太阳能光伏发电技术在建筑工程中的应用(1)

目录 摘要 2 关键词 3 引言 3 第一章 四号黑体 绪论 1 1 太阳能与建筑结合的优点和优势 3 1 2 太阳能建筑在国际上的发展策略 4 1 2 1 太阳能在中国建筑中的发展方向 4 1 2 2 太阳能在西方国家的发展 5 1 3 太阳能光伏发电技术在建筑中的技术应用及存在的问题 6 1 3 1 太阳能光伏发电技术在建筑中的技术应用 6 1 3 2 太阳能光伏发电技术在建筑中存在的问题 7 第二章 太阳能光伏发电建筑一体化概述 2 1 光伏建筑定义与原则 7 2 1 1 光伏建筑的定义 7 2 1 2 光伏建筑的原则 7 2 1 3 光伏和建筑的结合方式 8 2 1 4 传统建筑与现代光伏工程技术和理念的融合 9 2 2 光伏建筑系统的设计 9 2 2 1 当地气候参数的搜集 10 2 2 2 负载情况分析 10 2 2 3 光伏组件最佳斜角确定 11 2 2 4 光伏发电系统整体设计原则 11 2 3 太阳能发电 光伏 的施工及维修 11 2 3 1 太阳能光伏建筑施工个流程 11 2 3 2 光伏电池板的安装及维护 11 2 3 3 蓄电池的安装与维护 12 2 3 4 逆变器的安装 12 2 3 5 电子线路的安装 12 2 4 太阳能发电 光伏 建筑设计 13 2 4 1 一般规定 13 2 4 2 规划设计 13 2 4 3 建筑设计 13 2 4 4 结构设计 14 2 4 5 太阳能光伏系统特点 14 第三章 太阳能建筑的典型应用模式 3 1 国传统居民建筑的节能 理念 15 3 2 太阳能光伏发电与建筑一体化的发展任重道远 15 3 3 我国相关工程介绍 15 3 3 1 青岛客运站 16 3 3 2 北京奥体中心体育场 16 3 3 3 浙江义乌国际贸易三期 16 结论 17 致谢 17 参考文献 17 摘 要 当今 全人类都在面临着气候变化 空气污染和资源短缺的危机 可持续发展已经 成了人类发展的共同目标 人类追求建筑的功能和舒适的同时 建筑能耗不断增长 人 类开始越来越认识到 建筑使用能源所产生的 CO2是造成气候变暖的很大一部分来源 于 是节能 降耗 绿色 健康 成为全世界对未来建筑的共同追求 节能型建筑成了未来 建筑发展的必然趋势 由此绿色建筑也应运而生 绿色建筑对全社会的节能减排起到决 定性作用 太阳能是一种无污染的能源 也是人类可利用的丰富资源 我国有着丰富的太阳能 资源 每年获得的太阳能约为 相当于 万 标准煤的热值 约占全国国土面积 的地区年平均辐射总量在 年日照时数超过 相当于 标准煤的热值 因此 研发太阳能在建筑中综合利用的技 术 探究太阳能光伏发电技术与建筑的有机结合将具有积极而深远的意义 太阳能利用 是世界新能源与可持续发展战略的重要组成部分 太阳能技术的应用的能能缓解能源紧 张 减少污染和 CO2排放 利用太阳能减少建筑消耗和改善建筑物理环境建筑的一个重要 的发展方向 太阳能光伏建筑一体化业将是 21 世纪最重要的新兴产业之一 光伏建筑一 体化太阳能将成为功效最佳 价格最低廉的替代新能源 太阳能光伏建筑一体化发展任 重道远 关键词 绿色建筑 绿色材料 可持续发展 太阳能 光伏发电 光伏建筑 引 言 2010 年 举世瞩目的上海世博会向我们走来 科技的创新为世博会提供了强大的技术支 撑 是历届世博会上令人难忘的展示亮点 在世博园区建设中 新技术 新能源 新材料被 大量采用 体现 城市 让生活更美好 的主题 全面展示世博会的场馆建设 垃圾处理 节能照明 水资源利用等方面的全新科技成果 20 世纪 60 年代 公害事件和环境污染频生 从而引发了一场绿色运动 1972 年 罗马俱乐 部发表了 增长的极限 