太阳能在建筑中的应用技术.ppt

太阳能在建筑中的应用技术 PART1太阳能的简单介绍PART2太阳能光伏发电技术PART3太阳能的热利用技术PART4太阳能利用未来趋势展望 TheApplicationofSolarEnergyinBuilding 太阳能在建筑中的应用 太阳能在建筑中的应用 实际上是利用建筑结构本身所形成的集热 蓄热和隔热系统以及附加在建筑物上的专用太阳能部件 对太阳光进行光 电和光 热转换来满足建筑物的热水供应 采暖 空调及照明等方面的能耗需求 从而达到减少建筑物能耗 节约常规能源 改善生态环境的目的 太阳能的简单介绍 太阳能简介 太阳能是一种清洁的可再生能源 取之不尽用之不竭 分布广获取容易 太阳能利用的两个缺点 一是它的能流密度低通常每 不到1kW二是它的能量随时间和天气呈现出不稳定性和不连续性 从广义角度讲 太阳能不仅包括直接投射到地球表面等同样起源于太阳辐射的间接的太阳能的辐射能 还包括像生物质能 水能 风能 海浪能量 而且现在广泛使用的石油 天然气和煤炭等化石能源 也都是古代太阳能资源的产物 通常意义上的太阳能 指的是对直接投射到地球表面的太阳辐射能的利用 目前太阳能利用的主要两个方面 太阳能热利用和太阳能光伏发电 太阳是距离地球最近的一颗恒星 是一个炽热的气态球体 直径约为1 39 109m 体积为1 42 1027m3 太阳是地球体积的130万倍 太阳的质量为1 98 1030kg 大约是地球质量的33万倍 其平均密度为1 4 103kg m 只有地球密度的1 4 根据推算 太阳每秒钟向外发射的能量为3 74 1026J 相当于每秒燃烧1 28 1016T标准煤所放出的能量 太阳辐射出来的总功率只有二十二亿分之一能够到达地球大气层上界 即到达地球大气层上界的太阳辐射功率约为1 73 1017W 相当于1 73亿个百万千瓦级发电厂发出的总功率 能够穿透大气层到达地球表面的太阳辐射总功率约为8 1 1016W 约占达到地球大气层太阳辐射总功率的47 一组数据 我国太阳辐射能的分布 太阳能光伏发电技术 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池 solarcell 又称光伏电池 太阳能电池发电的原理是光生伏打效应 photovoltaiceffect 当太阳光或其他光照射到太阳能电池上时 电池吸收光能 产生光生电子 空穴对 在电池内建电场的作用下 光生电子和空穴被分离 电池两端出现异号电荷的积累 即产生 光生电压 这就是 光生伏打效应 若在内建电场的两侧引出电极并接上负载 则负载就有 光生电流 流过 从而获得功率输出 太阳能光伏发电的工作原理 半导体物理知识简介根据导电能力的好坏 固体可以分为导体 绝缘体和半导体三类 本征半导体 纯净的半导体成为本征半导体N型半导体 在硅晶体中掺有微量的5价杂质 如磷原子 掺杂后的晶体含有多余的自由电子 由于自由电子带负电 故称这种掺杂后的硅为N型半导体 N Negative P型半导体 在硅晶体中掺有微量的3价杂质 如硼原子 掺杂后的晶体造成电子短缺 那些失去电子的地方成为空穴 由于空穴可以接受相邻的电子而向周围传递 故等同于带正电的自由粒子 故称这种掺杂后的硅为P型半导体 P Positive 太阳能电池将光能转换为电能的工作原理主要为3个过程 1 太阳能电池吸收一定能量的光子后 半导体内产生电子 空穴对 称为 光子载流子 两者的电性相反 电子带负电 空穴带正电 2 电性相反的光生载流子被半导体p n结所产生的静电场分离开 3 光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正 负极所收集并在外电路中产生电流 从而获得电能 太阳能光伏发电的工作原理 太阳能电池 太阳能是一种辐射能 它必须借助于能量转换器才能变换成为电能 这个把太阳能 或者其他光能 变换成电能的能量转换器 就叫做太阳能电池 太阳能电池1954年诞生于美国贝尔实验室 随后1958年被用作 先锋1号 人造卫星的电源上了天 这种电池使人造卫星的电源可以安全工作达20年之久 从而彻底取代了化学电池 为航天事业提供了一种新的能源动力 同质结太阳能电池异质结太阳能电池肖特基太阳能电池多结太阳能电池液结太阳能电池 按照结构分类 硅太阳能电池 用的最多 化合物半导体太阳能电池有机半导体太阳能电池薄膜太阳能电池 按照材料分类 