王朦朦

(河南開封科技傳媒學(xué)院,河南 開封 475004)

當(dāng)前,人口增長、氣候變化、環(huán)境污染、能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益加劇。由于人類對(duì)各類資源的過度開采和超前透支,部分自然資源已出現(xiàn)枯竭的風(fēng)險(xiǎn),生態(tài)環(huán)境遭到極大的破壞。于是,人們便把目光轉(zhuǎn)向風(fēng)能、潮汐能、水能、地?zé)崮芎吞柲艿瓤稍偕茉?希望可以替代緊缺的不可再生資源,改善資源短缺現(xiàn)狀,謀求長遠(yuǎn)發(fā)展。太陽能是最容易獲得的自然能源之一,地域限制小,能量豐富、清潔環(huán)保,是典型的可再生能源,也是未來可再生能源發(fā)展的主要趨勢。目前,光伏電池技術(shù)已相對(duì)成熟,規(guī)模逐漸壯大,應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)場館的建設(shè)中,會(huì)給體育領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展以及城市升級(jí)改造帶來較大的積極影響,值得推廣。

1 光伏電池系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電是依托于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,從而實(shí)現(xiàn)供電的技術(shù),包括逆變器、控制器和太陽能電池等組件,其中,太陽能電池是關(guān)鍵的技術(shù)元件。根據(jù)供電形式的不同,光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為能夠獨(dú)立運(yùn)行的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)、與公共電網(wǎng)相連的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分散式分布的分布式發(fā)電系統(tǒng)等。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,光伏材料日益創(chuàng)新,光伏發(fā)電成本大幅度降低,在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛。首先,光伏發(fā)電技術(shù)可以應(yīng)用到日常生活用電領(lǐng)域,尤其是高原、海島等電力供應(yīng)有困難的邊遠(yuǎn)地區(qū),解決用電不方便的問題,還可用于水泵系統(tǒng),解決無電地區(qū)的用水問題;其次,光伏發(fā)電技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域,如交通信號(hào)燈、路燈和交通警示燈等;此外,光伏發(fā)電技術(shù)還可應(yīng)用于通信、氣象、石油和體育等領(lǐng)域,前景十分廣闊。

2 光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場館中的應(yīng)用

光伏電池系統(tǒng)在體育運(yùn)動(dòng)場館中的實(shí)際應(yīng)用體現(xiàn)在功能性和建筑設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

2.1 功能性

在功能上,光伏電池作為體育運(yùn)動(dòng)場館的電力來源,可以應(yīng)用于體育場館的照明系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域。照明系統(tǒng)是體育場館的重中之重,只有合理、有效的照明系統(tǒng)才能保證運(yùn)動(dòng)員、裁判的良好視野,以及觀眾的良好觀感。體育運(yùn)動(dòng)場館照明系統(tǒng)中,多種燈具都可以使用光伏電池,如路燈、聚光燈、辦公用燈等,可以使用光伏電池獨(dú)有的自動(dòng)開關(guān)功能,利用太陽光的照射時(shí)間來控制運(yùn)動(dòng)場館的工作時(shí)間。一些觀賞性燈光,也可以使用光伏電池,如國家速滑館“冰絲帶”的外部設(shè)計(jì)正是采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù),電池板模塊散落在由屋頂至地面的結(jié)構(gòu)上,散發(fā)著淡藍(lán)色的光,與冬奧會(huì)的主題交相輝映。體育運(yùn)動(dòng)場館的場地一般空間較大,不同場館之間的距離較遠(yuǎn),常需要車輛在館內(nèi)運(yùn)輸物品,此時(shí)新能源動(dòng)力系統(tǒng)的車輛則可以發(fā)揮優(yōu)勢。目前,已經(jīng)有一些團(tuán)隊(duì)在研發(fā)車載光伏技術(shù),將太陽能電池安裝在電動(dòng)汽車上,提供部分動(dòng)力來源,該技術(shù)可以提升新能源電動(dòng)汽車的性能,減少充電時(shí)間和次數(shù)。夏季和冬季體育場館內(nèi)需要運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)以保持適宜溫度,需要耗費(fèi)巨大的電能,太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以提供電能,以供給空調(diào)設(shè)施用電。另外,當(dāng)體育運(yùn)動(dòng)場館內(nèi)沒有體育賽事時(shí),光伏電池發(fā)出的電能可以輸送至電網(wǎng)中,緩解城市的能耗需求,節(jié)省能源。