的报告 人们开始关注生态环境问题 认识到如果人类不去保护生态 环境 那么人类发展的负效应行为将毁灭人类自己 1987 年世界环境与发展委员会提出了可 持续发展的概念 即 既满足当代人的需要又不危及后代人满足其需要的发展 1993 年的 斯图加特生态建筑展览会上提出了绿色建筑的各种设想和模型 至此 绿色建筑 生态建筑 可持续建筑等的研究与实践达到了高潮 第一章 绪论 1 1 太阳能与建筑结合的优点和优势 4 太阳能与建筑结合 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 1 太阳能技术与建筑的结合能有效地减少建筑能耗 2 太阳能与建筑有机结合 互为依托和利用 电池板和集热器安装在屋顶或屋面上 不需要额外占地 节省了土地资源 3 降低墙面及屋顶的温升 5 太阳能光伏发电可保证建筑自身的全部或大部分用电 降低对市政配套的依赖 同 时也减少了对市政建设的压力 6 太阳能产品没有噪音 没有排放 不消耗任何燃料 公众易于接受 7 太阳房是建筑节能的有效途径 是小康生活的重要条件 是可持续发展的环保产品 是国家 大力提倡的 8 太阳能光伏发电设施与建筑同步设计 配套制作 构件实现标准化 规范化 可提高热水工 程安装的质量标准和施工效率 9 有利于实现标准化 规范化 工程一体化设计 施工 杜绝了二次施工对建筑造成的破坏 和影响 1 2 太阳能建筑在国际上的发展策略 1 2 1 太阳能能源在中国建筑中的发展方向 我国太阳能源在建筑的利用始于 70 年代中期 建成实验性建筑 80 年代初建成的大 兴刘民营 新能源村 清华 天大 北京太阳能研究所和西德联合设计 我国的第一幢被动式太阳房建成于 1977 年 地点在甘肃省民勤县 是一栋南窗直接 受益结合实体集热蓄热墙的组合式太阳房 在 20 世纪 80 年代初 又通过国际合作项目 如中德新能源村 联合国开发署支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的建立使太阳房得 到进一步发展 在 六五 七五 八五 包括到 十一五 期间 国家科技攻关计 划中都列入了太阳能建筑项目 取得了一系列成效 当前 我国被动式太阳房已进入规模普及阶段 由群体太阳能建筑向太阳能住宅小 区 太阳村 太阳城发展 特别是常规能源相对缺乏 经济相对落后 环境污染比较严 重的西部地区 发展速度更为迅速 有的地区年平均递增率达 15 另外 我国首座全太阳能建筑已在北京落成 其占地 8000 平方米 该全太阳能建筑 主体建筑室内的洗浴 供热 供电等所有能源都由太阳能来提供 太阳能新村建筑南墙 屋顶坡面等位置都安装着数个太阳能集热器 这些集热器在夏季可为空调设备提供驱动 热源 在冬季可为采暖提供保障 此外 建筑内还安装了全国最大的太阳能发电系统 投入运营后可提供 50 千瓦的电力 满足日常用电所需 该工程是奥运场馆的试验性建筑 并且今年我国奥运场馆的部分项目也将使用太阳能技术 目前 在江苏 浙江 安徽 山东和北京等地已有一些太阳热水器生产厂商主动联 合当地的建筑设计院进行太阳热水器与小区住宅一体化设计的试点和示范 取得了较好的 效果 总之 太阳能在降低建筑能耗上的作用是不可低估的 相对其他可再生能源来说 太阳能具有一些特有的优势 更利于与建筑结合 应用到建筑领域 因而大力发展太阳 能是我国乃至全世界发展可再生能源 实现建筑能源管理的重要方向 1 2 2 太阳能在西方国家的发展 美国 MIT 于 30 年代开始研究 90 年代达到 25 栋 美国作为一个发达国家 建筑用 能已占全国总能耗的 30 90 对经济发展形成了一定的制约作用 因此 美国太阳能建 筑的发展极为迅速 为了减少能耗 降低污染 