闫峰

（黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080）

0 引言

随着中国现代建筑业的不断蓬勃发展，特别是近年来民用智能建筑逐渐兴起。智能家居、智慧住宅小区安全监控管理系统、智能自动泊车监控系统等诸多智能建筑基础设施为人们创造了安全、高效、便捷、健康的智能建筑生活环境，但同时也带来了巨大能源消耗。开拓应用光伏新能源技术，是实现城市智能建筑系统整体性能不断优化的必然需求，也是城市社会经济可持续发展的必然要求［1］。进入21世纪以来，随着化石能源的过度开采使用，使得世界各国都面临着环境严重污染的压力。新能源作为可再生能源得到了大力提倡，而光伏作为新能源的主力得到各国的大力发展，对于光伏能源在建筑中的应用也慢慢的得到了各国的重视，美国自2010年就提出了“百万太阳能屋顶计划”，欧美国家对太阳能开发和利用走在世界的前列，建筑能源结构中光伏能源占比达到40%。中国虽然光伏产业发展迅速，但目前国内在建筑电气项目中应用光伏新能源技术大多处于理论阶段，实际在建筑中完全应用光伏新能源技术的项目少之又少，通过对光伏新能源技术在城市智能建筑电气中的应用进行研究，可对城市智能建筑高能耗的缺点得到了有效的应用解决方案，同时推动光伏新能源技术在城市智能建筑电气系统节能中的开发利用，极大的促进城市智能建筑电气发展。

1 光伏新能源技术特点研究

1.1 光伏新能源的概念

能源安全是保障当前生产生活顺利开展的重大前提，作为社会主义市场经济顺利进行的重要基石，一直以来都受到社会各界的高度重视。特别是我国当前的社会经济快速发展的形势下，对洁净能源也有了更高的要求，当使用石油、天然气、煤等主要不可再生能源时，就需要及时采取措施合理地处理能量资源有限与能源需求之间的矛盾问题。为了实现的能源及发展的可持续，就必须加大力度支持开发下一代新的可再生能源，充分利用光和太阳能等各种新能源，对比其他传统的可再生能源，不仅可以直接进行资源再生且对当地自然生态环境造成破坏程度影响小，有较大的能源综合应用性和发展空间优势［2］。光伏新能源主要工作原理是利用半导体界面的光生伏特效应等，也就是通过吸收大量太阳能将光能转化为电能，再通过光伏逆变器将光伏电能的直流电转化成为交流电，采用自动防止蓄电池过充电和过放电的设备，再通过光伏系统控制器对其整个电气系统进行控制如图1所示。在太阳光充足时完全可以直接利用光伏仪器设备吸收大量太阳能，同时利用太阳能光伏系统用转化的电能将储能电池尽可能充满，需要用电或者太阳光不充足时就可以直接通过利用光伏逆变器使储蓄电池为用电设备供电，光伏控制器对整个能源及供放电系统进行一系列科学系统的管理。光伏作为新一代能源的主要好处在于可持续储蓄大量可再生能源，光伏能源具有无污染、无噪声、维护成本低等优点，随着近年来的飞速发展，光伏系统使用材料、技术上的不断进步，以及光伏系统制造的发展成熟，使得光伏系统的价格变得更加便宜，这极大且有效降低太阳能光伏系统能源管理及运营维护成本，具有经济实惠稳定且安全的优点。

图1 光伏新能源技术调节及控制流程

1.2 光伏新能源技术应用

由于光伏新能源技术的迅速发展，能够对光伏峰值电压变化做出合理的调解，使光伏电网系统工作的稳定性更高，和传统的发电技术相比有着很大的优越性。也极大的减少了投资成本。将其运用于城市智能建设的电气系统中，将能够更有效地提升城市建设资源的综合效率。利用光电新能源技术发电的主要机理是通过光伏半导体产生发电效应，为整个建筑电气系统提供电力，具备了能量消耗较小、无静电污染等优点，更能满足现代智能建筑电气系统的节能需求。逐渐的被应用进建筑电力系统一体化的建设中［3］。在建筑物外墙上可架设光伏发电系统，并利用光伏发电系统给整座建筑物带来大量电能。此外，为了切实发挥光伏板在建筑电气系统中的优越性，还必须切实做好装置安装和日常保养以及工作区域的设计，尽量避免将其放置在附近有一些较高建筑的可覆盖区域，以免无法有效的接收太阳能，影响光伏设备的发电效率。在后期设备使用维修过程中，为了保证电气可以长久持续为提供稳定的电源，需定期对其进行巡检维修，尤其是在恶劣降雨天气时，要立即采取紧急电气预防措施进行处理。

