０ 年第 期（总第４０卷第 期 Ｎｏ．１ ｉｎ ２０１２（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２５ １，Ｖｏ１．４０） ｄｏｉ：ｌ０．３９６９８．ｉｓｓｎ．１６７３・７２３７．２０１２．Ｏ１．００８ 建筑节能 ■新能源与绿色建筑 ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ＆ＧＲＥＥＮ ＢＵＩＬＤＩＮＧ 太阳能光伏发电在绿色建筑中的有效利用 岳畏畏，张会娟 ‘ （上海理工大学环境与建筑学院，上海２０００９３） 摘要：针对目前制约太阳能光伏产业发展的重要因素——光伏发电的效率过低、成本过高问题，提出了一种太阳能光伏发电与建筑 排风相结合的新型绿色建筑形式。在光伏发电系统设计合理的前提下，对不同类型的建筑以及在不同环境下使用太阳能发电 来提高发电效率的情况进行分析，可知其产生的经济性效益有明显差别。结合工程实例，理论分析了太阳能发电在绿色建筑中 的有效合理利用，并得出结论。 关键词： 太阳能； 光伏发电； 排风； 有效利用 中图分类号：ＴＵ２０１．５ 文献标志码： Ａ 文章编号： １６７３．７２３７（２０１２）０１．００３４．０４ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｇｒｅｅｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＹＵＥ Ｗｅｉ－ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ－ｊｕ∞ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｇｒｅｅｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｆｏｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｅｒｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｉｓ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒｕｃｉａｌ ｉｍｐａｃｕ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｔｅ ｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｓｏｌｒｐｈｏａｔｏｖｏｈａｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｓｕｃｈ∞ｌｏｗ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｆｓｏｏｌａｒｐｏｗｅｒ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｆｂｕｉｏｌｄｉｎｇｓ ｎｄ ａｖａｒｉｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｓｔ ｂｅｅｎｉｆｔｓ ｒａｅ ｏｂｖｉｏｓｕｔｙ ｖａｒｏｉｓ．Ｉｕｔ ｔｈｅｏｒｅｔｃｉｌａｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｓｏｏｌｒｐｏｗｅｒｉａｎｔｈｅ ｒｅｇｅｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｅｅｒｐｒｎａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｅｘｈａｕｓｔ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｕｓｅ ０ 引言 随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人 类眼前，在２１世纪初进行的关于世界能源储量调查 热泵式空调系统的研究［３］；安大伟等人通过实际工程 的分析提出了独立光伏发电系统在节能型建筑中的 应用研究［４１；刘寅等人通过系统模拟以及实验研究提 出了太阳能．空气复合热源热泵系统性能研究阁。 本文旨在针对光伏发电系统造价成本高，发电效 率低，要发出足够的电则就要大量的硅材料的基础 显示：石油可采量为３９．９年，天然气可采量为６１年； 煤炭可采量为２２７年【“。由于一次能源的日益缺乏以 及由此而引发的能源安全问题的日益暴露，合理开发 太阳能资源就显得具有非常重要的战略意义。 