表1世界太阳能电池年增长率和累计安装量 数据来源 PVNewsMarch 2008PaulMaycock 世界太阳能电池产量排名 数据来源 PVNews2008March 表三 2007世界前16位太阳能电池生产厂商以及其在2006年 2007年的产量 数据来源 PVNewsVol 27 No 3 March2008 中国太阳能光伏发电国内应用市场现状 2007年 中国太阳能电池产量飞速增长 达到821MW 比2006年的369 5MW增长451 5MW 增幅高达1 22倍 占世界总产量的21 99 跃居世界第二位 但生产的821MW太阳能电池 国内市场应用仅为15MW 98 以上出口至国际市场 主要是欧洲市场 太阳能光伏发电系统 太阳能光伏发电系统 太阳能光伏发电系统 太阳能电池阵列 控制器 蓄电池 逆变器 交流负载 直流负载 吸收光能 发电 直流电 充电 直流电 放电 直流电 直流电 交流电 太阳能电池方阵 单体光电转换的最小单元 组件将太阳能电池单体进行串并联并封装后 就形成太阳能电池组件 可以单独作为电源使用 方阵 控制器主要由电子元器件 仪表 继电器 开关等组成 在简单的太阳电池 蓄电池系统中 控制器的作用包括保护蓄电池 避免过充电和过放电 保持电池组的输出在最大功率输出点 向负载提供合适的电压和电流等 若光伏电站并网供电 控制器系统则需要有自动监测 控制 调节 转换等多种功能 逆变器如果负载用的是交流电 则在负载和蓄电池之间还应该配备逆变器 逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V的交流电 供给负载使用 逆变器有单相和三相之分 输出波形有阶梯波 方波 正弦波等 独立和并网电站主要采用单项和三相正弦波逆变器 蓄电池蓄电池是将电能转换为化学能贮存起来 需要时 在把化学能转化为电能的一种储能装置 在光伏发电系统中 蓄电池组是一个很关键的部件 在白天阳光照射下 太阳电池组在给负载供电的同时 向蓄电池充电 到了夜晚或是在阴雨天 负载电能有蓄电池提供 目前与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池 特别是阀控式密封铅酸蓄电池 温度对太阳能光伏发电系统的影响 概念 光电转换效率太阳能电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率Pin的比值 用符号 表示 太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数 它与电池的结构 结特性 材料性质 工作温度 放射性粒子辐射损伤和环境变化有关 目前硅太阳能电池的理论光电转换效率的上限为33 左右 目前商品单晶硅太阳能电池的光电转换效率一般为16 20 商品多晶硅太阳能电池的光电转换效率一般为15 18 温度对太阳能光伏发电系统的影响 对常用的晶体硅太阳电池 温度的影响最终表现在电池电功率的变化 式中 Pmax 电池最高输出功率 0 4 K 理论值 0 65 K 测量值 可见 温度的升高会导致电池功率的下降 在没有特别考虑电池冷却的情况下 太阳电池的工作温度可达到70 或更高 此时电池的实际功率将比标准条件下的功率减少18 29 所以为了保证电池的电功率 应该保持较低的电池温度 电池板的冷却对光伏发电具有重要的意义 数据参考 卢智恒 姚强 平板式太阳能电热联用面板 太阳能学报 2006 6 太阳能电池常用的冷却方法 1 空气冷却方式在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量 可以达到降温目的 采用自然对流冷却时把铜 铝等高导热材料作为电池背板 并安装肋片 可以加强自然对流换热 采用强制对流换热 组件背面被制成通风流道 流道的入口 或同时在出入口 设置风机增强空气流动 但风机的使用会额外消耗一部分电能 2 水冷却方式水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却 水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘 典型的水冷却系统由换热器 水箱 若干连接阀门等部件组成 换热器的结构通常有管板式 流道式和水箱底座式等 太阳能电池常用的冷却方法 3 热管冷却技术热管是一种高效传热元件 同时具有很好的均温性能 