2 光伏新能源的优势

光伏发电站可与建筑结合且占地面积较小，可根据具体情况直接选择安装在城市住宅区的屋面墙面或能有效接收太阳能的区域，便于能够随时接收日常使用中所需的太阳能，能极大的节省建筑的使用空间，可有效应用于现代城市中的基础设施建设，太阳能板对于城市基础建筑可一定程度起到城市建筑景观装饰以及美化保护作用。同时不会产生任何的温室气体和有毒有害气体，对环境污染小［4］。获取能源简单方便，只需太阳光的持续照射即可正常进行发电，能有效改善由于使用石油以及天然煤炭等不可再生资源而产生的大量温室气体造成环境污染（主要城市太阳能分布见表1）。随着光伏系统的价格变得更加便宜，使得太阳能光伏系统运营维护成本低，具有经济实惠稳定且安全的优点。随着光伏效率的逐步提高，及光伏系统应用的成熟，布设一般型式的光伏系统就可基本上保证小型家庭企业用电户的能源需求，通过节能利用措施可将资源利用最大化。在修建光伏发电厂的整个过程中，所有的光伏发电设备只需自动进行调配，用户的电能即能合理的储存，保证了系统的稳定以及安全。

表1 主要城市太阳能分布表

3 智能化建筑电气节能技术的问题分析

从目前我国及整个世界建筑能源消耗的主要组成部分分析，电力能量的消耗依然是建筑最主要的组成部分。太阳能、热能、风电等新技术领域成为了当前建筑节能行业重点研发方向，而随着新能源领域的迅速发展，光伏新能源领域技术已日趋完善，并应用于城市智能建筑电气系统中的节能控制。目前依托于利用混合太阳能与风能的新型建筑发电系统技术已日趋完善，这两种新型建筑电气系统节能环保技术已在我国众多新型节能环保行业和应用领域中广泛投入使用，并已成功取得了较好的社会经济效益［5］。虽然对于工业智能化建筑楼宇高层建筑电气系统关键节能控制技术方面已经成功取得了一定的突破，但是同时也面临着许多新的问题，建筑楼宇安全自动化、智能化专用电气设备是确保节能系统能否达到发展效益的重要影响因素。如果智能化大型建筑物节能系统缺少基本的各类工业化、自动化、和智能化电气设备，即使是拥有最为先进的节能管理控制技术，也很难真正达到节能效果。而目前我国在现代工业装备自动化、智能化和新建筑电气设备等新技术产品研究、开发和产品批量生产上仍然处于发展阶段。

4 光伏新能源技术在智能建筑电气系统中的应用

以某建筑屋顶光伏智能发电系统与建筑一体化工程为例，对系统应用要点进行设计分析。

4.1 太阳能电池阵列

选择应用多晶硅光伏组件，成本较低且生产效率高，经过性价比计算，确定项目太阳能光伏组件应用260WP。镉镍与铅酸蓄电池单体浮充电压分别为1.4～1.6V和2.2V。

负载24h消耗容量P：P=H/V。其中V表示负载额定电压。

电池阵列工作电压VP：VP=VF+VD+VT。其中，VD=0.5～0.7，且VD≈VF。

4.2 表面太阳能辐射

将光伏阵列水平面太阳能辐射量同过如式（1）计算换算成光伏阵列倾斜面太阳辐射量，根据计算结果换算发电量。如果选择倾斜角固定安装阵列的方式安装太阳能光伏阵列，可接收太阳能辐射主要受倾斜角度的影响，计算公式为：

式中，RD为倾斜光伏阵列面太阳能总辐射量；D为散射辐射量；S为水平面太阳直接辐射量；β为光伏阵列倾角；α为太阳高度角。

依据气象部门的数据，对项目太阳能辐射值进行计算，经过分析计算可确定当地全面接收太阳能辐射量最大时阵列倾斜角，按照计算确定的最佳角度来安装光伏阵列。

4.3 光伏系统效率计算

光伏系统总体效率主要由太阳能电池板的转换（发电）效率和所发电力并入系统电网损失两个要素决定，光伏系统总效率主要由光伏阵列效率、逆变器效率以及系统并网效率决定。光伏阵列效率η1，即光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下，实际直流输出功率与标称功率之比。逆变器转换效率η2，即逆变器输出交流电功率与直流输入功率比。交流并网效率η3，即从逆变器输出至高压电网传输效率，其中主要为升压变压器效率。可计算光伏系统总效率η=η1（光伏阵列效率综合考虑一般可取85%）×η2（逆变器效率一般可取95%）×η3（交流并网效率一般可取95%）=77%。

