建筑节能与环保-第六章 可再生能源利用技术

6.1.2 太阳能光电利用技术
图6-7 建筑附加光伏的应用
图6-8 光伏系统与建筑屋面一体化应用
图6-9 太阳能瓦的应用
图6-10 光伏系统与建筑墙体一体化的应用
图6-11 光伏幕墙的应用
图6-12 光伏组件与遮阳装置一体化的应用
6.1.3 太阳能光热利用技术 太阳能光热利用的基本原理是通过太阳能集热器将太阳辐 射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。 1.太阳能集热器 太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工 质的装臵，是组成各种太阳能热利用系统的关键部件，目前使用 最多的太阳能收集装臵主要有平板型集热器、真空管集热器。
瓦/米2。因观测方法和技术不同，得到的太阳常数值不同。太阳常数
值是1368瓦/米2 。
1.太阳能及其辐射
太阳辐射为我们的生产和生活提供能量。人们对太阳辐射作 用最直接的感受来自于它是人们生产和生活的主要能源。如植物的 生长需要光和热，晾晒衣服需要阳光，工业上大量使用的煤、石油 等化石燃料是太阳能转化来的，被称为“储存起来的太阳能”。还 有太阳灶、太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳房、太阳能发电、 太阳能电池等。除直接使用的太阳能外，地球上的水能、风能也来 源于太阳。
交流负载供电。独立光伏发电系统由光伏阵列、蓄电 池、负载、控制器和逆变器组成。
并网光伏发电系统 并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器、 并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接 将电能输入公共电网。 并网光伏发电系统根据不同的构成和使用目的分为有逆 流并网光伏发电系统、无逆流并网光伏发电系统、切换型并 网光伏发电系统和有储能装臵的并网光伏发电系统。
图6-4
太阳能电池的单体、组件和阵列
蓄电池组
蓄电池组的作用是储存太阳能电池阵列受光照 时所发的电能，并可随时向负载供电，满足用电负载 的需求。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状 态，即将蓄电池和充电装臵并联，负荷由充电装臵供 给，同时以较小的电流向蓄电池充电，使蓄电池经常 处于满充电状态。白天太阳能电池方阵给负载供电的 同时给蓄电池充电，晚上负载用电由蓄电池供给。
逆变器 逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电
池和蓄电池是直流电源，如果负载是交流负载，则需要用逆 变器将直流电转换为交流电。按运行方式不同，光伏发电系 统逆变器分为独立光伏系统逆变器和并网光伏系统逆变器。 独立光伏系统的逆变器不依赖公共电力网络，利用内部的频 率发生器输出同步的50/60Hz的交流电，供系统中的交流用电 设备使用；并网光伏系统逆变器不仅将太阳能电池阵列发出 的直流电转换为交流电，并且还对转换的交流电的频率、电 压、电流、相位、有功与无功等进行控制，产生并向电网输 送与公共电网上输配的电压与频率特性相一致的交流电。
AC 控制器 DC 直流负载
风力发电机 DC DC DC AC
太阳能电池板 蓄电池 逆变器 交流负载
图6-6 混合供电系统结构示意图
建筑一体化光伏发电系统 建筑一体化光伏发电系统是利用建筑物的光照面积实现分布 式发电，由于光伏发电系统装设在建筑物上，接近电力负荷， 无需额外的输电投资，也减少了输电过程的电能损失。另外， 安装了太阳能电池板的屋顶和外墙，直接降低了建筑物外围结 构的温升，减少了室内空调负荷，而且光照强度与负荷强度吻 合，有调峰的功效，因而很有发展前景。 建筑一体化光伏系统可以分为建筑附加光伏系统（BAPV） 和建筑集成光伏系统（BIPV）两种。 建筑附加光伏系统（BAPV）把光伏系统安装在建筑的屋顶 或外墙上，建筑物作为光伏组件的载体，起到支撑作用。 建筑集成光伏系统（BIPV）是指将光伏系统与建筑物集成 在一起，光伏组件成为建筑结构不可分割的一部分，如光伏组 件与屋面一体化、光伏组件与幕墙一体化、光伏瓦、光伏与遮 阳装臵一体化等.
