太阳能光电建筑应用：住宅光伏发电取暖照明

建材世界2009年第30卷第6期

太阳能光伏电源在住宅工程中的应用

刘瑶,杨澍

(中国建材国际工程有限公司,蚌埠233018)

摘要:该文主要介绍太阳能光伏电源在住宅工程中的应用,太阳能电池板(光伏板)与住宅建筑结合是太阳能应用方面的一个方向。该文依据光伏板与住宅建筑不同部位的结合,分别对光伏能源在住宅照明、取暖、热水方面所起的作用逐一作了介绍,并结合国外住宅实例,期望勾勒出光伏居住建筑发展的新动态,丰富建筑创作的领域。关键词:光伏板;节能;居住建筑

SolarPowerUsageforResidentialProject

LIUYao,YANGShu

(ChinaTriumphInternationalEngineeringCo(Ltd)Bengbu233018,China)

Abstract:Thisarticlemainlyintroducedthesloarpowerusageinresidentialproject.Combinationbetweensolarcellplate(photovoltaicpanels)andresidentialbuildingisonedirectionforSolarenergyusage.Accordingtocombinationbetweenpho-tovoltaicpanelanddifferentpositionsofresidentialbuilding,itintroducedthefunctionofsolarenergyinrespectofresidentiallightingandheating.Throughintegratingforeignexamples,wepresentnewdevolopmentofsolarbuildingandenrichcreativ-ityofbuildingfield.

Keywords:photovoltaicpanels;energyconservation;residentialbuilding

近几年来,我国光伏产业经历了高速发展期。特别是在2008年,我国光伏产业呈现出爆发式增长,使得我国一跃成为全球第一大生产国,太阳能建筑可以改善居住条件和市容卫生,将成为21世纪住宅的主旋律,成为市场的大热点,是未来最重要的新兴产业。同时,太阳能建筑的普及将有力地推动传统建筑业和建材业的革新。对广大百姓来说,能够享受到清洁能源带来的舒适生活,也是,福音,。太阳能住宅不但将是今后楼盘的一个,卖点,,而且还将是推进住宅产业现代化的驱动器,发展太阳能住宅商机无限。

1发展太阳能住宅前景广阔

我国很多地区日照时间较长,是太阳能资源较丰富的地区,造就了大力开发利用太阳能的先天条件。房地产业作为一个能源消耗的大户,迫切需要从传统的开发模式进行改变,就是大量地、尽可能地

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利用太阳能。这种能源的利用可以为社会和消费者节省更多的能源方面的支出,也能从实际上落实构建和谐社会的要求。因此,房地产贯彻节能住宅的思想其中一条最重要的就是采用节约能源,除了通过对建筑应用有效的手段节能外,节能的重要渠道是开发利用太阳能。

随着生活水平的提高,人们对生活环境的舒适度的需求也越来越高,其中空调、采暖和热水是3个主要方面。这3方面目前消耗着大量常规能源,并严重污染环境,同时由于城市中采用常规空调越来越多,排出大量热气而形成热岛效应,对城市气候也产生不良影响。

2太阳能光伏电源在住宅工程上的应用

2.1太阳能光伏电源在照明系统中的应用

在这里我们着重介绍下独立光伏发电系统。独立光伏发电系统是以太阳电池作为主供电源,由太

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阳能电池方阵、接线箱、控制器、逆变器、输出配电柜、蓄电池组和支架等组成的可完全独立运行的交流电源系统。太阳能光伏电源系统为固定安装,供电可用率99.9%以上。太阳能光伏电源系统的设计计算主要依据现场实际情况,为满足符合能量的需求,在系统设置地点的日照条件和环境温度等情况下,优选出合适的太阳能电池方阵和蓄电池容量,并使系统中所有设备相互匹配,保证系统的合理性和适用性。一个完善的太阳能光伏电源系统需要考虑多种因素进行设计,如电气性能设计、热力设计、机械结构设计等,对地面应用的独立电源系统来说,最主要的是根据使用要求,决定太阳能电池方阵和蓄电池规模,以满足正常工作的需求。

太阳能光伏电源系统总体设计原则是在保证满足负载用电量需要的前提下,确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量。通过技术经济分析,合理确定太阳能电池组件数量和蓄电池容量、包括安全性、可靠性等诸多方面的要求。系统配置的设计主要考虑2种因素:(1)根据负荷需求,环境参数和太阳能光伏电源系统部件的电气参数,选择不同的系统部件。(2)需要确定的数据主要包括:安装地点的日照辐射、太阳能电池方阵倾斜面的日照辐射、环境温度参数。系统电压、负荷能量需求,最大和平均的放电电流。控制器、逆变器调节特性与参数,太阳能电池组件和蓄电池的特征参数和系统供电可靠性和供电电源可用率。

