光伏发电系统在学校建筑中的应用研究
时间：2023-06-26 09:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张飞 宋辉辉
光伏发电对于落实“双碳”战略决策具有重要现实意义，是调整能源结构、推进能源革命的重要举措。光伏发电系统在学校建筑中的推广应用不仅是建筑设计领域的创新，而且能够有效降低建筑全寿命周期的能源消耗，具有明显的节能减排效果。本文首先从原理、类型、特征等方面对光伏发电系统进行了说明，而后以某学校建筑的光伏发电系统为例，进一步对光伏发电系统的方案设计、优越性进行了探析，通过分析光伏发电系统在学校建筑中的应用技术、发展方向等，阐述了光伏发电系统在学校建筑中的应用前景。
伴随着“双碳”战略决策和战略部署的大力推进，我国能源领域中能源转型与结构调整成为亟待解决的问题，而在众多的转型调整方向中，可再生清洁能源的应用显现出了强劲的发展势头和广阔的应用前景。太阳能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽、用之不竭，有着石化矿物能源不可比拟的优势，因此，利用太阳能就成为了解决能源危机，平衡气候变化，减少温室气体排放，实现城市可持续发展的重要手段之一。
近年来，光伏发电技术进步较快，应用领域也更加多元化，市场活跃空前，其中光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic）作为建筑市场和光伏发电领域的交叉应用，成为近年来热门的研究课题。随着能源危机的日渐加重和城市化进程的迅速发展，通过将太阳能光伏发电系统安装在建筑维护结构表面提供能源供给来实现建筑节能的光伏与建筑一体化将成为城市发展、能源利用的重要趋势。光伏建筑一体化产业发展不仅能够促进建筑节能和绿色能源协调发展，而且对促进国家生态文明建设具有长远意义。
太阳能光伏发电是利用半导体材料的光电效应，将太阳光辐射能量转化为直流电能的发电系统，其中，“光伏”是光生伏特效应的简称，是在光照的情况下不均匀的半导体之间、半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
光伏发电系统的主要组成部分包括光伏电池组件、充放电控制器、逆电器、测试和监控设备、储能设备及其它辅助设备。光伏发电系统的主要能量来源是太阳光，故影响光伏发电系统的主要因素包括光伏组件可能接受的太阳能以及光伏组件本身的性能。
光伏发电系统应用较广，目前主要应用于通信领域、交通领域、水文气象领域、农村边远地区、照明领域以及建筑领域等，随着光伏技术的进一步发展以及光伏发电系统的进一步成熟，光伏发电系统的应用领域会更加广泛。
1. 光伏发电系统在学校建筑中的应用类型
光伏发电与学校建筑相结合的应用主要包括建筑与光伏发电系统相结合（BAPV）和建筑与光伏发电组件相结合（BIPV）两种类型。BAPV即安装型或组装型太阳能光伏建筑，其中的光伏发电系统与建筑本身没有冲突，可以后期安装，也不会影响建筑的原有功能和外观。BIPV即光伏建筑一体化则是构建型或建材型太阳能光伏建筑，光伏发电组件与建筑本身同时设计、同时施工，使其成为建筑的组成部分。BAPV与BIPV相比，前者是传统的通过建筑屋面、建筑墙面安装太阳能光伏板材，而后者在于光伏发电系统作为围护结构本身而非附属设施。
光伏建筑一体化根据其光伏发电组件类型来划分，可以进一步分为光伏屋面系统即屋瓦式组件（PVROOF）、光伏墙面系统即墙体式组件（PV-WALL）和光伏构件系统等，通常来说，建筑墙面比屋面的光伏发电使用面积更大，但屋面比墙面的光伏发电效率更高。当前，北京南站为最大的应用太阳能屋面采光系统的单体光伏发电建筑，而深圳方大大厦是国内首个墙面采用光伏幕墙的光伏发电建筑。