2.2 建筑設(shè)計(jì)

光伏電池是接收直接照射的太陽光進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換,通常需要安裝在建筑物表面,因此,光伏電池是體育運(yùn)動(dòng)場館建筑設(shè)計(jì)的一部分。在對(duì)體育運(yùn)動(dòng)場館進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考慮光伏電池的位置和材料。光伏電池與建筑物的結(jié)合形式有兩種:一種是以主體建筑為依托,將光伏模塊加裝在建筑物上,可拆卸,這種形式稱之為建筑光伏;另一種是光伏電池系統(tǒng)作為建筑物的一部分,鑲嵌在建筑材料上,被稱為集成光伏。這兩種形式在體育場館的建筑中都有應(yīng)用。

建筑光伏最常用的安裝位置是在建筑物頂部,頂部系統(tǒng)直接接收太陽光照射,不受其他建筑物遮擋,日照資源豐富,并且建筑頂部比較空曠、面積大,不會(huì)對(duì)原有建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響,適合光伏電池系統(tǒng)的安裝。很多體育場館建筑在后期改造過程中,都采用了頂部加裝太陽能光伏材料的設(shè)計(jì),意大利的維羅納圓形體育館在改造過程中,就是直接在建筑頂層平鋪光伏陣列,從上空看,光伏陣列從圓心開始發(fā)散,圓形結(jié)構(gòu)更加突出;美國的多功能體育中心——斯臺(tái)普斯中心,也是在屋蓋直接布置太陽能電池板。

除了建筑物的頂部,墻面也是日照輻射強(qiáng)度比較大的位置,但是由于體育運(yùn)動(dòng)場館一般設(shè)計(jì)性較強(qiáng),造型比較特殊,墻面往往是不規(guī)則的,并且每個(gè)墻面的面積差異也較大,給光伏電池系統(tǒng)的布置和安裝造成了較大的難度。東南、西南方向的墻面更容易受到陽光照射,有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的鋪設(shè),但體育場館的南北向往往作為短軸,建筑面積較小。這是因?yàn)樾枰陴^內(nèi)外側(cè)設(shè)置觀眾看臺(tái),而北向看臺(tái)的觀眾容易受到太陽直射影響。這類體育場館需要結(jié)合具體的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來決定鋪設(shè)光伏電池系統(tǒng)的面積和數(shù)量。相較而言,棒球場館則比較適合安裝光伏電池系統(tǒng),該類體育場館是一個(gè)直角扇形,觀眾一般多集中在兩個(gè)直角邊上,位于西南或者東南方向,面積較大,并且比較規(guī)整,有利于光伏電池系統(tǒng)的鋪設(shè)。

集成光伏是光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于建筑中的一種形式,集成光伏與建筑本身融為一體,不需要過多考慮安裝的問題,只要是易于接收太陽光的位置都可用集成光伏組件代替原有的建筑部分,有利于光伏電池系統(tǒng)的推廣,是未來光伏電池應(yīng)用的主要方向。集成光伏形式也給體育運(yùn)動(dòng)場館設(shè)計(jì)帶來更多可能性。以“龍”為造型設(shè)計(jì)的中國高雄龍騰體育場就是采用集成光伏的形式。該體育場以龍為主題,蜿蜒曲折,光伏電池板就像巨龍身上的鱗片穿插在體育館屋頂上,這也是全球首個(gè)完全由太陽能供電的體育場館。龍騰體育館的表層建筑由懸臂、螺旋鋼管和光伏電池板組成。懸臂結(jié)構(gòu)承載主要重力負(fù)荷,通過間隔連接的方式構(gòu)成屋頂?shù)闹黧w架構(gòu);螺旋鋼管包覆在懸臂外,對(duì)懸臂的結(jié)構(gòu)起輔助支撐作用;太陽能電池板則鑲嵌在懸臂的間隔中形成屋頂。由于懸臂間隔的形狀不同,太陽能電池板的形狀和尺寸也各不相同,巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)思與太陽能電池板的高超工藝相得益彰。

