太阳能综合开发与利用------太阳能与建筑一体化.doc

目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言11太阳能与建筑一体化Y1.1太阳能利用与建筑一体化概况1.2太阳能利用与建筑一体化的新构想1.3太阳能利用与建筑一体化的具体实施方式1.3.1 太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化1.3.2 光伏组件与市政供电系统并网1.3.4 太阳能一体化设计中与之相配合的建筑保温设计1.3.5 太阳能一体化设计中的相关原理分析二、远景与展望参考文献Y太阳能综合开发与利用-太阳能与建筑一体化实践设计摘要：本文首先分析了中国太阳能的大体利用技术分类,然后着重介绍了太阳能与建筑一体化的技术,以及利用现有的太阳能技术(包括太阳能热技术和太阳能电技术)并结合我国建筑的情况分析,在此基础之上进行了太阳能与建筑一体化的新构想和新的设计,在这个设计过程中,又重点分析了所用到的太阳能技术的原理和太阳能与建筑设计中相互糅合的一些物理原理和知识.最后,对太阳能与建筑一体化这一技术的利用前景做了一些分析和展望,突出这门技术的重要意义.关键词： 太阳能利用 建筑一体化 建筑节能The Development And Utilization of Solar Energy- The design Practice of Solar Energy And BIPVStudent majoring in optical information sciences and technology Meng JiaodongTutor DongJianAbstract：Several utilizations of solar energy in china are analyzed at the begin of the thesis. Then, the technology of the BIPV is emphasized introduced .And the solar energy which has been wildly used at now(including Hot-Technology and Electric-Technology of solar energy),combining the situation of the architecture of china. On the base of that, I make the new idea and new design between the solar energy and the BIPV. In the process of the design, I take much time on the analyzing of some important theories in the solar energy technology and BIPV. At last, I outlook the prospects of the application of solar energy and BIPV technology, in order to give prominence to this technology.Key words: Solar Energy Utilization; Building Integrated PV; building energy conservation引言: 太阳能利用指太阳能的直接或间接的转化和利用。直接利用是将太阳能即光能直接转化成热能，例如太阳能空调、太阳能建筑和太阳灶等；间接利用是将太阳能即光能转化为电能，然后再利用电能转化为热能或其它形式的能量，如利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能的太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域。70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在21世纪会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。就现在阶段来说，我国以及世界对太阳能的利用情况如下：太阳能的热利用技术和产业主要有：太阳能热水器 、太阳灶、太阳能热发电 、太阳能空调、太阳能建筑等。太阳能间接利用技术和产业主要有：太阳能光伏发电 、太阳能电池等应用。我国有着丰富的太阳能资源，每年获得的太阳能约为3.61022J，相当于1.2万吨标准煤的热值。约占全国国土面积的2/3的地区年平均辐射总量在33408400MJ/m2，年日照时数在超过2200h，相当于110280kg标准煤的热值。我国从70年代就开始了太阳能利用方面的研究，经过30年来的不懈努力，现已在太阳能利用和推广方面已经取得了一定的成绩，尤其在太阳能热水器方面取得了一大批科研成果。但我国的太阳能利用技术与发达国家相比还存在很大的差距，例如我国目前对太阳能在建筑中有效地利用还是探索阶段，不仅利用方式单一并且在与建筑一体化方面显得尤为落后。太阳能与建筑一体化是在太阳能热水器、太阳能光伏发电、太阳能电池以及建筑学和社会发展的推动下产生的。早在1999年召开的世界太阳能大会上就有专家认为，当代世界太阳能科技发展有两大基本趋势，一是一是光电与光热结合；二是太阳能与建筑的结合。太阳能源建筑系统是绿色能源和新建筑理念的两大革命的交汇点，太阳能是未来人类最适合，最安全，最理想的替代能源。