太阳能发电在绿色建筑中的应用
- 2012/7/30 9:57:44 作者：徐红志 来源：UPS应用
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在建筑中融入绿色元素已成为建筑发展的趋势，而绿色建筑也是当今世界建筑的主流。太阳能在绿色建筑的应用越来越被广大用户所接受，代表太阳能尖端先进的光伏发电将成为绿色建筑的主角。
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、发展绿色电力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、绿色建筑建设工作将成大势所趋。
1.太阳能发电系统的原理
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并储存经变换后应用。太阳能发电系统（如图1所示）由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜、太阳能跟踪系统、太阳能组件除尘系统等设备组成。其中交流配电柜、太阳能跟踪系统、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。
图1 太阳能发电系统
太阳能发电系统组成部分的作用：
（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，或输送到蓄电池中存储起来，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；太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
（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，并对蓄电池起到过充电保护、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；由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
（3）蓄电池组
电池储能系统一般配置铅酸蓄电池，在一些微小型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。
（4）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，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。
（5）交流配电柜
其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。
（6）太阳能跟踪系统
太阳能跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。最大限度的提高太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。
2.太阳能发电在绿色建筑中的应用设计理念
一般的建筑物外围护表面采用涂料、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，可谓物尽其美。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，还可使建筑外观更具魅力。
3.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和维修成本；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，还可以向电网供电，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。
（5）杜绝了由一般化石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。
4.太阳能发电在建筑项目上的应用
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，不仅可用于解决住宅小区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。
5.全自动控制管理便捷
虽然上千块太阳能光电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。
太阳能光电板发出来的是直流电，一般需要用蓄电池将太阳能发出的电进行储存。而并网发电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示器，可随时显示大厦发电量、总发电量以及太阳能辐照度、风速等天气参数。
6.结束语
太阳能与建筑一体化是未来住宅的发展方向，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了充分重视。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。
光伏发电也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。
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