太阳能作为可利用的能源，目前主要有三大应用 上，通过光伏发电的计算过程分析如何在光伏材料一 定的情况下增大发电量，提高整个系统的使用效率。 并结合工程理论分析其在不同类型建筑与环境下的 经济性，最终得出结论，太阳能光伏发电只有在绿色 建筑中合理有效的利用，才能发挥光伏发电的最大优 势，最充分的利用太阳能发电。 技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换。太阳 能光伏技术，即太阳能发电技术，因为不消耗矿物燃 料、无污染、价格较低、使用安全方便等特点，备受世界 各国的重视，日益成为太阳能应用的主要研究方向回。 最近５年，世界光伏产业发展非常迅速，年平均增长 率达到７１％（从２００５年的１．７６ ＧＷ增加到２０１０年的 １工程概况 本工程位于上海市，建筑为高级办公室，共５层， ２７．２０ Ｇ 。未来的城市是绿色城市，未来的建筑是绿 色建筑。而绿色城市和绿色建筑的一个显著的特点是 太阳能技术得到充分利用，因此，我们可以从另一个 层面去说绿色建筑就是“太阳能建筑”，而绿色城市就 是‘太阳能城市”。 建筑面积３ ７５８ ｍ２，空调面积２ ３７６ ｍ２。其中，排风量 为９ ０００ ｍ３／ｈ，排风机总功率为１．８５ ｋＷ。每天排风机 工作８ ｈ（９：００—１７：ｏｏ）。 根据本工程排风特性以及排风功率，设计出相应 的光伏发电系统。 目前，国内外学者对太阳能在绿色建筑中有效利 用进行了很多研究。王建平等人提出了太阳能一地源 收稿１３期：２０１１－０８．１２；修回日期：２０１１－１０—２０ ２光伏发电系统设计 如图１所示，太阳光辐射能通过光伏器件转换成 电能，再通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足 月，ｌＩ．≥ ）／蚓匪蹲 皿 ∞∞们加∞舳∞∞加Ｏ 负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或 图４可知，在上海地区单独光伏发电系统光伏阵列的 者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载 最佳倾角为４０。。供电，而对于本设计为交流负载供电的光伏系统，还 需要增加逆变器将直流电转换成交流电，满足用户的 要求。图２为上海地区每个月平均日照辐射量。 ２．２太阳能电池方阵设计计算 （１）首先根据负载功率、负载每天工作的小时数以 及系统额定直流电压确定负载平均日耗电量。Ｌ （Ａｈ／ｄ）； （２）然后计算在最佳倾斜角为４Ｏ。时倾斜面上的 匝卜一圜 太 图１ 独立型太阳能发电系统框架图 １ ．６ １ ，１／＿弋１５６．６ 一－－ ＼．… ． １２６．０ —／７５．６ “～ ｏＱ ．３ ７ｌ＿ ６９ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｌ０ ｌｌ ｌ２ 时问／月 图２上海地区每个月平均日照辐照量 ２．１最佳倾角的确定 在光伏发电系统设计中，确定光伏组件的最佳倾 角对设计出系统光伏阵列的安装容量具有很重要的 意义。光伏阵列安装过多势必会造成投资成本过高以 及资源浪费，而过小又不能满足系统负载的需要。 独立光伏发电系统中光伏组件最佳倾角设计原 则是在每月日辐射强度不均匀的情况下，平衡各月的 平均发电量，并满足发电量最少月份的用电需求。户 用独立光伏发电系统光伏方阵最佳倾角选择需要所 在地区不同月份的太阳能和温度资料，按不同倾角情 况下发电量最少月份的最大值选择。 根据相关计算公式，可计算出不同倾角下的光 伏阵列各月平均日太阳总辐照量，相关计算结果见 图３。 ．一一一◆— ．．． ／ ＼ ／ ＼ ＼ ０ １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５Ｏ ６Ｏ ７０ ８０ ９Ｏ 倾斜角／。 图３ 不同倾角下光伏阵列各月平均日太阳总辐照量 根据单独光伏发电系统最佳倾角的确定原则，由 各月平均日太阳辐照量为Ｈ （ｋＷ・ｈ／ｍ２￣ｄ），并得出全 年平均太阳总辐照量＿Ｉ，ＨＩ的单位化成（ｋＷ・ｈ／ｍ２・ｄ）， 除以标准辐照度１ ０００Ｗ／ｍ ，在数值上就等于当月平 均日峰值日照时数Ｔｌ； （３）根据以上步骤所得的ＱＬ以及峰值日照时数计 算太阳能电池方阵的最佳电流Ｉ； 工 ＱＬ／（Ｈ ・叼 ・ｎ ２） （１） ｊ ／（Ｈ ・ ・ｎ２） （２） 式中： 。为蓄电池充电效率； 叼：为太阳能电池方阵表面灰尘遮散损失。 （４）根据蓄电池的浮充电压、线路电压损耗和应温 度引起的压降确定太阳能方阵电压Ｖ； （５）确定太阳能电池方阵串联数目，Ｎ串数目为太 阳能电池方阵电压Ｖ除以太阳能电池组件的最佳工 作电压Ｖ ； （６）根据公式确定太阳能电池方阵的并联数目， 并一 ： 聂摹 研 目垩塑 （丛） 丽 ｒ ， 根据以上计算步骤，选取某公司的单晶硅太阳电 池组件，组件峰值功率为８５ Ｗｐ，开路电压为２２．２ Ｖ， 短路电流为５．１５ Ａ，峰值电压为１７．８ Ｖ，峰值电流为 ４．８０ Ａ。需要ｌ０块串联，８块并联，太阳能电池总功率 为６ ８００ Ｗ。 ２．３蓄电池的选择 在光伏发电系统设计中，有时为满足造价低廉的 要求，设计容量明显不足；有时盲目追求高可靠性，要 求完全不能停电，投资费用骤增。蓄电池容量偏大，不 但增加了投资，还容易形成充电不足。为了减小投资 成本，本系统设计自给天数为２ ｄ。如果太阳电池组件 产生的电能不够用，则通过控制器控制蓄电池经过逆 变以后负载供电，当蓄电池达到一定的放电深度后， 控制器控制蓄电池过放电，这时由逆变器自动控制将 启用市电给本地负载供电。这样可以大大节省在蓄电 池上的投资成本。 蓄电池容量计算公式： 蓄电池容量＝ ０ ８＝● ｘ０ ● ８ｘＯ ● ９ｘ１ １０ ４６７ Ａｈ选取１２ Ｖ／２００ Ａｈ的阀控式密闭铅酸蓄电池，则需要 蓄电池２７块，９块串联，３块并联。 ５ ２．４光伏组件方阵与蓄电池设计的校核 校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不 其逆变器的容量可选阳光电源股份有限公司型号为 ＳＮ１ １０ １０ＫＳＤ１的单相输出离网逆变器１０ ｋＶＡ／８ ｋＷ。 会过度放电。 ３从系统本身提高使用效率 光伏发电效率低，要发出足够的电则就要大量的 硅材料。如果要在绿色建筑中合理有效地利用太阳能 （４） 蓄电池日放电深度＝ 隔 日＿ 鑫莲 校核计算就是校核设计光伏组件方阵给蓄电池 的充电率。 光伏发电，首先应该提升光伏发电效率，即在硅材料 功率一定的情况下，最大限度地提高发电量，提高系 统在绿色建筑中的使用效率。 按太阳能光伏方阵方向朝正南，即方位角为０。， 最大充电率＝ 鼻 ‰（５） 依据上海地区太阳能和温度资料，模拟计算光伏方阵 ２．５控制器的选型 按照负载的要求和系统的重要程度，确定光伏 系统控制器应具有的充分而又必要的功能，并配置 相应的控制器，对蓄电池的充、放电条件加以规定和 控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和 蓄电池对负载的电能输出，控制器是整个系统的核 心控制部分。 控制器功能并非越多越好，否则可能不但增加了 成本，而且还增添了出现故障的可能性。 由于系统日耗电Ｌ为１４ ８００Ｗ・ｈ，根据当地平 均日照时间为３．７ｈ，可以得出太阳能电池板需要的 时均总功率为： Ｐ总＝１４ ８００／３．７＝４ ０００ Ｗ 根据太阳能电池对太阳光的转换效率９０％，控制 器和逆变器的转换效率为９０％，得出太阳能电池板的 功率为： Ｐ板＝４ ０００＋０．９＋０．９＝４ ９３８ Ｗ Ｉ板＝４ ９３８／１１０＝４４．９Ａ 依据上述计算结果，选择１ １０Ｗ５０Ａ的控制器。 ２．６逆变器的选型 对于交流负载，必须配备相应的逆变器。使用逆 变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池 释放的直流电转换为负载需要的交流电。同时，逆变 器还具有断路、过流、过压、防蓄电池过度放电等保护 功能。 通常光伏方阵的工作电压，要根据逆变器的要求 来决定。一般情况下，逆变器的额定功率应稍大于负 载的功率；不过在有些场合也可稍小于负载的功率。 逆变器容量计算公式： Ｐ＝ＬｘＮｘＭ／（Ｓｘｒ／） （６） 式中：Ｌ为负载功率； Ｎ为用电同时率；取Ｎ＝８０％； Ｍ为各相负载不平衡系数；取Ｍ＝Ｉ．２； Ｓ为负载功率因数；取Ｓ＝０．８； 叼为逆变器效率； 将已知数值代入公式（６），得： Ｐ＝６．８ｘ０．８ｘ １．２／（０．８ｘ０．９１＝９．１ ｋＶＡ 根据逆变器的额定功率要大于负载的功率以及 中１．８５ ｋＷ太阳能电池在不同倾角情况下的光伏发 电量。经过模拟计算，不同月份各倾角的方阵发电量 见图４所示。 盖 ＼ 皿硎 墨 １ ６００００．０ ５００００．Ｏ ４００００．０ ３０ ０００．ｏ ２００００ ０ １０ ０００．０ ｒ －・－●Ｉ－一■●－Ｉ－ Ｏ．０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ｌｌ ｌ２总计 时间／月 改变倾角后增加的发电量 －倾角为４０。时的发电量 图５ ｌＯ～３月倾角为４０。，４～９月倾角为ｌ０。与全年倾角为４０。对比 由图５可知，改变光伏方阵的倾角，在１０～３月 份倾角为４０。