面向大城市居民小区的太阳能光伏发电技术的应用分析

摘 要：论文总结了应用于民用建筑的太阳能光伏电池和光伏发电技术的应用发展现状，根据大城市居民小区具有建筑密度大、楼层高、楼间距小的特点，以经济、环保利用太阳能为目标，提出了太阳能光伏发电技术的选择建议。在考虑太阳能光伏发电技术的成本、环保基础上，在大城市采用光伏-建筑一体化设计是发展趋势，同时大城市居民小区具有直流负荷比例高、维护水平高，将小区光伏发电与直流配电网相结合更有利于太阳能利用效率的提高，有利于智能社区的建设。

关键词：太阳能光伏发电 太阳能电池 大城市居民小区 直流配电网

中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0022-03

随着社会公众的环保意识的提高以及新材料、现代电力电子技术的发展，充分利用可再生的太阳能已经越来越受到政府和公众的重视。目前太阳能技术已经在新能源发电、交通、航空航海和空间站建设等领域得到了广泛应用。充分利用可再生的太阳能发电，建立节能、环保、舒适的居住空间也成了社会的共识。因此，该文根据当前各种太阳能发电技术的特点与发展，以经济、环保利用太阳能为目标，考虑大城市居民小区具有建筑密度大，高楼较多、屋顶面积小、楼间距较小等特点，分析适用于大城市居民小区的太阳能发电技术的选择方案。

1 太阳能光伏发电技术的发展现状

1.1 太阳能的应用形式

目前，居民小区应用太阳能的途径主要可分为太阳能光伏发电和光热转换两种形式。

太阳能光热技术是将太阳辐射能量转化为热能的技术。在居民小区，常见的直接利用太阳能的方式有：（1）利用太阳能空气集热器供暖。（2）利用太阳能热水器提供生活热水。（3）利用集热-储热的原理建造太阳房等。间接利用太阳能的主要方式是利用太阳能制冷。其中利用太阳能制冷技术仍处于研究阶段，相关技术正在进入攻坚克难阶段，预计未来将会取得突破性进展。

太阳能光伏发电是以太阳能电池为中介将太阳能转化为电能的技术。太阳能发电系统有单独发电和并网发电两种发电方式，在城市小区，因为供电的可靠性要求，通常是采用并网发电方式，它是由太阳能电池阵列、蓄电池组、保护和控制系统、逆变器、小区负荷等设备构成，其中光伏电池阵列是由多个太阳能电池板串并联而成，是整个系统最核心、最有价值的组件。

1.2 太阳能电池技术的应用发展

到目前为止太阳能电池技术已历经三代，第一代主要为晶体硅太阳能电池；第二代是基于薄膜技术的太阳能电池；第三代是高倍聚光光伏电池。

晶体硅太阳能电池是以硅元素作为基本原材料，主要包括单晶硅和多晶硅太阳能电池两类。这是发展最早、技术最成熟、已经形成了大规模商业化生产的太阳能电池技术，约占据93%的市场份额，其转换效率在15%～20%。晶体硅太阳能电池最大的技术瓶颈是原材料硅的价格较为昂贵且供应不足，造成晶体硅电池价格呈现上涨趋势。表1给出了对单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池的主要特性。

薄膜太阳能电池所需要的硅材料极少或是不需要，因而与晶体硅太阳能电池相比，在生产成本上有明显的优势。薄膜太阳能电池可分为硅基、碲化镉（CDTE）、铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GAAS）薄膜电池以及染料敏化（DSSC）太阳电池等[1]。薄膜太阳能电池应用已经逐步展开，其中2014年12月我国首个兆瓦级CIGS薄膜太阳能电站在云南石林投运，其发电效率比同等规模的晶体硅太阳能电站高出10%。根据大城市居民小区的需要，表2给出了主要薄膜太阳能电池的技术特性。染料敏化太阳电池是一种采用由有机材料构成核心部件的太阳能电池，在原材料上具有潜在的优势，可以大面积成膜，具有可设计性强，质轻，可塑性好，是一种有前景的太阳能电池技术，但是目前仅停留在实验阶段。

