基于太陽能光伏技術(shù)的節(jié)能建筑 系統(tǒng)的設(shè)計與研究

    引言

    能源是社會發(fā)展的原動力，現(xiàn)代建筑對于煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的過分依賴，不僅增加了能源的消耗，而且污染環(huán)境。有資料顯示，目前建筑能耗占社會總能耗的30%左右，而暖通空調(diào)能耗約占建筑能耗的95%。隨著我國人民生活水平的不斷提高和城市化進(jìn)程的加快，建筑能耗占社會能源總消耗量的比例也在持續(xù)增加。提倡建筑節(jié)能不僅能緩解社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供應(yīng)不足而產(chǎn)生的能源緊張問題，而且能降低污染物排放，有效保護(hù)環(huán)境。

    太陽能作為一種無污染的能源，同時也是人類可利用的最豐富的能源。在我國約占國土面積2/3 的地區(qū)年平均輻射總量在3340～8400MJ/m2，年日照時數(shù)超過2200h，相當(dāng)于110～280kg/h標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值。因此，研發(fā)太陽能在建筑中綜合利用的技術(shù)，探究太陽能技術(shù)與建筑節(jié)能的有機(jī)結(jié)合將具有積極而深遠(yuǎn)的意義。

    1、光伏技術(shù)

    1. 1 　太陽能電池的發(fā)電原理

    太陽能電池是對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、硒、銦、銅等，其中硅是較成熟的光伏原件。晶體硅目前能規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品發(fā)電效率在13%～17%，非晶體硅效率在7%～10%左右。即1m2電池板在1kW太陽能量的照射下，分別產(chǎn)生130～ 170Wp和70～100Wp 的電能。硅的發(fā)電原理是：當(dāng)光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P - N 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

    1. 2 　光伏發(fā)電的基本工作原理

    太陽能光伏技術(shù)，即太陽能發(fā)電技術(shù)，其基本工作原理是：太陽能電池板在白天的光照條件下接收太陽光并產(chǎn)生電能，使太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢(即發(fā)電)，并通過充放電控制器對蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池里。到需要用電時，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)行供電。太陽能電池板本身只能發(fā)電而不能儲存電能，它發(fā)出的是直流電，蓄電池進(jìn)出的也是直流電。對用電器而言，直流電器可以直接使用，逆變器能夠?qū)⒅绷麟娮儞Q為交流電給交流電器供電或直接進(jìn)入電網(wǎng)，因此太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式基本可分為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。




    2、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

    光伏系統(tǒng)是由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜等設(shè)備組成。其中各部分設(shè)備的作用是：

    (1) 太陽能電池方陣：太陽能電池方陣是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分，其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能，可以送往蓄電池中儲存起來，也可以直接推動負(fù)載工作。

    (2) 蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負(fù)載供電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求是：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強(qiáng)；充電效率高；少維護(hù)或免維護(hù)；工作溫度范圍寬；價格低廉。目前我國與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。

    (3) 充放電控制器： 控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br /> 

    (4) 逆變器：普通變壓器的逆運(yùn)行原理，是將太陽能電池板或蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成所需要的交流電的設(shè)備。逆變器的功能是：過載保護(hù)；短路保護(hù)；接反保護(hù)；欠壓保護(hù)；過壓保護(hù)；過熱保護(hù)等。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。

    (5) 交流配電柜：其在電站系統(tǒng)的主要作用是對備用逆變器的切換功能，保證系統(tǒng)的正常供電，同時還有對線路電能的計量作用。

    3. 1 建筑耗能現(xiàn)狀

    建筑能耗主要指采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、家用電器、電梯、通風(fēng)等方面的能耗。據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗在我國能源總消費(fèi)中所占的比例已經(jīng)達(dá)到27. 6%，且仍將繼續(xù)增長。我國目前城鎮(zhèn)民用建筑運(yùn)行耗電占我國總發(fā)電量的25%左右，北方地區(qū)城鎮(zhèn)供暖消耗的燃煤占我國非發(fā)電用煤量的15%～20%。這些數(shù)值僅為建筑運(yùn)行所消耗的能源。我國現(xiàn)有441億m2存量建筑，95%屬于高能耗建筑。近年來我國每年新增建筑達(dá)16～20 億m2，高能耗建筑占90%以上。在我國， 建筑能耗已占到全社會總能耗的30%左右，且仍將繼續(xù)增長。我國目前城鎮(zhèn)民用建筑運(yùn)行耗電占我國總發(fā)電量的25%左右，北方地區(qū)城鎮(zhèn)供暖消耗的燃煤占我國非發(fā)電用煤量的15%～20%。燃煤緊張，南方拉閘限電，北方冬季供暖受阻，能源價格不斷上漲。因此建筑節(jié)能勢在必行。