，４～９月倾角为１０。时，太阳能光伏发 电量比全年倾角为４Ｏ。发电量增加了３ ４３８ Ａｌｌ，即增 加了发电量３７８．２ ｋＷ・ｈ，发电量增加了６．３％。 ４使用场合性质不同的经济对比分析 由计算选型对所设计的系统进行理论预算。由于 各个地方光伏组件的价格以及安装材料费不同，本工 程预算为大概预算。系统预算表见表１。 表１本工程概预算表 决定了其是否能够得到有效利用，能否在投资合理的 前提下最大限度地提高发电的使用效率，在绿色建筑 中有效利用。 随着社会各界对“低碳经济”的重视，太阳能光伏 发电应用也取得了飞速发展，国家已出台多项政策鼓 励新能源产业发展，因此，新的太阳能光伏产品将会 源源不断地出现。光伏发电技术的提高，以及人们对 建筑节能的重视，在不远的将来，太阳能光伏发电系 统将被有效地应用在绿色建筑中，一定会成为减少建 筑能耗最可靠和可行的方法。 参考文献： 当然，太阳光伏发电系统发的电可以用来供建筑 【１］王长贵．新能源和可再生能源的现状和展望［ｃ］／／太阳能光伏产业发 空调、采暖以及照明等使用，但是单纯的用来供空调、 展论坛论文集，２００３，（９）：４．１７． 照明等使用经济性不大。因为太阳光伏发电系统的投 【２］张正华，李陵岚，叶楚平，等．有机太阳能电池与塑料太阳能电池【Ｍ］．］ 资巨大，而空调的应用只有半年多时间，照明大部分 京：化学工业出版社，２００６． 只是部分时间在使用，即投资没有充分利用。而建筑 ［３］梁祥莹，王建平．太阳能一地源热泵式空调系统的研究［Ｄ］．合肥：合肥 排风，不管是什么季节，房间内都需要排风。同样，在 工业大学，２００９． 办公建筑中，人员一般都是白天办公，则晚上不需要 ［４］郭斌，安大伟．独立光伏发电系统在节能型建筑中的应用研究［Ｄ】．天 排风，这在很大程度上降低了光伏发电系统的初投 津：天津大学环境科学与工程学院，２００６． 资。如果本系统应用于全天排风量需求较大的场合， ［５］ＸＵ寅，李安桂，周光辉．太阳能－空气复合热源热泵系统性能研究［Ｄ］． 例如公寓、招待所、医院等类型的建筑，则初投资会大 西安：西安建筑科技大学，２０１０． 大增加，根据以上单独光伏发电系统设计步骤计算同 【６】周志敏名己爱华．太阳能发电光伏系统设计与应用实例［Ｍ】．北京：电子 功率排风机在全天需要排风时，投资总价将在５５万 工业出版社，２０１０． 左右。 【７】太阳光发电协会．太阳能光伏发电系统的设计与施工［Ｍ］．上海：科学 由此可知，当把光伏发电系统应用到需要全天通 出版社，２００６． 风的场合时，初投资会大大增加，经济性上不合适。 【８】王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［Ｍ】．］Ｅ京：化学工业出版 ５结论 社 ２００９． 太阳能光伏发电成本还很高，目前应用还不是很 ［９］曹莹．家用太阳能光伏发电系统设计［Ｊ］．机电工程，２０１ｌ，２８（１）：１１５． 成熟，我们应该尽量提高光伏发电的使用效率，减少 １ｌ７． 初投资，增大投资回报率。本文根据独立光伏发电系 ［１０】薛太林，王长柱，安慧仙．户用太阳能光伏发电系统的设计与研究［Ｊ］． 统的具体设计，将其应用到具体工程，进行了理论计 电力学报，２００９，２４（６）：４７４４７７． 算分析，得出了结论：根据上海地区太阳能及温度资 料，在适当的季节调节光伏方阵的倾角可以增大发电 作者简介：岳畏畏（１９８６），男，安徽人，在读研究生，供热、供燃气、通 量，使得光伏发电可以在绿色建筑中有效利用；由工 风及空调工程专业，从事暖通空调设备集成与节能技术及暖通空调系 程概预算投资可知光伏发电系统所应用的场合性质 统优化和节能方面的研究（ｍｋｉｎｇｙｕｅ＠１６３．ｃｏｒｎ）。 （上接第３３页）热水系统多种解决方案备选。建筑师是 ２００８． 高层住宅建筑太阳能热水系统与建筑一体化成功的关 ［３】徐伟．可再生能源建筑应用指南【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社， 键，我们期待在建筑师的努力下，高层住宅太阳能热水 ２００８． 系统的设计达到与建筑的完美结合，成为建筑组成不 【４】杨洪兴，周伟．太阳能建筑一体化技术与应用【Ｍ】＿］Ｅ京：中国建筑工业 可缺少的优美元素。 出版社，２００９． 参考文献： 作者简介： 张霖（１９５６），女，江苏人，毕业于华南理工大学，教授级高 ［１】王有为．山雨欲来风满楼一解读绿色建筑发展［Ｊ】＿生态城市与绿色 工，建筑学专业，从事建筑节能和绿色建筑方面的研究（３３２９９６０３４＠ 建筑，２０１０（３）． ｑｑ．ｃｏｍ）ｏ ［２】中投顾问２０１０．２０１５ 及前景预测报告 Ｂ］．