从适用于大城市居民小区建筑的角度看，由于非晶硅薄膜电池可制作成半透明的类玻璃形状，且具有较高的吸收系数，因此非常适合于与光伏-建筑一体化小区工程相结合，作为建筑物的玻璃幕墙、玻璃窗以及建筑墙面。CIGS薄膜电池由于其缓冲层CdS具有潜在的毒性，国产化水平较低，价格较高，但转换效率高，比较适合用于商住两用型小区、公寓型小区或是小区中的大型公共建筑的玻璃幕墙。CDTE薄膜太阳能电池成本较高，且有一定污染，可用作大型建筑的屋顶，而GAAS薄膜电池价格过高，一般不用于居民建筑。

2 居民小区的太阳能光伏发电技术的应用选择

在我国，特别是一些低层建筑比较密集的中小城市、广大农村地区，太阳能热水器技术已经得到广泛利用和推广。但是这种利用方式无法适用于大城市居民小区，一方面是因为高层建筑物不能提供安装位置，另一方面是因为这种杂乱无章的安装严重影响建筑物的视觉美观效果，破坏环境的和谐，不能实现与建筑物的完美结合[2]。目前推出的壁挂式大阳能热水器是比较适合大城市居民小区的太阳能光热利用的产品。

同时，太阳能光伏发电技术在民用领域也具有广泛的利用和推广空间。城市居民小区有许多公共用电设备，如小区路灯、草坪庭园景灯、高层建筑楼梯间、地下车库的照明，楼房的电梯以及变频调速的水泵、风机等，这些设备数量多、总体耗电量大，都可以首先考虑采用太阳能光伏发电供电。在小区的公共区域放置太阳能电池板是一个优选方案。除考虑房屋的承重和成本问题外，可以采用3种放置太阳能电池的方式：（1）放置在建筑屋顶，并加砌与建筑外观一致的护拦，同时利用太阳能电池组件替代保温隔热层的作用，对于已建小区还可以与社区屋顶“平改坡”结合起来加装太阳能电池组件。（2）在楼梯间顶部专门加装一个放置太阳能电池板的阁楼，并采用与建筑外观协调和谐的斜屋顶设计，维护整体环境的协调。（3）对于新建的多层建筑和高层建筑，外墙与太阳光接触面积最大，采用与太阳能电池一体化的玻璃幕墙、透明绝热材料，实现光伏-建筑一体化，同时达到美观和装饰效果。

在城市居民小区中，通常采用太阳能光伏发电系统与市政电网并联供电的形式，如图1所示。但是当小区内太阳能光伏发电容量比较大，且小区内直流负载比例较高时，小区采用分布式直流配网供电[3]，将市政电网通过交流-直流变换作为并联电源，如图2所示，更有利于太阳能光伏发电的利用，且具有更好的效率。这是因为：（1）太阳能光伏发电输出直流电，直接接入直流配电网，可以节省大量的DC-AC换流环节。（2）大部分民用负载都是直流负载，比如个人电脑、电视、充电设备、电热器、照明负荷，采用直流配电网后，整体效率更高；同时对于采用变频技术的家用电器，如空调、冰箱、洗衣机，如果采用传统的交流配电网，需要经过AC-DC-AC变换，而采用直流配电网则只需要采用DC-AC变换。因而直流配电系统的整体效率更高。（3）同时直流配电网更可靠，且没有频率和无功问题，也没有传统交流配电网的谐波污染问题。（4）直流配电网的可控性，更有利用于未来智能社区的建设[4]。

3 结语

太阳能光伏发电在大城市民用领域也具有广阔的发展空间。但是由于大城市的地价贵、楼间距小、高层建筑多，相对中小城市、农村来说，利用太阳能光伏发电的空间较小、单位投资高、发电成本高，回收成本年限长，如果采用全国统一的补贴标准，难于达到预定的促进作用。因此，需要靠政府政策扶持，鼓励企业、社会公益投资，同时与绿色社区、智能社区建设结合起来，达到更好的整体社会、经济、环保效率。

参考文献

[1] 李海涛.太阳能利用研究进展[J].科技创新与应用，2016（9）：38-39.

[2] 彭瑛.民用建筑太阳能的利用[J].湖南工业大学学报，2012，26（5）：90-94.

[3] 黄家室.建筑小区应用太阳能光伏发电供配电方式探讨[J].建筑电气，2009，28（2）：22-25.

[4] 江道灼，郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化，2012（08）：98-104.