在我国，家用太阳能热水器和小型太阳能热水器多采 用自然循环式，而大中型太阳能热水器系统多采用强制循 环式。
图6-18 直流式热水系统示意图
3. 太阳能采暖
太阳能采暖分为被动式太阳能采暖和主动式太阳能采暖。 本节主要介绍主动式太阳能采暖系统。 主动式太阳能采暖系统由太阳能集热器、贮热器、辅助热
源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等组成。
充放电控制器 光伏发电系统中的充放电控制器是对太阳能光伏发电系统 进行控制与管理的设备，由于控制器可以采用多种技术方式实 行控制，同时实际应用对控制器的要求也不尽相同，因而控制
器所完成的功能也不完全相同。其实现的主要功能一是将所发
的电能送往直流负载或交流负载，将多余的能量送往蓄电池储 存；二是当光伏发电系统所发的电能不能满足负载需要时，将 蓄电池的电能送往负载；三是保护蓄电池，当蓄电池充满电后 ，控制器要控制蓄电池不被过充，当蓄电池所储存的电能放完 时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电。
其产业异军突起，成为能源工业的一支生力军。迄今为止，
太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用 和光利用两个方面。
3.中国的太阳能资源
我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳
辐射总量为3340～8400MJ/cm2，中值为5852MJ/cm2。按照各地 接受太阳总辐射量的多少，全国太阳能分布大致可划分为五类 地区，见表6-1。 表6-1 我国太阳能分布状况
3344~4190
青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和 新疆南部 河北西北部、山西北部、内蒙古南 部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部 、西藏东南部和新疆南部 山东、河南、河北东南部、山西南 部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、 陕西北部、甘肃南部、广东南部、福 建南部、江苏北部、安徽北部、天津 、北京和台湾西南部 长江中下游、福建、浙江和广东的 一部分地区 四川、贵州、重庆等地
2.光伏发电系统的分类及其工作原理 光伏发电系统根据是否接入公共电网分为独立光 伏发电系统、并网光伏发电系统和混合供电系统。 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统将光伏电池板产生的电能通过 控制器直接给负载供电，在满足负载需求的情况下将 多余的电力给蓄电池充电；当日照不足或者在夜间时
，则由蓄电池直接给直流负载供电或者通过逆变器给
控制器
直流-交流 逆变器
交流负载
蓄电池组
图6-2
太阳能光伏发电系统的组成
太阳能电池 太阳能电池利用光生伏打效应把光能转换为电能
，是太阳能光伏发电的最基本元件。物质吸收光能产
生电动势的现象,称为光生伏打效应，这种现象在液体
和固体中都会发生，但是只有在固体中，特别是在半 导体中，才有较高的能量转换效率。
2. 太阳能的开发利用
人类利用太阳能已有几千年的历史，但发展一直很缓慢，
现代意义上的开发利用只是近半个世纪的事情。1954年美国
贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，从此揭开了太阳 能开发利用的新篇章。之后，太阳能开发利用技术发展很快， 特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能 开发利用。经过近半个世纪的努力，太阳能光热利用技术及
图6-3 太阳能电池发电原理图
在光伏发电过程中，光伏电池本身不发生任何化学变 化，也没有机械磨损，因而在使用中无噪声、无气味，对环 境无污染，适用于建筑中使用。 太阳能电池单体是光电转换的最小单元，一般不能单独 作为电源使用，需要将太阳能电池单体进行串、并联并封装 组成光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、几百瓦， 即成为可单独作为电源使用的最小单元。将若干个光伏电池 组件根据负载需求，再次串、并联组成较大功率的实际供电 装臵，称之为光伏阵列。
1.太阳能及其辐射
根据太阳活动的相对强弱，太阳可 分为宁静太阳和活动太阳两大类。宁静 太阳是一个理论上假定宁静的球对称热 气体球，其性质只随半径而变，而且在 任一球层中都是均匀的，其目的在于研 究太阳的总体结构和一般性质。在这种 假定下，按照由里往外的顺序，太阳是 由核心、辐射区、对流层、光球层、色 球层、日冕层构成。光球层之下称为太 阳内部；光球层之上称为太阳大气。