非常适用于聚光条件下的电池冷却 采用热管冷却热管的蒸发端紧贴太阳电池的背面 冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热 安装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果 冷凝端采用加翅片风冷 采用热管冷却 重力平板热管紧贴电池板的背面 蒸发段在下 冷凝段在上 与水箱相连 冷凝段放出的热量被水箱中水带走 水的温度上升 可以达到45 左右 可以直接供给生活用水 供暖空调用水 从而实现热电联产 太阳能电池常用的冷却方法 太阳能光伏电池热电联产系统 针对非聚光太阳能光伏发电电池板 利用微热管阵列超导热平板对电池背板进行强制循环水冷 将电池温度控制在50 以内 同时产生45 的热水 可以用作地板辐射采暖或者生活热水 实现防止电池板过热及太阳能综合利用效率达60 左右 太阳能光伏建筑一体化 BIPV 光伏建筑一体化 BuildingIntegratedPhotovoltaic简称BIPV 是将传统幕墙 屋顶与光电转换技术相结合的一种新型建筑模式 换句话说 主要是利用太阳能发电的一种新型 绿色的能源技术 太阳能光伏建筑一体化 BIPV 1 能有效地减少建筑对常规能源的消耗 实现建筑节能 同时又使绿色能源技术与现代建筑有机地融为一体 而不会破坏建筑景观和城市景观 2 太阳能与建筑一体化结合 安装在建筑屋顶或南立面上 不需要额外占地 就地安装 就地发电上网和供应热水 不需要另外架设输电线路和热水管道 节省了大量的经费 3 太阳能产品没有任何噪声 没有污染物排放 不消耗常规的化石燃料 是清洁的绿色能源 太阳能光伏照明 太阳能城市照明系统由太阳电池 智能控制器 蓄电池和LED高效节能 直流 灯具等组成 太阳电池板 太阳 蓄电池系统 智能控制系统 发光系统 过充过放保护 开 关 独立型光伏照明系统 太阳能光伏照明 由太阳电池 控制逆变器 光控及计时器 发光体部分组成的太阳能路灯是一个可控的工作系统 只要设定好工作模式 就会达到所需的自动控灯 一般分为三种模式 控启动 光控关闭 计时控制启动 计时控制关闭 光控启动 计时控制关闭 其过程为 灯在阳光低到设定值时 传感控制启动灯工作 同时开始计时 当达到设定时间段 便使其停止工作 光伏产业未来发展趋势 1 全球光伏产业受全球金融危机影响严重 产业调整后将重现发展机遇2 技术逐步多元化 薄膜电池逐步进入市场3 中国的光伏产业国内需求开始启动 并将迅速发展 太阳能热应用技术 一 太阳能的被动式利用 所谓被动式应用是指利用房屋结构本身来完成太阳能的集热 蓄热和放热功能 主要是利用南向或者屋顶的窗户使阳光进入室内 靠室内的蓄热结构来蓄积太阳能 或者直接利用蓄热外墙来完成对太阳能的蓄积 1 1直接收益式系统 直接收益式系统结构很简单 只是将阳光可以照射到的地面和墙体做成蓄热结构 一般利用混凝土等重质材料做 白天利用其蓄积太阳能 晚间这些表面则又成为散热表面 一般这样的被动太阳房要求南向或者屋顶开设较大的采光面积 为了防止夜间散热过多 这些采光部位必须有保温措施 以改善其热工性能 为了防止夏天过热 必须配合夏天的遮阳措施或者做成如图所示的挑檐结构 一 太阳能的被动式利用 1 2集热 蓄热墙式系统 被动式太阳房的核心部件是房屋南侧的集热墙 也叫 特隆布墙 特朗伯墙 Trombewall 由透光玻璃 集热板 集热墙体 砖墙 组成 在集热墙体上 下部适当位置设置风口 其工作原理是 阳光透过玻璃照射到集热板上 集热板被加热 并有一部分热量蓄积在集热墙体内 当上下风口打开时 房间的冷空气由下风口进入集热板和墙体间的空腔 在空腔中受热上升 再由上风口回到房间 这种周而复始的热循环过程使室内温度得以提高 天热时 可以通过控制风口闸门启闭 来调节室内温度 使室内温度不致过高 而房屋的两侧面 背面及屋顶和底层地板则按照保温节能要求进行设计 二 主动式太阳能系统 2 1太阳能集热器的分类 根据集热方式的不同 目前使用的太阳能集热器主要分为两类 一类是平板型集热器 这种集热器接受太阳辐射的面积和吸热体的面积相等 由于太阳辐射强度相对较小 因此为了接受更多的太阳能 需要很大的集热面积 同时集热介质的工作温度也较低 二 主动式太阳能系统 2 1太阳能集热器的分类 另一种是聚焦型集热器 这种集热器通过采用不同的聚焦器 将太阳辐射聚集到较小的集热面上 