摘要：建筑作为能源消费的大户，其能源消耗量随着社会发展和人类居住舒适度需求的提高也随之不断增加。因此，如何解决降低建筑能耗与建筑物对能源需求的日益增加之间的矛盾，已成为当今研究人员亟待解决的问题之一。近年来，我国的绿色能源技术已经取得了长足的发展，特别是光伏新能源技术，其是基于太阳能来源稳定与安全保障的特点，已发展成为最适合人类的可再生能源形式之一。将光伏发电与建筑相结合，既为建筑物提供了清洁能源，也降低了化石类能源消耗以及相应的温室气体排放。就此，本文分析了光伏新能源技术在建筑电气节能中的运用，并探讨了光伏建筑一体化应用存在的问题和解决方案。
关键词：光伏新能源技术；建筑电气节能；技术运用
1建筑电气节能的现状
1.1建筑电气节能技术有待提高
建筑电气节能技术刚刚兴起，导致建筑电气节能技术还不太成熟，节能技术存在弊端，阻碍建筑电气节能技术发展。根据调查发现，建筑节能技术存在一定的依赖性，技术发展还存在缺陷，这就直接影响建筑节能的实现。因此，对建筑电气节能技术要重视，加大力度进行技术的开发，在不断地前进中，吸取经验，逐渐的完善建筑电气技能技术。
1.2缺乏必要的建筑电气节能管理
建筑电气节能除了依靠技术外，还需要有效的管理，才能实现建筑电气节能的目标。但是，建筑电气节能还不成熟，在管理方面存在很多的不足，没有良好的管理理念，没有建立相应的管理机制，在这种情况下，建筑电气节能的管理没有实际的效果。没有约束，没有健全的规章制度作为依据，这不利于建筑电气节能的管理，不利于降低建筑能源的消耗。
1.3建筑工程电气节能设备应用不到位
在建筑电气节能工程中，需要使用多种节能设备，如果节能设备使用不当，对建筑电气节能会产生很大的影响，因此，合理地使用节能设备也非常的重要。但是，在实际的施工中，由于施工者的工作不到位，没有使用节能设备，或者，施工人员没有认真的查看设备的型号和规格，使用了不相符的设备，这样也不能达到节能的目标，不利于建筑电气节能设计的发展。
2新能源光伏发电技术的特点
新能源光伏发电形式是依靠半导体材料使太阳能转换为电能，新能源光伏发电在工作过程中没有机械部件，也不需要燃料消耗，真正做到无噪声、无污染，并且太阳能资源是取之不尽、用之不竭的可再生资源，能有效缓解中国能源的压力，所以对光伏发电技术的研究和有效利用具有跨时代的发展意义。新能源光伏发电技术具有以下优点：1）太阳能资源不仅取之不尽，而且在世界上分布广泛，只要有光能照射到的地方就能利用光伏发电技术进行发电，不受地理位置的影响；2）由于太阳能分布广泛的特点，可以就近建立供电设备，这就避免了普通发电厂远距离输电造成的电能损失；3）新能源光伏发电直接将光能转换成电能，工作过程简单，不需要机械传动、燃料燃烧、冷却水等中间过程。降低成本，节省土地资源，也在很大程度上避免了对环境的污染；4）光伏发电系统具有工作稳定性高、结构简单、灵活性能强等优点。但是，受技术条件及太阳能本身特点的影响，新能源光伏发电技术也受到了自身缺点的制约，如工作效率低、工作时间不连续、受日照影响极大、成本高及在电池的制造过程中会有耗能和污染。
3光伏新能源技术在建筑电气节能中的运用原则
3.1满足建筑适用性要求
在将光伏新能源技术应用的建筑中时，应与建筑相结合，首先要分析建筑物所在的地理位置、气候状况以及太阳能的资源分布的情况，这是考虑是否需要使用光伏新能源技术的决定性因素；其次还要考察建筑四周的环境条件，即选择使用光伏新能源技术的建筑所承受太阳能的具体条件。
3.2满足建筑结构要求
组件自身的结构构成具有一定的稳定性以及安全性，如果风荷载过大，应考虑光伏组件能否适应此种荷载强度。固定的组件链接方式是否具有足够的安全性，这需要计算出链接件固定点的的结构，并进行多次试用，检测其应对各种天气以及意外事件的能力。