4.4 其他

太阳能光伏系统需设置控制系统对电气及能源进行科学合理地控制，并设置环境监测系统及数据监测系统，对太阳光辐射量、环境温度及风速等有关环境数据监测并记录反馈给系统，通过传感器及仪器仪表获得功率、电流、电压、容量等相关数据，为优化控制及能源管理提供有力数据支持。应对太阳能光伏系统设置防雷及接地装置，防雷系统应按照有关防雷规范的要求，并结合当地及环境情况进行设置，接地装置应按照电气及安全规范的有关规定设置，确保光伏系统安全稳定的运行。

5 光伏新能源在建筑电气的应用前景分析

5.1 新型空调

可将光伏新能源技术应用到空调等建筑用电设备上，通过智能控制器将光伏新能源进行合理利用，对建筑内的温度进行综合调节。对光伏储能电池的能源进行综合利用，根据智能控制逻辑可以进行供暖和保温制冷［6-8］。在供暖制热过程中，主要利用的能源是储蓄的太阳能和其他光能，不会产生任何的温室气体和污染气体，在大气中的污染物排放降低，清洁环保。光伏新能源电池在利用太阳能，不会产生任何声音，对于居住在建筑内的任何人和其身体健康不造成任何影响。通过太阳光的照射可产生一定的热能，在储蓄电能及制热保温过程中，可利用一部分能源作为热能，通过媒介进行保温保热，一般来说，发热器的温度越高，则发热量也就越大，制热也就越快。所以如果用多层热能媒介叠加的方式，则可以把保温制热过程效率进一步提高。

在整个建筑内，长时间进行制热或者制冷会造成建筑内温度循环不良，采用智能建筑控制技术并结合太阳能光伏发电技术，对整个建筑的湿热循环进行处理，控制湿度、温度在合理舒适的状态。光伏发电系统技术可应用室内外的设备，利用太阳能等开放循环系统，将空气、水汽等多种循环进行温湿度处理调解，不仅节能高效，还可尽量减少固体碳排放，操作管理也比一般湿热处理器简单。

5.2 光伏系统与建筑集合

将太阳能光伏发电系统与建筑进行相互集合融合，将太阳能光伏组件、光伏发电配套装置等光伏系统集成安装在建筑物的外侧以便最大化的接收太阳光，作为建筑的组成部分。通过结合光伏发电配套系统，建筑物本身就像一台发电机。综合考虑建筑物的功能及安全等影响，尽可能多将光伏组件布置在建筑物的各个方面，将能源则通过储蓄设备收集起来，用于建筑物的各种应用。光伏发电配套系统与多个集合光伏建筑进行同时供电，也可光伏发电系统仅给独立建筑供电，太阳能光伏发电系统易于安装和拆卸，并且日常养护运维简单方便，对环境的空气污染小［9，10］。现在很多大型光伏建筑都已经配备了独立的光伏发电系统，随着该技术的广泛应用，极大的推动了我国光伏发电城市化的发展。

6 结语

目前，国家大力提倡低碳经济，推行可持续发展策略，为了实现可持续发展，国家对于节能技术的推广应用将持续增强，而光伏新能源技术作为可再生资源应用技术，能够稳定有效的持续提供能源支持。文中围绕光伏建筑新能源发电技术发展特点进行分析研究，介绍光伏建筑新能源的发展优势，分析了光伏建筑新能源技术在民用智能建筑电气系统中的发展现状、实际应用及存在问题。对光伏建筑新能源技术对我国城市民用智能建筑电气系统发展的影响进行了分析，得到了光伏新能源技术可很好的满足智能建筑中的能耗需求，特别是空调、通风系统、公共照明系统、公共设施等智能建筑中大功耗的设备设施用电，同时光伏新能源技术相对于传统的电路用电，可有效提高对能源的利用效率，减少污染物的排放。因此，光伏新能源技术在智能建筑电气发展领域中的应用前景十分广阔。