在全球倡導(dǎo)“碳中和”的今天,“綠色體育”和可持續(xù)發(fā)展演變?yōu)樾聲r(shí)期的體育發(fā)展觀念。場館是承辦體育賽事的主要載體,在體育運(yùn)動(dòng)場館的建筑設(shè)計(jì)中加入新能源技術(shù)正是“綠色辦賽事”的重要體現(xiàn)。光伏電池系統(tǒng)將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能,使體育運(yùn)動(dòng)場館實(shí)現(xiàn)綠色電力供應(yīng),賽后還可以供應(yīng)其他民生用電,充分響應(yīng)了“綠色體育”的號(hào)召。

3 光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場館中應(yīng)用的意義

將新興的光伏電池系統(tǒng)應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)場館的建設(shè)中,可充分發(fā)揮光伏電池的優(yōu)勢,有著積極的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

首先,光伏電池在體育運(yùn)動(dòng)場館中應(yīng)用,可以充分利用太陽能資源,節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。傳統(tǒng)的電能由煤炭和天然氣轉(zhuǎn)化而來,開采程序比較復(fù)雜,需要大量的勞動(dòng)力參與,儲(chǔ)存及運(yùn)輸費(fèi)用昂貴,后期還需要一定的維護(hù)費(fèi)用,總體生產(chǎn)成本較高。光伏電池系統(tǒng)借助太陽能板在室外直接吸收太陽能并轉(zhuǎn)換為電能,只需將太陽能板安裝在體育運(yùn)動(dòng)館的建筑結(jié)構(gòu)中,不需要額外的存儲(chǔ)、運(yùn)輸,既節(jié)省了土地資源、勞動(dòng)力資源,也降低了成本,維護(hù)起來相對(duì)高效、簡單,大大節(jié)約了能源開采后的其他費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。從體育運(yùn)動(dòng)場館的運(yùn)營方來看,運(yùn)動(dòng)場館的運(yùn)作主要靠電力來支撐,尤其是賽事活動(dòng)往往在用電高峰期舉辦,電價(jià)較高,電費(fèi)支出是一筆龐大的費(fèi)用。光伏電池部分或者完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)供電系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)場館中的應(yīng)用,可以節(jié)省運(yùn)營方的運(yùn)營成本,降低支出,使運(yùn)營方將更多的工作重心放在賽事活動(dòng)上。