调整能源结构 实现环境保护的可持续发展 美国对太 阳能作了积极的探索 其中 百万太阳能屋顶计划 就是规模最大 涉及部分最多 正 在逐步实现的项目计划 该计划是美国面向 21 世纪的一项由政府倡导 发展的中长期计 划 到 2010 年 百万屋顶计划将生产相当于 2 3 个燃煤发电厂的电力 不仅满足建筑物 自身的电力需求 而且有的地方已经在出售由太阳能所产生的电力 最近 美国科学家又把寻找新能源的目光投向了浩瀚太空 科学家设想 通过向太 空发射带有能量搜集装置的卫星 装置在巨型卫星上的太阳能电池板可以搜集太空能量 并将其搜集的能量转化为微波传送回地球 再转化为直流电 从而为人类提供 廉价 清洁 安全 可靠 可持续 可增加 的能源 欧美国家对太阳能开发和利用走在世界的前列 在太阳能的利用过程中 热利用技 术是很重要的一块内容 针对太阳能热水系统初始投资大 回收时间较长 尚未制定用 于太阳采暖的标准以及一些决策者对太阳能知识不了解 太阳能热水系统还未完全被消 费者接受等问题 欧洲一些国家克服障碍 推动太阳能热水器的应用 现在欧洲一些 国家普遍认为被动式太阳能采暖技术将成为本世纪建筑设计的趋向 世界上普遍认为使 用 热泵 具有节约能源 节约材料 减轻城市空气污染等优势 对建筑供热是一种很 有发展前途的热源设备 将热泵与太阳能集热器联合运行 这样可以解决冬季太阳能供 热中存在的水温低 利用时间短 利用经济性差等问题 德国建筑学家设计制造成功一种向日葵式的旋转房屋 它装有如同雷达一样的红外 线跟踪器 只要天一亮 房屋上的马达就开始启动 使房屋迎着太阳缓慢转动 始终与 太阳保持最佳角度 使阳光最大限度地照进屋内 夜间 房屋又在不知不觉中慢慢复位 这种建筑能够充分利用太阳能 保证房屋的日常供热和用电 又能将光能储存起来 供 阴雨天和夜晚使用 1 3 太阳能光伏发电技术在建筑中的技术应用及存在的问题 1 3 1 太阳能光伏发电技术在建筑中的技术应用 目前 太阳能光伏发电技术与建筑物相结合研究最多的是建筑光伏一体化系统 该系统能将太阳能发电机组完美的集成于建筑物的墙面或屋顶上 其工作 原理与普通的光伏发电系统完全相同 唯一区别是太阳能组件既被用作系统发电机 又 被用作建筑物外墙材料 用于 系统的光伏构件既可以是透明的也可以是半透明 的 这样光线依然能透过光伏构件进入室内 不影响室内采光 采用 系统 可 就地发电 就地使用 且具有诸多优点 利用太阳作为能源发电可达到节能与环保的要 求 节省了电网投资和减少了输送损失 彩色光伏模块可取代昂贵的外饰材料 不仅具 有装饰效果而且降低太阳能发电系统成本 缓解电力需求 作为建筑物外围护具备隔音 隔热的作用 改善室内热环境 建筑光伏一体化系统成本较高 短时期内在建筑中难以 应用 其高额成本主要源自光电转换系统价格较高 并不存在太多设计上的难度 从我 国目前状况来看 对这种太阳能利用的方式的研究也应保持在小规模 仅以跟踪国际研 究为主 太阳能光热技术在建筑节能中应用最为广泛的是太阳能热水及被动太阳能采暖技术 为了同时满足用户的需求和城市景观的要求 太阳能热水系统开始向实用 美观和与建 筑有机结合的方向发展 与建筑的一体化结合已成为太阳能热水系统发展的目标和方向 太阳能发电系统对太阳能的光电转化率低下 光和热被大量的流失掉 而热 电 热的能量二次转化增加了能量在转换和传输的过程中的损失 使得太阳能的利用率更为 低下 针对以上情况 国内外学者提出太阳墙 光伏组件与建筑墙体一体化 集发电 采暖 通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系统 我国 世纪 年代就开始研究 开发和示范被动太阳能采暖建筑 至今已推广约 万 建筑面积 