BIPV根据其是否与交流电网连接来划分，可以分为并网BIPV系统即连接电网式太阳能发电系统和独立BIPV系统即离网式太阳能发电系统。独立BIPV系统一般用于远离外电网，引接电源困难，负荷容量较小的情况；
并网BIPV系统根据具体需求考虑是否储能，是否允许光伏发电系统向公用电网逆向馈电等进行具体方案设计。
2. 光伏建筑一体化的特点
考虑到资源丰富的太阳光和广阔的建筑屋面和建筑墙面，打造光伏发电组件与建筑完美融合的光伏建筑一体化，推动从传统的耗能型建筑到符合可持续发展的产能型建筑转变，势必成为绿色建筑走可持续发展道路的最优选择。
（1）太阳能资源丰富，为清洁能源，采用太阳能光伏发电可以大大缓减石化燃料发电导致的空气污染问题。
（2）有效利用闲置屋面或墙面，特别是对于人口密集、用地相对紧张的区域，优势更加明显；
可以就地发电就地使用，减少输变电损耗及输变电费用，随着光伏发电系统的技术发展与规模扩大，光伏建筑的广泛应用可在一定程度上缓解区域内的用电供需矛盾，可以减轻传统电力基础设施的投入压力。
（3）在民用建筑中，通常采用可逆流并网光伏发电系统，光伏发电系统与交流电网通过并网进行运行，在光伏发电系统发电时段采用太阳能光伏发电系统向负荷供电，倘若有多余电量还可以逆流上网，在光伏发电系统非发电时段自动由电网向负荷供电，保证负荷用电需求，增加供电可靠性。
（4）夏季日照充足时，光伏发电系统效率高，正逢制冷设备使用多，用电处于高峰时期，可以有效缓减电网供电压力，稳定电网负荷动态，起到调峰作用。
（5）光伏发电系统安装在建筑屋面或建筑墙面维护结构上，通过对太阳能辐射的吸收，可以大大减少室内空调负荷，有利于节约能源。特别是随着城市化进程的加快，公共建筑在城市建筑中占比逐渐增大，节能减排效果越加明显，因为相比于居住建筑，公共建筑具有更丰富的辐射面积，且能耗更大。
1. 项目基本情况
西安交通大学智慧输变电装备多工况模拟试验平台项目属于教育部“双一流”建设项目，项目总投资15937万元，总建筑面积约11997平方米，包括试验与仿真楼，多波形电源及户内试验场，强电磁环境暗室、高功率微波源及电磁脉冲源室，E3大厅，单锥地下室共计5个单体建筑，其中试验与仿真楼是教学办公楼，属于钢筋混凝土框架结构，地上五层，地下一层；
单锥地下室是试验用房，钢筋混凝土结构，地上一层，地下一层；
其余三个试验厂房均为钢结构单体，地上一层。
2. 项目光伏发电系统方案
为了积极响应政府“双碳”政策导引，智慧输变电装备多工况模拟试验平台项目三个钢结构单体原设计方案在外墙部分区域采用了光伏幕墙组件。为了更好地利用社会投资进行新型能源开发建设，充分利用屋面日照条件的优越性，增加光伏发电系统发电效率，经与西咸新区自然资源与规划局沣西工作部多次沟通，最终将项目三个钢结构单体的外墙光伏方案调整为屋面光伏组件。
项目原设计方案中包含光伏板约3116平方米，施工总承包单位报价为841元/平米，造价约262万元；
方案调整后，原光伏板回归为双层压型钢板复合体系，施工总承包单位报价为167元/平米，造价约52万元；
而调整后的屋面光伏发电系统由陕西某新能源有限公司进行全额投资进行建设，总体节约项目建设投资约210万元，项目原设计方案及调整后设计方案详见图1。
图1 原设计方案及调整方案
本项目光伏发电装机容量700kW，屋面光伏组件引出端经过控制器、逆变器后，通过钢结构格构柱间隙从屋面引至高低压配电室，进而与国家电网对接，形成了光伏发电系统、国家电网并联向项目供电的系统。