从而可以获得相当高的集热温度和能流密度 为了减少平板集热器对环境的热损失 将集热板与盖板 侧壁与底板之间抽成真空 同时在结构上将集热板做成圆管形状 就变成了真空管集热器 二 主动式太阳能系统 2 2平板型集热器的基本结构 平板型集热器是一种利用吸热平板直接吸收太阳辐射能的集热器 它结构简单 应用广泛 平板集热器主要由集热板 透明盖板 隔热层和外壳几部分组成 在吸热板上 下方 有工作介质的流道 1 集热板集热板的作用是通过吸收太阳辐射收集太阳能 并把收集到的太阳能转变为热能 通过被加热的工作介质将热能传送到需要用热的用户处 对集热板的技术要求 可以最大限度地吸收太阳辐射 传热性能好 可以将吸收太阳辐射所产生的热能高效地传递给工作介质 有好的力学性能和耐腐蚀性能 加工简单 造价低 2 选择性吸收涂层为了提高集热板吸收太阳辐射的能力 在集热板上都覆盖着一层黑色涂层 成为太阳能吸收涂层 二 主动式太阳能系统 2 2平板型集热器的基本结构 3 透明盖板透明盖板是平板型集热器的重要部件 它的主要功能有三个 透过太阳辐射 保护集热板不受外界灰尘和雨雪侵蚀 形成温室效应 对透明盖板的要求有 太阳辐射的透热率高 红外辐射的透热率低 导热性差和耐蚀耐冲击性好 4 隔热层和外壳隔热层的作用是 减少集热板向周围环境的散热 外壳的作用是固定集热器 透明盖板和隔热层 对集热器起保护作用 常采用铝合金 不锈钢和玻璃钢制造 二 主动式太阳能系统 2 3热管式真空管集热器 热管式真空管集热器的工作原理是 太阳辐射穿过玻璃外管后投射在有涂层的金属集热管上 集热管将热量传给与其紧密结合的热管蒸发段 供蒸发段内的工质汽化 工质蒸汽流向冷凝段被凝结 凝结发放出的热量加热集热器的工作介质 凝结后的液体工质在重力的作用下回流到热管蒸发段循环工作 二 主动式太阳能系统 2 4太阳能热水器 太阳能集热器的主要用于生产热水 供用户使用 集热器是太阳能热水器的主要组成部分 一般太阳能热水器由集热器 储热水箱 循环水泵和控制系统等主要部件组成 利用微热管阵列技术 每平米200 400根独立运行的微热管 高传热性 高可靠性 可变发射率高效吸热涂层技术 高适配性 防过热 太阳能吸热部件与水路干式接触技术 无焊接 无泄漏 无结垢 无冻结 独特热交换水路设计技术 高承压 防结垢 防冻结 无焊接 无泄漏 高可靠性 微热管阵列玻璃真空管集热技术 热水系统的防过热技术 二 主动式太阳能系统 2 4太阳能热水器 产品特点克服了传统玻璃真空管集热器易爆裂 严重结垢 不承压 热响应慢 效率低等缺点 尤其适用于极寒冷地区集热 还可以直接对现有玻璃真空管热水器进行修复和更换 达到节约资源的目的 二 主动式太阳能系统 2 4太阳能采暖系统 考虑防冻及抗冻 二 主动式太阳能系统 2 4太阳能采暖系统 太阳能采暖系统 其实就是太阳能热水系统的进一步发展 实际上 太阳能采暖系统通常可以跟太阳能热水系统联合使用 在此情况下 一方面 要适当增加太阳集热器的采光面积 二是要使用抗冻或防冻的真空管集热器 另外一种太阳能采暖系统是把太阳集热器与水 水热泵结合起来 即由太阳集热器为热泵提供低温热源 再由热泵为建筑物提供采暖需要的热水 二者比较 后者能达到较大的采暖建筑面积和集热器采光面积比 且可采用较低的集热器运行温度 但是需要消耗更多的电能来驱动热泵 因此使用有一定的局限性 二 主动式太阳能系统 2 4太阳能空调系统 太阳能制冷空调一般用太阳能集热器与吸收式或吸附式制冷剂相结合来实现 二 主动式太阳能系统 2 4太阳能空调系统 太阳能空调系统中 集热器的作用主要是向制冷机提供发生器所需要的热源 因而为了使制冷机达到较大的性能系数 COP 应当有较高的集热器运行温度 太阳能吸收式空调系统可以实现夏季提供制冷 冬季提供采暖 过渡季节提供生活热水 同一套系统可以满足全年不同季节的制冷 采暖和热水的要求 因而显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性 当然太阳能的利用还不止这些 比如太阳能热发电 太阳能干燥 太阳能海水淡化 太阳能利用未来趋势展望 未来趋势 太阳能技术在建筑中应用的未来发展趋势是建筑太阳能一体化 它是指利用太阳能光伏技术及太阳能热利用技术 太阳能空调技术 把太阳能材料与建筑材料相结合 建成的具有节能及环保特点的现代化建筑 展望及建议 1 能源问题日益凸现 太阳能等新型可再生能源将是未来的主流 也是解决能源问