目前被动 太阳能房开始由群体建筑向住宅小区发 1 3 2 太阳能光伏发电技术在建筑中存在的问题 1 造价高 2 太阳能发电的成本高 3 太阳能光伏发电的不稳定性 受天气影响 4 充电控制器遭受雷击 5 管理体制过于分散 激励政策体系不健全 全民教育与理念传播不够等都是制 约太阳能建筑发展的相关因素 6 节能设计标准不规范等因素制约太阳能建筑发展 第二章 太阳能光伏发电建筑一体化概述 2 1 光伏建筑定义与原则 2 1 1 光伏建筑的定义 是一种新的建筑方式随光伏技术发展应运而生 将太阳能发电 光伏 产品集成或结 合到建筑物的技术 在建筑物的外围结构表面上布设光伏器件产生电力 从而使建筑物 产生绿色能源 这就是太阳能光电建筑 主要是根据节能 环保 安全 美观和经济实 用的总体要求 将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域 2 1 2 光伏建筑的原则 建筑本身应该具有美学形式 而光伏发电系统与建筑的整合使建筑外观更加具有魅 力 建筑中的光伏组件的使用很好地利用了太阳能 极大地节省了建筑对能源的使用 而且还丰富了建筑立面设计和立面荚学 BIPV 设计应以遵守不损害和影响建筑的效果 结构安全 功能和使用寿命为基本原则 任何对建筑本身产生损害和不良影响的设计都 是不合格的设计 2 1 3 光伏和建筑的结合方式 1 光伏系统覆盖在建筑屋顶上 组成光伏发电系统 叫作 BAPV Building attached photovoltaics 比如屋顶的光伏电站 如 图2 1 3 1 2 建筑材料与光伏器件相集成 用光伏器件直接代替建筑材料 即光伏建筑一体化 叫作 BIPV Buildingintegrated photovoltaics 这样不仅可开发和应用新能 比如将太阳光伏电池 与玻璃幕墙 窗户玻璃 屋瓦等集成在一起 源 还可与装饰美化合为一体 达到节能环保效果 是 今后的发展光伏应用发展的趋势 如 图2 1 3 2 图 2 1 3 1 图 2 1 3 2 2 1 4 传统建筑与现代光伏工程技术和理念的融合 引入建筑整合设计方法 发展太阳能与建筑集成技术 建筑整合设计是指将太阳能 应用技术纳入建筑设计全过程 以达到建筑设计美观 实用 经济的要求 BIPV 首先是 一个建筑 它是建筑师的艺术品 其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果 建筑应 该从设计一开始 就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以 设计 巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中一体设计 使太阳能系统成为建筑 组成不可分割的一部分 达到与建筑物的完美结合 2 2 光伏建筑系统的设计 表 2 2 太阳能光伏系统分类 分类方式分类备注 并网光伏系统 与公共电网之间应设隔 离装置 是否介入公共电网 独立光伏系统 按是否有储能装置带有储能装置系统 不带有储能装置系统 直流系统 交流系统按负荷形式 交直流混合系统 小型装机系统 装机容量 20Kw 中型系统 20Kw 装机容量 100Kw 按系统装机容量大小 大型系统 装机容量 100Kw 宜设置独立机房 机房 内应设置配电柜 仪表 柜 并网逆变器 监视 器以及储蓄装置 限带 有储蓄装置系统 等 逆流光伏系统 大型逆流并网光伏系统 应配置两台调度电话 按是否允许通过上级变 压器向主电网馈电 非逆流光伏系统 集中并网系统 按并网光伏系统在电网 中的位置 分散并网系统 2 2 1 当地气候参数的搜集 在设计之前应该收集当地气象数据资料 