑中推广和使用,共同营造一个绿色环境和低碳生活。

热门课程

免费试听

推荐阅读