    3. 2 　建筑節(jié)能

    所謂建筑節(jié)能，最初是指減少建筑物中能量的流失，現(xiàn)在則普遍稱為提高建筑物中的能源利用率，即在保證提高建筑物舒適度的前提下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率。它所界定的范圍是指建筑使用能耗，包括空調(diào)、采暖、照明、家用電器、炊事等方面的能耗。

    4. 1 　太陽能光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用概況

    截止2006 年，我國房屋總建筑面積約400億m2，其中城市房屋131億m2，城市住宅面積81.1億m2，農(nóng)村住宅面積大約161億m2，城鎮(zhèn)住宅屋頂可利用面積8 億m2，農(nóng)村住宅屋頂可利用面積32億m2，共計40億m2，如果20%安裝太陽能光伏方陣就有80GWp。2020年和2050年可利用建筑面積分別增加50%和1 倍，若太陽電池陣列效率分別從現(xiàn)在的10%增加到15%和20%，則屋頂資源量從現(xiàn)在的80GWp分別增加到180GWp 和320GWp。近年來，太陽能光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用——光伏建筑一體化(BIPV Building Integrated Photovoltaic) 已經(jīng)成為太陽能利用研究的熱點(diǎn)，也出現(xiàn)了大量的成功示范工程并開始被大規(guī)模采用。光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合具有節(jié)約占地，提高發(fā)電效率，減少輸電線路的投資和損失，替代或部分替代建筑材料等優(yōu)點(diǎn)。

    4. 2 　BIPV 的設(shè)計原則和策略

    BIPV 是指把光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)或者集成在現(xiàn)有建筑物或者新建筑物上，既能滿足光伏發(fā)電功能，又與建筑物友好，甚至提升建筑物的功能或美感。BIPV 在設(shè)計及使用中應(yīng)遵循一定的建筑標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)包括： (1) 分析建筑物所在地的地理氣候條件及日照情況，這是決定是否選用BIPV 的先決條件； (2) 考慮建筑物的周邊環(huán)境條件，應(yīng)確保建筑物能最大面積的收集太陽能，提高太陽能的轉(zhuǎn)換率； (3) 光伏組件與建筑物的外裝飾應(yīng)協(xié)調(diào)、融合，不損害和影響建筑的效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命，不能對建筑物本身產(chǎn)生損害和不良影響； (4) 太陽能產(chǎn)品、構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制板式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和商業(yè)通用化，與屋頂和墻壁等建筑構(gòu)件具有可替代性； (5) 具有適用性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、美觀性； (6) 建筑物接收太陽能不得再另外占用土地和增加其他設(shè)施。(7) 能夠分散發(fā)電，避免遠(yuǎn)距離傳輸和分電損失，降低輸電和分電投資及維修成本。

    4. 3 　光伏組件與建筑一體化的設(shè)計途徑

    從光伏方陣與建筑墻面、屋頂?shù)慕Y(jié)合來看，主要為屋頂光伏電站和墻面光伏電站。而從光伏組件與建筑的集成來講，主要有光電幕墻、光電采光頂、光電遮陽板等形式。目前光伏建筑一體化主要有八種形式(表1)。

    近幾年，在一些發(fā)達(dá)國家“零能房屋”得到了一定的發(fā)展，即完全由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清潔、無污染，它代表了21世紀(jì)太陽能建筑的發(fā)展趨勢，許多國家的政府(如美國，德國) 都指定了太陽能在國家總能源消耗中的所占比例應(yīng)超過20%的計劃。發(fā)達(dá)國家光伏項目的成功實(shí)施也為我國的光伏發(fā)展提供了許多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。如何將太陽能光伏設(shè)備和建筑設(shè)計進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，這個問題應(yīng)成為太陽能產(chǎn)業(yè)界和建設(shè)行業(yè)共同研究討論的一個問題，建筑如何與太陽能設(shè)備很好的結(jié)合起來也已成為擺在我們眼前的事實(shí)。

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