包括当地的太阳能辐射以及温度变化等 一般来说 气象资料无法做出长期观测 只能根据以往 10 20 年的平均值作为设计依 据 但是 很少有独立光伏发电系统建设在太阳辐射资料齐全的城市 而偏远地区的太 阳辐射数据可能与邻近城市的数据资料并不类似 因此在设计过程中要考虑这一类的偏 差因素 另外 从当地气象部门得到的气象数据资料 一般只有水平面得太阳辐射量 需要根据理论计算换算出光伏板表面的实际辐射量 2 2 2 负载情况分析 负载计算是独立太阳能光伏发电系统设计的重要内容之一 通常的办法是列出负载 的名称 功率要求额定工作电压和每天的用电小时数 然后将负载和工作电压进行分组 计算每组的总功率要求 再选一天系统的工作电压 计算整个系统在这一天工作电压下 所要求的平均安时数 在交流负载为主的系统中直流系统电压应当与选的逆变器输入电 压相适应 一般独立太阳能光伏发电系统 交流负载工作电压为 220V 直流负载电压为 12V 或其倍数 2 2 3 光伏组件最佳斜角确定 光伏版的安装形式有固定安装和自动跟踪两种 对于固定式光伏系统一旦完成 光 伏板的方位角和倾斜角就无法改变 而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统可以自动 跟踪太阳的方位 使光伏板一直朝向太阳光 接收最大的太阳辐射值 2 2 4 光伏发电系统整体设计原则 应根据新建建筑或既有建筑的使用功能 电网条件 负荷性质和系统运行方式等因 素 确定光伏系统为安装型 建材型或构件型 2 3 太阳能发电 光伏 的施工及维修 2 3 1 太阳能光伏建筑施工个流程 施工安装人员必须根据现场的实际情况来选择即将被使用的实际光伏板类型 并计 算阵列中模组的数量 此外电池板的倾斜角 遮挡阴影与通风将影响阵列的电气特性 改变系统的绩效 因此施工人员可以按以下顺序指定和安装 1 根据设计需要选择适合的太阳能光伏板 然后为光伏阵列选择适当的安装方法与 安装场所 包括安装地点占用面积的选择 建筑体的支撑强度 地面安装光伏电池板时 应考虑防止雷击的措施 2 选择蓄电池的类型 及蓄电池组的安装场所 3 选择必要的功率调节元器件 逆变装置 接线盒及控制柜的安装位置 4 指定相关的安全装置与开关设备 5 进行电力线路系统配置 指定电缆线尺寸和类型 6 准备完整的零件与工具一览表 以便订货和核实 2 3 2 光伏电池板的安装及维护 光伏发电系统中的光伏阵列式以不同类型 尺寸与形状出现 安装过程中 太阳能 电池板的表面应该有覆盖物 从而减小电池板电气性能的损伤 同时 电池板的安装与 布线应力求简单 个别电池板的替换应该不需要撤销整个光伏阵列 1 光伏电池板的安装及维护要考虑的问题 光伏阵列的安装位置 光伏阵列的安装类型 支撑结构和地基 光伏阵列的安装间距 遮挡对光伏系统的影响 要轻拿轻放太阳能电池按 避免碰撞敲击划伤电池板 影响其发电的性能 以及缩短使用寿命 应该定期用清水冲洗 然后用布轻轻的擦干 太阳能电池板组件接线盒要定期检查 避免风化 2 3 3 蓄电池的安装与维护 放置蓄电池的位置应选择在离太阳能电池方阵较近的地方 蓄电池应放在通风良好 不受阳光直射的地方 不能直接放在潮湿的地面上 要放置在专门场所避免与金属物接 触 各接线夹头和蓄电池电极必须保持紧密接触 由熟练技术人员担任指导做好初充电 工程 2 3 4 逆变器的安装 1 在安装时应注意事项 检查线经是否符合要求 检查各部件及端子在运输中是 否有松动 检查应绝缘的地方是否绝缘良好 检查系统的接地是否符合规定 应该保证 周围内没有任何其他电力电子设备的干扰 2 在进行维修注意事项 首先断开逆变器与电网的电气连接 然后断开直流侧电 气连接 