太阳能发电在绿色建筑中应用的必要性及优势.pdf

太阳能并网发电系统在绿色建筑中的节能减排作用和应用方案随着我国的工业化、城镇化快速发展 ,我国的资源和环境将面临越来越大的压力 ,经济的发展离不开能源的支撑 ,节约能源、发展绿色建筑成为人们关注的焦点。 我国能耗的几个大户主要是建筑能耗、工业能耗、交通能耗。建筑能耗已占到全社会终端能耗的 30％左右 ,再加上建材生产和运输的能耗已经达到 40％多。因此 ,建设资源节约型社会，建筑节能、绿色建筑等建设工作将成为大势所趋。国 家 在 2006 年 3 月 颁 布 了 《 绿 色 建 筑 评 价 标 准 》(GB/T50378-2006)，这是我国批准发布的第一部有关绿色建筑的国家标准。国家推广新型建筑材料的一般性法律法规、政策 [6] 。绿色建筑设计理念包括以下几个方面：1、节约能源充分利用太阳能， 采用节能的建筑围护结构。 根据自然通风的原理设置风冷系统， 使建筑能够有效地利用夏季的主导风向。 建筑采用适应当地气候条件的平面形式及总体布局。2、节约资源在建筑设计、 建造和建筑材料的选择中， 均考虑资源的合理使用和处置。要减少资源的使用，力求使资源可再生利用。3、回归自然绿色建筑外部要强调与周边环境相融合，和谐一致、动静互补，做到保护自然生态环境。随着全球气候的变暖，世界各国对建筑节能的关注程度正日益增加。人们越来越认识到，建筑使用能源所产生的 CO2是造成气候变暖的主要来源。节能建筑成为建筑发展的必然趋势，绿色建筑也应运而生。一、 太阳能与传统能源比较之优点：1、 “ 可再生 ”石油、 煤等传统化石能源目前已经濒临枯竭， 据国际权威研究机构研究表明，石油最多还能够开采 80 年，煤也不过一百多年，意味着一百多年后，为了生存，人类必须寻找新的可替代能源， 而太阳能则取之不尽、 用之不竭， 太阳的寿命据科学家推测，还有几亿年， 到时我们有充足的时间去寻找能够满足我们生存需要的新的能源！ （几亿年，相对人的生命，已相当长了，所以可以使用 “ 可再生 ” 这个词）2、绿色、环保、无污染太阳能直接把光能转换为热能、 电能， 技术路线为纯物理方式， 与传统能源的化学物理方式相比较， 能源利用过程中不存在化学过程， 即太阳能在为人类所需能源的过程中， 不会产生有害物质 （传统能源在转换过程中必然产生的、 目前我们已知的二氧化碳、一氧化碳、硫化物、粉尘等） ；3、分布式供能，可靠性高太阳能的利用可以改变目前传统能源的集中型的供能方式，可以充分利用城市的屋顶铺设太阳能光伏发电板、 制热装备， 组成分布式的能量供应体系，彼此互联、互通，在自然灾害、战争发生时，部分区域受到破坏时，仅为该区域受到影响，不会影响其他，能够最大限度的保障社会各种生产、生活活动的运行，不会造成致命的影响。正因为太阳能拥有以上优势， 所以建筑物利用太阳能来达到节能减排成为一种可能。 太阳能与建筑一体化就变成了绿色建筑的重要发展方向 ,太阳能建筑系统是绿色能源和新型建筑两大革命理念的交汇点 ,当今世界上发达国家都予以充分重视。 1996 年以来 ,德国、 美国、 日本分别开始实施 “ 1000光电屋顶计划 ” , “百万屋顶计划 ” , “新阳光计划 ” 。 在以色列 ,几乎所有的住宅都安装了太阳能光伏发电系统 ,目前我国消费者正以每天超过 8000 套的速度购买住房 ,这些都将消耗大量能源 ,造成环境危机和能源危机 ,日益威胁着人类生存和发展 ,就此 ,国务院近年来也做出批示 ,大力支持可再生能源的开发 ,重点扶持太阳能光伏发电。光伏发电不产生任何环境污染 ,是满足未来社会需求的理想能源。随着光伏发电技术的深入发展 ,转换效率的逐步提高 ,系统成本的日趋合理 ,以及相关的分布式发电技术、智能电网等的完善 ,相信光伏发电这种绿色能源将成为未来社会的重要能源。二、太阳能发电在绿色建筑中的应用及设计理念一般的建筑物外围表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃 ,目的是为了保护和装饰建筑物。