3.3满足建筑美学要求
协调建筑物的外装饰，光伏组件的使用为我国的建筑设计迎来了一定的机遇与挑战，画龙点睛的在对光伏建筑一体化设计会使建筑富有生机，节能环保的理念可以更好的将建筑与自然进行统一。
3.4满足建筑节能要求
在使用光伏建筑一体化组的过程中，如何避免太阳能电池所产生的发热现象，这也是节能设计中的一个重要内容，不能因为单纯的组建的发热而加大对新的能源消耗，应采用合理有效的措施来解决此问题现象。
4光伏新能源对建筑电气节能降耗的策略
4.1屋顶隔热处理
光伏组件铺设在建筑物屋顶，在建筑物屋面增加一层隔热层，减少建筑物屋顶的受辐射强度，减少因温度上升造成的建筑能耗。另外，目前的光伏光热一体化系统的出现，将光伏无法利用的热能以热水的方式储存于热水器中，综合光伏和光热的特点，减少建筑热水器等电器设备的应用，起到建筑电气节能的目的。因此，选用合适的光伏光热一体化系统，可有效提高建筑节能效果。
4.2建筑光伏墙
在多有的建筑外立面表面，将光伏组件作为外立面材料，悬挂于可接受阳光照射的东、南、西三面。可大大增加建筑物的发电面积，发出的电能在建筑物内部自用，其余电量上网，减少了建筑物的电力消耗，有效提升建筑的电气节能效果。
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4.3建筑光伏窗
在大多数的建筑中，南向的窗户占用面积较大，目前光伏双玻组件已经完全可以应用和取代常规玻璃，可以在南向的窗户上大量应用，增加了建筑物的发电电量，发出的电能在建筑物内部自用，其余电量上网，减少了建筑物的电力消耗，有效提升建筑的电气节能效果。
4.4发电与用电电路改造
在建筑物外表面进行发的同时，发电单元与用电单元在物理位置上相对较近，可按照就近发电就近并网的原则，接入到最近的建筑电气配电柜中，减短了电气线路的传输距离，降低了电能在传输过程中的无用消耗，增加了建筑物的电气节能效果。
5光伏建筑一体化技术发展
光伏与建筑的结合方式主要分为光伏组件与建筑相结合和光伏器件与建筑相结合两种，前者是将光伏组件安装在建筑物的屋顶或阳台上，是两者相结合的初级形式，后者则是采用特殊的材料和工艺手段，使光伏组件可以直接作为建材使用，即光伏建筑一体化（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV），既能作为建材又可通过发电进一步降低发电成本。
5.1太阳能电池组件
太阳能光伏发电是基于“光生伏特效应”将太阳能转换为电能。太阳能电池的雏形出现于1953年美国贝尔实验室研究人员ChapinD、FullerC和PearsonG关于单晶硅太阳能电池的报道中。太阳能电池早期主要应用于航天领域，由于20世纪70年代能源危机等因素的影响促使许多国家加大了对替代化石类能源的投入与研究，这极大地推动了太阳能行业的发展。截止到目前，太阳能电池已研发出了晶硅电池、砷化镓电池、铜铟镓硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池、染料敏化电池、钙钛矿电池等类型。其中，晶体硅太阳能电池因受益于半导体产业的发展而成为目前太阳能电池商业化的主流产品，我国的晶硅电池组件产量已连续多年在全球排名第一。同时，薄膜太阳能电池（包括铜铟镓硒电池）在国内已开始小规模的生产。这便为建筑用电池组件在种类和数量方面提供了较多的选择。应用于建筑的光伏组件并无特殊限定，选用时主要是基于不同电池的特点并结合建筑物的实际使用情况，对光伏组件的形状、颜色、透明程度、边框有无以及接线盒的安装部位等进行设计以满足建筑的需求。
5.2建材需求