1.太阳来自百度文库及其辐射
太阳辐射是地球表层能量的主要来源。到达地球大气上界的太阳辐 射能量称为天文太阳辐射量 。除太阳本身的变化外，天文辐射能量 主要决定于日地距离、太阳高度角和昼长 。在地球位于日地平均距 离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受 到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的常用单位为
阳能光伏发电。
太阳能光伏发电系统(photovoltaic power system)是利用半导体器件的光生伏打效应原理直接将 太阳光辐射能转换为电能的发电系统，由太阳能电池 方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器等设备组成
，有独立运行和并网运行两种运行方式。
1.太阳能光伏发电系统的组成
直流负载
太阳能 电池阵列
太阳能采暖系统按其集热工质（或介质）分为空气加热采 暖系统和水加热采暖系统，另外还有利用太阳能与热泵联合运 行作为供暖热源的太阳能热泵系统。
年日照时数/h 年辐射总量MJ/cm2 主要地区
一类地区（丰富区）
二类地区（较丰富区）
3200~3300
3000~3200
6690~8360
5852~6690
三类地区（中等区）
2200~3000
5016~5852
四类地区（较差区）
五类地区（最差区）
1400~2200
1000~1400
4190~5016
第六章
可再生能源利用技术
— —主讲：郑则炯
主 要 内 容
6.1 太阳能利用技术 6.2 地热能利用技术
6.3 可再生能源综合利用技术
6.1 太阳能利用技术
6.1.1 太阳能资源及其开发利用 6.1.2 太阳能光电利用技术
6.1.3 太阳能光热利用技术
6.1.1 太阳能资源及其开发利用
太阳分为内部和大气两大部分，其内部结构
图6-1太阳内部结构图
义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能
则限于直接投射到地球表面上的太阳辐射能。
1.太阳能及其辐射
太阳是太阳系中唯一的恒星和会 发光的天体，是太阳系的中心天体， 太阳系质量的99.86%都集中在太阳。 从化学组成来看，现在太阳质量的 大约四分之三是氢，剩下的几乎都 是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他 的重元素质量少于2%。
电网
太阳能 电池方阵
联网逆变器
负载
图6-5
并网光伏发电系统结构示意图
混合供电系统 混合供电系统可以是光伏发电系统、风力发电系统或者
生物质能系统等相互组合，或者共同组合而成，下图是一个 光伏发电系统和风力发电系统组合而成的混合供电系统,由 风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变 器、交流直流负载等部分组成。
a) 平板型集热器
b) 真空管集热器
图6-13 太阳能集热器图例
6.1.3 太阳能光热利用技术
a) 平板型集热器
b) 全玻璃真空管集热器
图6-14 太阳能集热器内部结构图
2. 太阳能热水系统
太阳能热水系统是利用太阳能集热器收集太阳辐射能 把水加热的一种装臵，是目前太阳热能应用发展中最具经济 价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。
目前，太阳能在建筑中的应用主要有光电利用和
光热利用两种形式。太阳能光电利用是指通过光电器 件直接将太阳能转换成电能，即太阳能光伏发电。太 阳能光热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来， 通过物质的相互作用转换成热能加以利用。
6.1.2 太阳能光电利用技术
太阳能光电利用技术是指通过转换装臵把太阳辐 射能转换成电能利用，光电转换装臵通常是利用半导 体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太
如图6-1所示，内部从中心向外分为核反应区、辐
射区和对流区。太阳能资源除了直接投射到地球 表面上的太阳辐射能之外，还包括像水能、风能 和海洋能等间接的太阳能资源，以及通过绿色植
物的光合作用所固定下来的能量（生物质能），
如石油、天然气和煤炭等矿物燃料，人类所需能 量的绝大部分都直接或间接地来自太阳，因而广
图6-15 太阳能热水系统示意图
太阳能热水系统根据加热循环方式的不同可分为自 然循环系统、强制循环系统和直流式循环系统三类。 自然循环系统蓄水箱必须臵于集热器上方，如图6-15 所示。根据循环管道内循环介质不同，强制循环系统可分 为直接强迫循环系统和间接强迫循环系统.
图6-16 直接强迫循环系统
图6-17 间接强迫内置辅助加热热水系统