采用光伏器件代替部分建筑材料 ,即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户 ,这样既可用做建筑材料也可用以发电 ,可谓物尽其用。对于框架结构的建筑物 ,可把其整个围护结构做成光伏阵列 ,选择适当光伏组件 ,既可吸收太阳直射光 ,也可吸收太阳反射光。三、绿色建筑光伏建筑一体化 (BIPV) 系统的优势光伏建筑一体化就是将光伏发电系统和建筑幕墙、 屋顶等围护结构系统有机的结合成一个整体结构 ,不但具有围护结构的功能 ,同时又能产生电能 ,供建筑使用。光伏建筑一体化有以下一些优势 : 1、建筑物能为光伏系统提供足够的面积 ,不需要另占土地 ,还能省去光伏系统的支撑结构；太阳能电池是固态半导体器件 ,发电时无转动部件、无噪声 ,对环境不造成污染。2、 可原地发电、 原地使用 ,减少电力输送过程的费用和能耗、省去输电费用；自发自用 ,有削峰的作用 ,带储能的可以用作备用电源。3、使用新型建筑维护材料，替代了昂贵的外装饰材料 (玻璃幕墙等 )，减少建筑物的整体造价；系统安装与建筑施工结合 ,节省安装成本； 分散发电， 避免传输和分电损失 (5％～ 10％ )， 降低输电和分电投资及维修成本；并使建筑物的外观更有魅力。4、因日照时处在高压电网用电高峰期 ,BIPV 系统除保证自身建筑内用电外，多余电量可以向电网供电 ,舒缓了高峰电力需求 ,解决电网峰谷供需矛盾 ,具有极大的社会效益和经济效益。5、杜绝了由一般石化燃料发电所带来的严重空气污染 ,这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。就公共照明工程而言 ,其特点是占地面积大 ,对灯光的亮度要求不高 ,但由于其灯具分布面广 ,若采用常规电源 ,输电线路的分布难度大 ,成本高 ,而光伏发电系统可根据环境条件组成若干个独立供电系统 ,每个系统可根据负载需要来确定供电系统的容量 ,可以结合建筑的要求进行整个公用照明系统的设计与布局 ,不仅景观效果好 ,在经济上也有优势。光伏建筑一体化产生的电力 ,不仅可以解决住宅小区用电 ,还可以解决公共设施用电 ,如电梯、楼梯照明、公共区域照明 ,也可用于办公楼、写字楼的照明用电。四、并网的太阳能发电系统原理太阳能发电的主要部件是太阳能电池组件 ,太阳能发电系统就是由电池组件将太阳能直接转变为电能经变换后给用户使用。太阳能发电系统，由太阳能电池板方阵 ,充放电控制器 ,逆变器 ,交流配电柜、太阳能组件除尘系统等设备组成。其中交流配电柜、太阳能组件除尘系统等设备是太阳能发电系统的辅助设备 ,在提高发电效率 ,维护系统寿命方面起着关键作用。太阳能发电系统的组成及作用 : 1、太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分 ,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能转换为电能 ,或输送到电网里卖给电网 ,或带动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。2、太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态 ,并起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方 ,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。 其他附加功能如光控开关、 时控开关都应当是控制器的可选项。3、逆变器在很多场合 ,都需要提供 220VAC、 110VAC 的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC 、 24VDC 、 48VDC 。