1 太阳能与建筑一体化1.1太阳能利用与建筑一体化概况太阳能与建筑一体化的设计思想是由美国太阳能协会创始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡导的，其主体思想是将能把太阳能转化为电能的半导体材料直接镶嵌在墙壁的外表面和屋顶上，取代在屋顶上安装笨重的太阳能收集装置，从而实现太阳能利用与建筑的一体化，并通过所产生的电能来驱动室内的用电设备实现室内的采暖、照明、制冷等。目前，建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70%。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来的外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境。在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范建筑外，还没有大规模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高，与我国的经济发展也是远不相适应。因此，建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合单位思想，按照房间的功能，采用不同方案的配合及交叉，这样可以大大降低太阳能用于建筑功能的一次投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。 太阳能供能设备的非定常性，对气象条件和辐照条件的依赖性等特点，要求必须对建筑用能负荷进行准确的预测，才能够在设备与建筑的匹配上做出设备投资和节能效益最佳的选择。建筑室内温度及气流的预测方法和预测软件CFD/NHT是太阳能与建筑的结合的理论和应用基础，也是世界目前建筑空气调节的又一大方面，但是我国目前在该方面的水平和从事人数还远落后于世界先进国家。在当代，太阳能与建筑的发展必须有一定的策略与之相适应，一是成熟的被动太阳能技术与现代的太阳能光伏光热技术的综合利用；二是保温隔热的维护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合；三是传统建筑构造与现代技术和理念的融合；四是建筑的初期投资与生命周期内投资的平衡；五是生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透；六是综合考虑区域气候特征、经济发达程度、建筑特征和人们的生活习惯等相关因素。 综合考虑社会进步，技术发展和经济能力等因素，在建筑物的策划、建筑设计、使用、维护以及改造等活动中，主动与被动的利用太阳能的建筑统称为太阳能建筑。我国太阳能建筑领域中技术最成熟，应用范围最广，产业化发展最快的是家用太阳能热水器。1.2太阳能利用与建筑一体化的新构想考虑到建筑在设计上要有利于收集利用太阳能，同时兼顾建筑的美观性、实用性与经济性，在太阳能利用与建筑一体化的实践上进行了新构想：在建筑物的南向及东西两向等接受太阳能较好的外表面墙体护围结构上采用与太阳墙、光伏组件的一体化设计；在建筑物的北向等接受太阳能较少的外表面墙体护围结构上采用保温墙体设计；在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中；在建筑的供热、制冷及供应热水方面采用分体式太阳能热泵吸收式中央空调系统，从而在提供生活用热水的同时兼顾空调采暖和制冷；以太阳能为主，燃气或电力为辅的集中供能方式。这样以来就实现了被动式与主动式相结合，多途径多层次的太阳能多元化收集与利用。1.3太阳能利用与建筑一体化的具体实施方式1.3.1 太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化在南向及东西向等接受太阳能较好的墙面上采用主动式与被动式相结合，集发电、采暖、通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。如图（1）、（2）和（3）所示，墙体的最外层是光电幕墙，安装在多孔的波状金属板上，空气在金属板下的空腔内受热，在风机的动力作用下空腔内的热空气从墙体的顶部通过风道进入空调的新风系统或者直接排出室外。与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的护围结构，照射在墙面上的太阳能不但被有效的利用起来而且显著改善了护围结构的隔热保温性能。光电幕墙对太阳光的反射率约为15%，光电幕墙的光电转化率在1735%之间；在冬季被光电幕墙浪费的那部分太阳能又被集热板吸收用于空调机组新风的预加热，使新风空气预热到30左右，热效率在50%-60%之间，相当于每平方米能产生多于500W的热量，同时使通过墙体向外界扩散的热量随管道内的热空气重新进入空调的新风系统，降低了墙体与室外空气的热交换；在夏季，风机停止运转，被加热的热空气在自然对流的作用下从波状金属板与墙体组成空腔的上部流出，一方面使外界的热量不能直接通过墙体的传热进入室内，减少了空调的负荷，另一方面空气在空腔内的流通降低了光电幕墙的温度，能使光电幕墙的光电转换率提升10%。这样以来从经济上分析这种采用复合的太阳能采集技术的墙体的初期投资回收速度比单纯采用光电板回收速度提高了3-4倍。图1 太阳墙原理示意图 图2 附于钢结构或砖体结构示意图1.3.2 光伏组件与市政供电系统并网太阳能发电系统所发的电能通过逆变器把直流电转换为交流电，再由控制器对所发的电能进行调节和控制，在白天一方面把整压整流后的电能送往建筑内的用电负载，另一方面白天日照充足时在满足建筑自身用电负荷的同时把多余的电能进行并网向市政电网系统进行供电，而当晚上或阴天时所发的电能不能满足建筑自身负载需要时，控制器又并网市政供电系统，保证用户的正常用电。