作为建材使用的电池组件，还应满足建材行业的相关标准要求。现以铜铟镓硒薄膜电池为例来分析，铜铟镓硒电池生长的衬底可以采用金属箔或高分子聚合物等柔性基底，也可以采用玻璃基底，不同衬底的电池使用的环境不同。就柔性基底的光伏组件而言，于2018年8月1日正式实施的JG/T535—2017《建筑用柔性薄膜光伏组件》对建筑用柔性薄膜光伏组件材料、外观、质量、电池性能、电气安全性、机械性能、对环境的抵抗能力、燃烧性能等均有明确的规定，因此，以该标准为依据对柔性铜铟镓硒电池进行检验以判断其是否满足作为建材使用的要求。而对于采用玻璃基底的光伏组件而言，目前尚无对其作为建材使用性能判定的国家或行业标准，其判定主要依据有两个方面：一方面是检验光伏组件的性能是否满足太阳能电池的行业标准，如国际电工委员会制订的涉及电池组件性能与安全的标准IEC61215和IEC61730，另一方面是检验光伏组件是否达到建材的相关标准，如GB15763.2《建筑用安全玻璃第2部分：钢化玻璃》、GB29551《建筑用太阳能光伏夹层玻璃》以及JG/T492《建筑用光伏构件通用技术要求》等标准，规定了对于落球冲击剥离性能、霰弹袋冲击性能、热工性能等技术指标的要求。实际设计时应根据使用的光伏组件不同，或是相同电池种类的不同结构，选择相应的标准以确保光伏组件达到建筑使用的性能要求。
5.3计算机辅助设计
电池表面太阳辐照度和电池温度是影响电池实际转化效率的主要因素。太阳辐照度的影响因素有电池组件的安装地理位置、海拔高度、朝向、倾角、排列方式、表面灰尘清理情况以及周围建筑或树木等在电池表面形成的阴影大小等。电池温度的高低取决于其散热结构，在散热结构设计时应考虑两方面的因素，一是如何增强散热效果以使电池发电量提高，二是兼顾施工成本的高低。鉴于上述情况，可利用计算机对建筑用光伏组件进行模拟，并分析各种因素对发电量的影响，在保证建筑功能的前提下进行优化设计，使光伏组件的发电量最高而成本最低。
辅助设计可用的软件有PVsyst、Ecotect、HOMER、TRNSYS等，其中PVsyst和Ecotect是应用较多的软件。PVsyst是由瑞士日内瓦大学CEUPE研究团队于1994年开发的光伏系统设计模拟软件。该软件包括了世界各大城市的气象数据库以及太阳能设计相关工具等，在设计时可根据项目的实际情况选择光伏系统的类型、地理位置、气温、太阳辐照度、建筑物环境、光伏组件和逆变器的参数等，来模拟和分析光伏发电系统的工作性能，如1kW发电量、发电效率，进而可以比较电池组件的不同安装倾角、不同类型等因素对于最终发电量的影响。Ecotect最初是由英国SquareOne公司开发的生态建筑设计软件，2008年被Auotdesk公司收购。软件具有三维建模设计界面，可以对太阳辐射、遮阳、热工等多个方面的内容进行模拟和性能分析，其结果实现了图形化显示，并可保存为多种专业分析软件格式。
另外，当前国内热门的人工智能技术在国外也早已应用于光伏系统设计与控制等领域，结果表明人工智能技术能够有效提高光伏系统的性能。
结语：在建筑中电气设施的使用越来越普遍，电能的耗损也越来越大，能源开始出现短缺情况，环境破坏情况也越来越严重。为了满足社会发展的需要，及早实现节能降耗，必须采用科学的新能源技术。对于建筑事业的发展，在建筑电气结构中进行优化改造，可采取光伏新能源的科学方法，充分发挥出新能源的价值。
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论文作者:张瑞东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/26
标签：光伏论文; 建筑论文; 组件论文; 节能论文; 新能源论文; 电池论文; 建筑电气论文; 《基层建设》2019年第5期论文;