为能向 220VAC 的电器提供电能 ,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能 ,因此需要使用 DC/AC 逆变器。 由于太阳能电池和蓄电池是直流电源 ,而负载需要交流供电时 ,逆变器是必不可少的。4、交流配电柜电站系统的主要作用是对备用逆变器施行切换功能 ,保证系统的正常供电 ,同时还可对线路电能进行计量。5、全自动控制系统虽然上千块太阳能电池板复杂地连在一起并网发电 ,但管理起来却非常方便 ,这得益于光伏技术人员研发的全自动控制系统。太阳能电池板发出来的是直流电 ,而太阳能并网发电系统则是将太阳能电力用设备直接并入电网使用。 就是通过专用设备将太阳能电池板发出的直流电 ,转换成符合电网要求的交流电。经过升压后的太阳能电力 ,可以达到与常规电力一样的要求 ,满足生产和生活需要。这些复杂的控制和转换 ,可由光伏发电数据控制系统进行全面控制。控制系统位于建筑地下一层的总控室内 ,通过操纵电脑 ,并网发电的管理和维护非常简单、高效。此系统甚至可以方便地对每一块电池板的使用进行监控 ,整座建筑所有太阳能电池板都实现了模块化安装和维修 ,如果其中一块发生了故障 ,可以方便地将这一块进行更换 ,而不会对整个系统产生影响。同时 ,这个系统可以实时记录建筑并网工程的发电量，而设在控制室中的液晶显示器， 可随时显示大厦发电量、 总发电量以及太阳能辐照度等天气参数 。五、薄膜太阳能发电系统的优势光伏产业目前有晶硅和薄膜两种技术路线。晶硅太阳能电池优点是转化率比较高，缺点是生产过程有污染，仅适用于强光环境，在弱光下不能发电，且寿命短。相比之下，薄膜组件无污染， 适用于强光、 弱光和散射光的环境， 寿命长，但技术门槛和资金门槛比较高。晶硅光伏发电与薄膜光伏发电对比1、安装范围及前瞻性对比薄膜光伏发电系统安装范围更广，可以适用于光伏建筑一体化，类似于玻璃幕墙，晶硅光伏发电由于组件笨重，硅片易碎，安装范围大大缩小，薄膜光伏发电组件是趋于第二代光伏组件产品，目前国外技术都在致力于研究发展薄膜光伏，目前汉能并购了 Miasole 和 Solibro 两大先进技术的薄膜公司，国内今后几年，最先进的薄膜技术将由汉能发起行业里光伏发电技术革命。2、组件衰减及重量对比目前晶硅光伏组件实际衰减较快，理论上晶硅光伏组件宣传25 年总衰减率为 20% ， 但实际前 五年衰减率就会产生 10%左右的衰减，同比相同面积组件重量偏重，实际寿命在十五年左右；第二代光伏发电产品，薄膜组件在衰减性方面远远超过了晶硅光伏组件产品，实际组件寿命更长。3、单位面积投资成本对比目前人们对晶硅光伏发电产生了一个误区，认为多晶硅光伏系统单位面积光电转化效率高于薄膜光伏组件单位面积的转化率，但实际光电转化率作用对于投资回报是不成正比的。举例说明一下： 1 万平方米屋顶光伏电站多晶硅光伏系统可装机容量为 1MW 左右，薄膜装机容量为 0.8MW 左右，1 万平方米多晶硅光伏系统总造价为 950 万，薄膜光伏系统总造价为 750 万， 多晶硅光伏电站和薄膜光伏电站 IRR 基本是相同的，由此可见，单位面积电站投资多晶硅反而更高。4、弱光性对比多晶硅光伏发电系统要在一定光强条件下才能运行发电，一般在阴雨天整个发电系统处于停止阶段，而薄膜光伏发电系统对于阳光吸收范围更广， 400-1100 纳米的光强都能转换为电能，弱光性好，在一般的阴雨天都能运行发电，为企业单位提供一定电能，多晶硅光伏系统在阴雨天则不能提供电能，由此可见，单位功率相同的光伏电站年发电量薄膜光伏电站比晶硅光伏电站会高出很多。5、发电量对比单位功率相同情况下，晶硅与薄膜发电量是大致相同的，年均 1MW 发电量约为 95 万度电。为此，投资光伏电站多晶硅反而投资金额及风险都很大，光伏发电项目，薄膜光伏电站是较理想的选择 。