操作前初步目视检查设备有无损坏或其它危险状态 内部元件放电完毕方可进 行维修工作 避免不必要的电路板接触 2 3 5 电子线路的安装 首先把电池串的母线接到太阳板的母线上 以便最大限度的减小插件的芯数以及最 大限度的提高电输出的分辨率 然后把不断增加的线路连接起来 朝着负载的方向线路 的规模逐渐增大 在布线时应该谨慎小心 不得在锐边上布线 应配备热伸缩环 提供 足够数量和质量的导线的固定点 处于内部的导线将要在较高的温度下工作 因此 采 用的线号应当降低使用 2 4 太阳能发电 光伏 建筑设计 2 4 1 一般规定 光伏发电系统在工业和民用建筑中发的规划设计应该根据建设地点的地理 气候及 太阳日照资源等条件因素 确定建筑的布局 朝向 间距 群体组合和空间环境 满足 光伏系统设计和安装的技术要求 应结合建筑的功能 外观 安装场地以及周围环境条 件 合理选择光伏组件的类型 色泽及安装位置 不得影响所安装部位的建筑功能 外 观应与建筑统一协调 让光伏系统成为建筑的有机组成部分 光伏系统设计应与建筑设计 建筑结构设计等相关专业要密切配合 共同来确定光伏 系统各组成部分在建筑中的位置 安装在建筑各部位或直接构成建筑围护结构的光伏组 件 应满足建筑该部位的使用功能 建筑节能 结构安全及使用功能和电气安全等要求 并应配置带电警告标识及电气安全防护设施 以免造成不必要的严重后果 光伏组件的使用期限应符合国家 行业的有关现行标准的规定 2 4 2 规划设计 太阳能系统规划设计应进行太阳能辐射 建筑物 电网等方面的评估 在建筑物上 安装光伏系统不能降低建筑物本身或者是周围相邻建筑物的日照标准 避免周围环境景 观 绿化种植及建筑自身的构件的投影遮挡投射到光伏组件上的阳光 要尽量避免对建 筑本身或者是周围建筑物群体的二次辐射光污染 2 4 3 建筑设计 安装光伏组件的建筑部位在冬至日全天日照应不低于 3h 并在安装光伏组件的部位 采取安全防护措施 并满足其所在部位的建筑防水 排水 雨水 隔热及节能等功能要 求 1 光伏组件在安装屋顶设置应满足以下要求 应保障屋面排水通畅 采用固定式或可调节式安装支架 其支架基座下应增设附加防水层 满足冬至日上午 9 00 至下午 15 00 不遮挡太阳光在在光伏组件的投射 周围屋面 检修到及建筑物本身屋面出口和和光伏方阵之间的人行道要曾设 保护层 人行道也应铺设保护层 2 光伏组件安装在墙面及窗面上应满足以下要求 墙面或窗结构主体上的预埋件牢固连接锚固 并不应影响墙体的保温构造和 节能效果 光伏组件应有适宜的倾斜角度 避免光伏构件对房屋本身的采光系统和日照要求的影响 尽量与墙体或窗的装饰材料 颜色 分格等协调 做到不影响建筑本身的美 观 不能影响窗面采光 通风 节能等围护结构功能要求 2 4 4 结构设计 应根据光伏系统的类型 对光伏组件的安装结构 支撑光伏系统的主体结构或结构 构件及相关连接件进行相应结构设计 结构设计应与工艺和建筑专业相配合 合理确定 光伏组成部分在建筑中的位置 光伏建筑结构荷载取值应符合 建筑结构荷载规范 GB 50009 2001 的规定 2 4 5 太阳能光伏系统特点 1 节能 以太阳能光电转换提供电能 取之不尽 用之不竭 2 环保 无污染 无噪音 无辐射 3 品位高 科技产品 绿色能源 使用单位重视科技 环保 形象档次提升 4 适用广 太阳能源于自然 所以凡是有日照的地方都可以使用 5 灵活 出入电网灵活 既有利改善电力系统的负荷平衡 又可降低线路损耗 6 建筑美感 建筑的使用功能与太阳能的利用有机地结合在一起 形成多功能的 建筑构件 巧妙高效地利用了空间 第三章 太阳能建筑的典型应用模式 3 1 我国传统居民建筑的节能 理念 传统民居 是指那些乡村的 非官方的 民间的 一代又一代