这样在白天的太阳能光伏发电的发电量充足且电价较高的时候并网市政电网把多余的电能向外供电出售电能，而在晚上太阳能发电装置不能发电且电价较低的时候又从市政电网中取电买入电能。这样的光伏一体化墙面较传统的墙面在节能上面优势是显而易见而且比早期的光伏发电系统减少了多余电能储存系统有效降低了光伏发电系统的整体成本，而且在白天的用电高峰时段在满足建筑自身用电的同时能向市政电网供应电能在一定程度上缓解电力紧张，况且这时的电价比较高而在夜间用电低峰时段电价相对较低又从市政电网获取电能这样就能更好的降低建筑的运行成本，使初期投资回收速度进一步提高。 1.3.3 太阳能热泵集热装置与建筑屋顶一体化在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，在设计上一方面使建筑的正立面结构看上去富有建筑的艺术性和现代性，另一方面使安插在建筑构造构件中的集热装置模块可以很好的吸收太阳辐射能。然后把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中。采用太阳能热管模块化集热器可以较好的承受压力且密封性较好，既能直接吸收太阳辐射能又能间接吸收室外环境中的热能，即使冬季气温为-20的时候依然能够进行太阳能低温集热。应用这种太阳能集热装置做成直接蒸发式太阳能热泵机组的蒸发器，则蒸发器成为“热源”，直接作用于蒸发器中的流动工质热媒，使其加热到1030左右并迅速汽化，通过热泵机组压缩机的压缩制热后，在冷凝端与管壳式热交换器中的水换热可使冷凝水的温度达到60以上，作为采暖热源和作为热水直接供应给用户或是向吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。太阳能热泵吸收式中央空调系统冬天向建筑供暖时能耗比Cop值约为6，即投入1KWH的电力，可得到约6KWH的热能；夏天向建筑供冷时能耗比Cop值约为4，即投入1KWH的电力，可得到约4KWH的热能，而且系统紧凑，省去了锅炉房，节省了初期投资，也节省了建筑空间。比直接将太阳能转化为电能再用电能驱动中央空调和热水器节能效果更为显著。1.3.4 太阳能一体化设计中与之相配合的建筑保温设计在建筑的北向墙体和受日照较少的墙体上采用轻质建筑保温墙体，如图（4）所示这样就有效的减少了墙体与外界空气的热交换，并能在框架结构的建筑中采用较薄的基层墙体而达到较好的隔热保温作用同时有效降低了建筑成本和减轻建筑负荷。玻璃门窗建议使用其外侧经过镀膜处理且与护围结构颜色相适宜的Low- E中空玻璃，因其具有极佳的热学、隔声、防结霜、不结露与密封等性能。白天在阻挡来自室外的有害辐射的同时并不影响窗体的透光率；夜晚和阴雨天气,来自室内物体的热辐射约有50%以上被其反射回室内。这样就使整个建筑呈现一种类似于“暖水保温瓶”的现象，在一定程度上实现了建筑物的单向热传导性，降低了建筑内热能或冷能的流失，减少了建筑的整体能耗。图3 太阳能墙体与光伏组件的结合 图4 保温墙体示意图1.3.5 太阳能一体化设计中的相关原理分析（1）太阳能电池原理半导体根据导电机理的不同可分为P型半导体和N型半导体。当太阳光照射到半导体时，半导体中的电子被激发而移动，失去电子的地方就形成空穴。P型半导体和N型半导体结合在一起在半导体中形成“势垒”。由P型半导体产生的电子向N型层移动，由N型层中产生空穴向P型层移动。P型层中由于带有正电荷的空穴数目增多而带正电； N型层中由于带负电荷的电子数目增多而带负电。当达到稳定状态时，在半导体两端产生电压，称为太阳电池的开路电压。当用导线连接半导体两端时，光电流在外部回路中流动，称为短路电流。最基本的太阳电池是由PN结构构成的。图1为典型光电池的剖面图。图1 典型光电池的剖面图（光线的光子产生自由电子，顶部金属网格和底部金属板通过外电路收集和返还自由电子） （2）光伏发电系统光伏发电系统统按其系统配置可分为独立式（standalone）连接电网式（gridalone）2种。当不可能或没必要与电网连接时，独立式光电系统（standalone systems）较适用（图2）。这种系统白天产生的多余电能储存在电池组中，以备夜间及昏暗多云天使用。图2独立式光电系统（一个独立式系统需要电池储存电力以供夜间使用，还需要一个将直流电变成交流电的反用换流器）当有电网时，就不需电池组储能了。因为电网已经充当了一个大的蓄电池的作用。连接电网式如图3所示。当太阳能电池板供电不足时，由电网向用户供电，相反的，若太阳能电池板供电大于用户需求，剩余的电可通过直交流逆变换器输送到电网。只需在连接电网时安装一块双向计量电度表即可解决电力收费的问题。这种系统特别适合于已有电网供电的用户，不仅可省去蓄电他的设置，减少初期投资和运行维护费用，而且有利于削减因采用空调设备而造成的夏季白天用电高峰的问题。图3 一个典型的电网连接充电系统（3） BIPV建筑一体化对太阳电池的特殊要求A、颜色方面当太阳电池作为南立面的幕墙或天窗时，考虑到电池板的反光而造成光污染的现象，就会对太阳电池的颜色和反光性提出要求，即可采用具有不均匀反光的多晶硅太阳电池组件做幕墙或是安装在人们视角之内的大坡度屋顶。对于晶体硅电池则可以用腐蚀绒面的办法将其表面变成黑色或在蒸镀减反射膜的时候加入一些微量原色来改变太阳电池表面的颜色。B、透光要求当太阳电池用作天窗、遮阳板和幕墙时，对于它的透光性有一定要求。一般选用非晶硅太阳电池，因为它可制作成茶色玻璃一般的效果，透光好而且投影十分均匀柔和。而对于本身不透光的晶体硅太阳电池，需要透光时只能将组件用双层玻璃封装，通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。C、尺寸和形状的要求因为考虑到与建筑的结合，一般