项目屋面光伏发电系统由陕西某新能源有限公司负责进行建设、维护、运营，同时享受合作期内收益。该投资公司承诺优先将光伏发电系统所发电提供给西安交通大学使用，对光伏发电电价给予当地电网购电含税电价9折优惠；
25年合作期满后，承诺将该光伏发电系统无偿捐赠给西安交通大学用于教学或科研实践基地。
3. 光伏发电系统在学校建筑中的应用优越性
智慧输变电装备多工况模拟试验平台项目采用了光伏发电系统，不但通过利用社会资金为项目建设节约了造价，而且为学校及社会的节能减排做出了相应的贡献。
（1）该项目节能效果显著，有效地降低建筑全寿命周期的能源消耗。经济效益、生态效益和社会效益。
（2）光伏发电系统作为建筑的围护结构，能够起到保温隔热作用，省去了设置保温隔热层的费用，并有效改善室内温差。
（3）学校能够享受优惠电价，进一步减少项目运营成本。
伴随着能源革命向纵深发展，中国能源革命有了明确、清晰的发展道路和发展目标，清洁、低碳、安全、高效的能源转型目标将加快推动太阳能等可再生能源的快速发展。为了更好地执行国务院的“双碳”工作意见，光伏建筑一体化成为绿色建筑的重要发展方向，也成为了学校建筑节能减排的重要发展方向。
（1）公共建筑的耗能相对较大，光伏发电系统在学校公共建筑中应用前景广泛，节能空间大，示范效应好。
（2）在光伏建筑一体化的过程中，需要进一步加强光伏建筑基础研究，在新型光伏材料、多能互补、智能控制与调度等方面争取突破，使建筑从能源消耗者转变为真正的能源生产者，为进一步践行零能耗建筑理念创造条件。
（3）大力发展装配式光伏建筑，努力实现光伏建筑一体化的构件化、建材化、产业化、科技化、信息化和智慧化。
（4）光伏建筑一体化技术在乡村振兴、抗震救灾中的应用研究和潜力。
（5）既有学校建筑改造潜力巨大，光伏发电系统在学校建筑中的广泛应用具有良好的经济效益。
未来光伏建筑一体化的目标是低成本、高效率、高可靠、长寿命，但由于材料、技术、市场等客观原因，目前仍然存在如下问题：
（1）光伏建筑一体化建筑初始投资占比较大，建造成本相对较高，投资回报率低，回报周期较长。
（2）符合建筑功能要求的光伏组件产品偏少，材料问题导致的发电效率问题以及光伏组件的寿命还不能很好地与建筑设计使用年限相匹配。
（3）功能性和艺术性结合方案探索。太阳能光伏发电系统在绿色建筑中的利用相对更加广泛，但由于光伏发电自身的效率、成本等方面的限制，光伏产能与市场需求仍然存在一定矛盾。
随着光伏材料发电效率的提高，光伏建筑未来将能够实现负荷脱网甚至用户脱网，终将成为绿色能源和绿色建筑的领头雁。当光伏发电技术发展到一定程度，光伏发电系统在学校建筑中的应用能够达到零耗能，进而达到建筑脱网，为绿色建筑战略的进一步发展提供光伏建筑一体化新模式。
猜你喜欢屋面组件太阳能应用广泛的太阳能无人机科学大众(2022年23期)2023-01-30无人机智能巡检在光伏电站组件诊断中的应用能源工程(2022年2期)2022-05-23住宅屋面及相关设施修缮改造关键技术建材发展导向(2021年15期)2021-11-05一场屋面火灾引起的思考智能建筑电气技术(2021年6期)2021-03-28新型碎边剪刀盘组件重型机械(2020年2期)2020-07-24坡屋面挂瓦施工技术的探讨中华建设(2019年12期)2019-12-31U盾外壳组件注塑模具设计装备制造技术(2019年12期)2019-12-25太阳能可以这样玩小哥白尼(趣味科学)(2018年4期)2018-06-21建筑屋面防水及排水设计现代工业经济和信息化(2016年1期)2016-05-17身边的太阳能少儿科学周刊·儿童版(2015年7期)2015-11-24
