引言根据《BP世界能源统计年鉴2019》，我国2018年总发电量为7 111.8×109 kWh，占据世界前位。我国2018年的能源消费主要为天然气、石油和煤等化石燃料，清洁能源消费占比22.1%，可再生能源消费占比4.4%[1]。我国对清洁能源的利用率还存在提升潜力。如何在建筑中应用可再生能源成为现阶段研究的重点。相较于其他能源，利用太阳能发电具有无噪声污染、不耗费燃料、不排放有害气体等特点，太阳能是一种清洁、高效的绿色能源[2-3]。太阳能技术在绿色建筑中占据重要地位，应用太阳能技术是实现建筑节能减排的重要途径之一。有学者对太阳能光伏的实践开展了研究，唐爽[4]等测试与分析了重庆市的太阳能资源，结果显示，重庆市的非晶硅太阳能发电功率优于多晶硅和单晶硅，但投入成本是常规发电成本的2至3倍。李卫平[5]等研究分析了重庆市建筑一体化太阳能发电的效益，重庆市在部分时间段会有较长的连续阴雨天，影响太阳辐射量，尽管常规家庭用电每天仅为2.6 kWh，为其供电也需要配备高峰值功率的电池组以及大容量的蓄电池组。国际能源署(International Energy Agency，IEA)发布的报告显示，我国2019年新增光伏装机量30.11 GW，累计装机总量207.4 GW，占全球总量的32.6%[6]。建筑中光伏技术的应用主要为光伏发电，现阶段鼓励光伏发电自发自用，并给予一定的电费补贴，促进光伏发电的应用和发展。我国已建成的分布式光伏发电项目主要有北京大兴国际机场、上海世博园、北京首都博物馆、深圳世博园和杭州东站枢纽等。文中以合肥市某办公大楼为例，分析绿色建筑中太阳能光伏发电技术的实际应用，为相关项目应用光伏技术提供参考。1太阳能光伏发电技术及其可行性1.1太阳能光伏发电技术光伏发电技术的原理是半导体PN结的光生伏特效应，光伏电池PN结受到太阳光照射后产生扩散运动，使得N区带负电、P区带正电，PN结两端形成电势差，接通外电路就能产生电流和电压，使太阳能转化为电能[7]。太阳能光伏发电原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.012.F001图1太阳能光伏发电原理建筑工程中使用的光伏电池类型主要包括薄膜太阳能电池以及晶硅太阳能电池。薄膜太阳能电池依据转换材料进行划分，可以分为硅、有机聚合物、量子纳米材料、碲化镉等；晶硅太阳能电池可以分多晶硅和单晶硅太阳能电池。现阶段，主要采用晶硅太阳能电池，但晶硅太阳能电池的制造条件严格、能耗大，使其成本较高，且具有不可弯曲、易碎等特点。与晶硅太阳能电池相比，柔性薄膜太阳能电池具有可弯曲、质量小、不易碎等特点，近年来得到广泛关注。不同种类太阳能电池材料性能如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.012.T001表1不同种类太阳能电池材料性能技术种类材料优点缺点理论转换效率/%实际转换效率/%多结技术染料敏华染料敏华和有机电池具有较好的经济效益，无污染；聚光电池效果较好。处于研发阶段，成本高且稳定性欠佳。22.7018.0聚光电池42.7030.0有机电池6.771.0硅片技术多晶硅技术成熟；使用寿命长；转换效率高。能耗大，对环境影响较大，有污染，能耗大。20.3018.5单晶硅24.7023.0薄膜技术非晶硅质量小；成本较低；弱光可发电。无法量产，转换效率欠佳。20.408.0碲化镉18.0013.0铜铟镓硒20.4013.01.2应用太阳能光伏发电的可行性分析我国太阳能的总辐射量可达3 350~8 370 MJ/(m2·a)，均值为5 860 MJ/(m2·a)。我国超过2/3的地区全年日照时长超过2 000 h、辐射量超过5 000 MJ/(m2·a)。根据太阳能年辐射量，可以将太阳能资源划分为5类地区。我国5类地区太阳能资源分布情况如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.012.T002表2我国5类地区太阳能资源分布情况区域年辐射量/[MJ/(m2·a)]年日照时长/h1类6 700~8 3703 200~3 3002类5 860~6 7003 000~3 2003类5 020~5 8602 200~3 0004类4 190~5 0201 400~2 2005类3 350~4 1901 000~1 400第1、第2、第3类地区的年日照时长超过2 000 h，属于太阳能较为丰富的地区，具有利用太阳能资源的条件；第4、第5类地区尽管太阳能资源欠佳，但太阳能技术在该区域也具有一定应用价值。除贵州高原区域，我国其余地区均属于太阳能资源可较好利用的区域，因此开发太阳能光伏发电具有较高的可行性。2某商业大楼应用太阳能光伏发电的实例分析2.1项目概况项目为商业办公大楼，位于安徽省合肥市，为绿色建筑二星级。项目建设用地16 500 m2，地上总面积为774 000 m2，包括4栋办公楼。办公楼1~3层是商铺，4层及4层以上为办公区域。根据《关于加强新建民用建筑设计方案建筑节能管理工作的通知》等相关要求，项目至少应用一种可再生能源。可再生能源方案主要包括地源热泵、太阳能光伏和太阳能热水，综合考虑各个方案的优缺点，结合项目目前的实际情况与条件、投入成本等，选择太阳能光伏发电作为可再生能源应用方案。