其次,光伏電池系統(tǒng)在體育運(yùn)動(dòng)場館中的應(yīng)用,符合“綠色運(yùn)動(dòng)”的理念,綠色環(huán)保。隨著社會(huì)的發(fā)展,人類利用資源的手段和技術(shù)越來越先進(jìn),對(duì)地球資源的挖掘、破壞也越來越嚴(yán)重。由于現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快,用電量持續(xù)增加,人們對(duì)煤炭、天然氣、石油等資源的開采規(guī)模越來越大,這些自然資源不可再生,資源儲(chǔ)量日益減少,能源緊缺問題嚴(yán)重。同時(shí),這些資源在開采過程中通常需要大規(guī)模施工作業(yè),可能會(huì)破壞原始生態(tài)環(huán)境。煤炭等資源在轉(zhuǎn)化為電能過程中,還會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體,污染大氣環(huán)境,破壞地球的生態(tài)平衡。光伏電池系統(tǒng)則可以充分利用太陽能資源,陽光照射地球表面能夠產(chǎn)生巨大的能量,資源十分豐富,取之不盡、用之不竭,可以彌補(bǔ)其他自然資源緊缺帶來的問題,緩解能源危機(jī)。同時(shí),太陽能資源清潔環(huán)保,無需開采,不會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞,后續(xù)使用過程中也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。近年來,國家和國際社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度越來越高,中國更是在全球范圍內(nèi)大力推動(dòng)全球生態(tài)環(huán)境治理工作的發(fā)展,不斷推出“可持續(xù)發(fā)展”“綠色發(fā)展”“節(jié)能減排”“碳中和”等理念以及多項(xiàng)生態(tài)文明建設(shè)舉措,加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)進(jìn)程,以應(yīng)對(duì)氣候變化、能源緊缺等全球性挑戰(zhàn)。新型能源的設(shè)計(jì)開發(fā)正是對(duì)上述政策的積極響應(yīng),尤其將光伏電池系統(tǒng)應(yīng)用在耗電量較大的體育運(yùn)動(dòng)場館內(nèi),減少了傳統(tǒng)電能的消耗,而運(yùn)動(dòng)本身就代表著熱愛生命、擁抱自然,體現(xiàn)著陽光、積極的精神,光伏電池系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)不謀而合。

再次,光伏電池系統(tǒng)體育運(yùn)動(dòng)場館中的應(yīng)用,保證了用電的安全、可靠。光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定,不易受其他因素影響,結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)容易,不易出現(xiàn)設(shè)備故障問題。第一,光伏發(fā)電系統(tǒng)在接受陽光。并將光能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行利用或者儲(chǔ)存的過程中,不受資源儲(chǔ)量的限制,也不需要異地運(yùn)輸,保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。光伏電池設(shè)備可以拓寬體育運(yùn)動(dòng)場館的選址范圍,打破地理位置的限制。第二,光伏發(fā)電系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建,安裝和拆卸比較便捷,不需要大型的設(shè)備進(jìn)行施工,減少了人員施工和設(shè)備運(yùn)行的危險(xiǎn)。第三,光伏電池往往設(shè)計(jì)在體育館建筑的頂層,既節(jié)省了空間又保證了用電安全,一舉兩得。

最后,光伏電池系統(tǒng)在體育運(yùn)動(dòng)場館中的應(yīng)用,還可以促進(jìn)科技創(chuàng)新,促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。體育運(yùn)動(dòng)場館用電量大、用電時(shí)間集中,對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性是一個(gè)巨大的考驗(yàn),光伏電池需要提高使用率,積累使用經(jīng)驗(yàn),不斷創(chuàng)新、優(yōu)化,快速成長起來,體育運(yùn)動(dòng)場館建筑是較為適合光伏電池系統(tǒng)的應(yīng)用場景。體育運(yùn)動(dòng)場館的造型多樣,對(duì)光伏電池材料的要求較高,就需要不斷對(duì)材料的性能進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新,以滿足使用需求。

4 結(jié)語

體育運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)強(qiáng)身健體、愉悅身心的活動(dòng),對(duì)國民素質(zhì)發(fā)展有著重要的作用,體育場館的建設(shè)也應(yīng)緊跟時(shí)代的潮流,創(chuàng)新運(yùn)營機(jī)制,優(yōu)化硬件設(shè)施。光伏電池屬于新能源技術(shù)的一種,是科技不斷發(fā)展的成果,將光伏電池系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在大型體育運(yùn)動(dòng)場館的設(shè)計(jì)中,可以節(jié)省自然資源、降低場館運(yùn)營成本,貼合“綠色辦賽事”的理念,同時(shí)促進(jìn)科技創(chuàng)新與國民素質(zhì)聯(lián)動(dòng)發(fā)展,有著蓬勃的發(fā)展前景。