3种可再生能源方案对比如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.012.T003表33种可再生能源方案对比方案优点缺点项目要求目前条件地源热泵利用土壤低品位热源；减少空调能耗初期投资高；可能出现土壤热堆积项目包括外销和自持，难以管理。无法预测地质条件太阳能光伏无噪声污染；安全可靠；无排放污染；节约电能初期投资及维护费用高；夜间无法使用；占地面积大地下室、走廊照明办公楼顶可利用太阳能热水初期投资低；节省热水制备费用；无污染温度不稳定；阴雨天气不适用；需要其他热源辅助冬季卫生间可提供热水冬季无法提供，夏季需求不高。2.2项目所在地太阳能资源合肥市日照充足，太阳能资源较为丰富，年日照时长约为2 100 h，年辐射量约为444.9 1MJ/(m2·a)。8月份日照时长最长，月平均日照时长约为247.8 h；2月份日照时长最短，月平均日照时长约为134.2 h；3月份云系颇多，气旋频繁活动，日照百分率较低。2.3太阳能光伏发电系统设计项目采用光伏发电系统为地下室和走廊供电照明。光伏发电设计应满足低成本、可靠、实用、合理等要求，保证系统能够长期安全可靠运行，满足用电需求，合理、经济配置系统。第一，确定安装位置。商业大楼的楼顶有多处挑空，南边有使用空间，可考虑在楼顶南侧架高安设光伏组件，避免组件受到遮挡。第二，确定装机容量。项目采用太阳能电池组件型号为235P-60，最大额定功率为235 W，尺寸为1 650 mm×992 mm×50 mm，单个电池尺寸为156 mm×156 mm，排列形式为每组60个。根据《建筑光伏系统应用技术标准》（GB/T 51368—2019[8]，采用ECOTECT软件分析光伏组件的遮挡情况，保证9：00~15：00时间段内组件不被遮挡，组件间距应为140 cm。项目共采用320块组件，60块为一组，在大楼南侧屋面安设，组件总面积为523.9 m2，功率为300 kW。发电系统产生直流电，利用输配电网络送至配电房，通过逆变器转变为380 V交流电并入变压器负载端。第三，计算发电量E[9]。E=Q⋅Ac⋅η1⋅η2 (1)式中：E——光伏发电系统发电量，kWh；Q——纬度倾角平面的总辐射量，取1 205.95 kWh/m2；Ac——光伏组件面积；η1——光电转化效率，取15%；η2——发电效率，取80%。E=1 205.95×523.9×0.15×0.8=75 815.66 kWh。第四，计算能源替代量Qt[10]。Qt=D⋅E (2)式中：Qt——光伏系统常规能源替代量，千克标准煤；D——单位电能折算的标准煤，取0.36千克标准煤/kWh。Qt=75 815.66×0.36=27 293.64千克标准煤。第五，计算环境效益[11]。二氧化碳减排量QC为：QC=Qt⋅VC (3)式中：QC——二氧化碳减排量，kg；VC——标准煤二氧化碳排放因子，取2.475 kg/千克标准煤。QC=27 293.64×2.475=67 551.76 kg。二氧化硫减排量QS为：QS=Qt⋅VS (4)式中：QS——二氧化硫减排量，kg；VS——标准煤二氧化硫排放因子，取0.018 kg/千克标准煤。QS=27 293.64×0.018=491.29 kg。粉尘减排量QF为：QF=Qt⋅VF (5)式中：QF——粉尘减排量，kg；VF——标准煤粉尘排放因子，取0.009 kg/千克标准煤。QF=27 293.64×0.009=245.64 kg。应用光伏发电系统能够有效减少67 551.76 kg二氧化碳排放，减少491.29 kg二氧化硫排放，减少245.64 kg粉尘排放。第六，计算经济效益[12]。光伏系统总功率为300 kW，年发电量为75 815.66 kWh，光伏组件单价约为5.5~7.2元/W，输配电以及逆变器单价约为1.7~2.1元/W，电缆、电气设备单价约为1.35元/W，支架等基础配件单价约为0.4~0.9元/W。经计算可得，项目大楼光伏发电系统投入成本约为99万元。项目大楼光伏发电系统成本如表4所示。光伏组件首年的功率衰减低于5.0%，取3.5%；使用10年后功率衰减不超过10.0%，取8.0%；使用25年后功率衰减不超过20.0%，取18.0%。使用第1年按照功率降低3.5%计算，之后均按照每年降低5.0%计算，电价单价按1.4元/kWh计算，约12年可以收回成本。现阶段，光伏发电成本回收的时间无法控制，主要靠相关的政策扶持。但是太阳能发电的效率会随着研究深入不断提高，投入成本也会逐渐减少，能够促进自主投资资本进入光伏发电行业，进而推动建筑太阳能光伏发电系统的应用。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.012.T004表4项目大楼光伏发电系统成本项目成本/万元占总成本的比例/%合计99.0电池54.655.2电缆、电气设备10.210.3支架及基础配件5.75.8数据采集设备4.14.1人工24.424.63结语以合肥市某商业办公大楼项目作为研究对象，进行绿色建筑项目中的太阳能光伏发电系统设计和实际应用，为日后相关绿色项目应用太阳能发电技术提供参考。在后续的研究中，应探究光伏系统在项目中的适用性以及优化路径，构建一套在绿色建筑中应用光伏发电技术的体系，促进绿色建筑的发展，实现节能减排。