下面就北京某个住宅小区进行阐述,小区建有40~50m高塔楼6座,南北楼间距20~40m。在相邻建筑物之间将无法获得有效日照时数或有效日照时数将大打折扣。因此社区内的照明灯具除将采用太阳能集中供电方式,即在建筑屋顶安装太阳能光伏电站,以便使照明灯具获得充足的电力供应。系统配置:太阳能电池方阵,该社区内太阳能光伏电源系统总装机容量4560Wp,选用保定天威英利新能源公司生产的120(17)D优质单晶硅电池组件38块。该组件采用高效率晶体硅太阳电池片,转换效率,14%;使用寿命,20年,衰减小;采用无螺钉紧固铝合金边框,便于安装,抗机械强度高;采用高透光率钢化玻璃封装,透光率和机械强度高;采用密封防水的多功能接线盒;具有良好的耐候性,防风。防雹;可有效抵御湿气和盐雾的腐蚀,不受地理环境影响。太阳能充电控制器:该太阳能光伏发电系统选用德国Steca公司生产的Power-Tarom2140控制器2台。PowerTarom系列充电控制器,均带有直流输出功能,可为直流负载供电。可以详细反映蓄电

池的状态,以此调整充电电压和电流,使其完全符合蓄电池充电的实际需要,提高充电效率,达到快速、平稳充电的目的。

采用该套太阳能充电器,为以后系统的扩容打下了基础;同时,该控制器还可以存储光伏发电系统的各项运行数据,这为评估系统的各项性能提供了可靠的依据。1)逆变器:直流12V/24V输入,交流220V输出;纯正正弦波输出(THD,4%),输入与输出完全隔离设计,效率高达88%~94%;指示灯显示输入电压与负载功率,兼具多种保护功能,负载控制风扇冷却。2)蓄电池:蓄电池组选用广东叵达蓄电池总厂TOYO单体,12V200AH阀控式铅酸蓄电池。密封阀控免维护铅酸蓄电池与传统的敞开型电池比较,具有以下优点: ( 1)密封程度高,电解液不会轻易流动,所以电池可以横放; (2)密封阀控免维护铅酸蓄电池的极板栅采用无锑铅合金,电池的自放电系数很小; (3)电池的正负极板完全被隔离板包围,有效物质不易脱落,使用寿命长; (4)密封阀控免维护铅酸蓄电池的体积比老式的电池小,而容量却比老式敞开型电池高; (5)电池在长期运行中无需补充任何液体,同时在使用过程中不会产生酸雾、气体、维护工作量极小; (6)电池的内阻很小,大电流放电特性好。

设计安装实例:屋顶一体化太阳电池方阵的结构,具体结构参见图1。

图1 屋顶一体化太阳电池方阵的结构

方阵支架方位角的设计:一般情况下,太阳能电池方阵应面向正南安装,固定式支架倾角设计:根据年发电量计算结果,倾角定为38,。安装方式设计:固定式、结构简单,安全可靠,安装调试及管理维护都很方便。蓄电池组的安装方式:蓄电池组由单体蓄电池、蓄电池支架、连接线及铜母排等组成。蓄电池组安放在蓄电池室内,同时要求与电池组件有较近的直流传输距离。安装蓄电池的地点应干燥、清洁,必须有良好的通气、排风条件,电池远离热源或易产生火花处,其安全距离要大于2m,避免阳光直射。根据电池安装面积以及电池极限负荷重量,选择相应的电池组安装方式(地面安装或叠层安装) 。

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避雷、防雷及接地保护的设置场地防雷;方式为避雷带。将金属导体沿被保护物顶部轮廓敷设,并保持适当距离,消引雷电荷,避免直接雷击。直流侧的防雷:控制器内部有防雷击保护;系统接地保护:雷电保护系统的接地电阻应符合DL/T620(1997)交流电气装置的过电压保护和绝缘配合,的要求(一般不应大于10 ,) ;线路接地系统应符合DL/T62(1997)交流电气装置的接地,的要求,以及D L499(92)农村低压电力技术规范,的技术要求(一般不应大于4 ,) 。

电源控制柜的安装:光伏系统的效率分析及发电量预测光伏阵列效率:光伏阵列在1 000 W/m2太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括: 1)组件匹配损失:对于精心设计、精心施工的系统,约有4%的损失;2)太阳辐射损失:包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失,取值5%; 3)偏离最大功率点损失:如温度的影响等,取值4%;4)直流线路损失:按有关标准规定,应小于3%。计算得: ,1= 96%, 95%, 96%, 97%=85%。逆变器的转换效率:逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比对于进口逆变器,可取,1=87%;控制器以及逆变后交流线路损失,取值3%。系统的总效率等于上述各部分效率的乘积:,= (1)(2),3= 85%,97%= 72%。 4 560Wp光伏系统发电量预测依据:北京地区太阳辐射量、系统组件总功率为4560Wp、系统效率为72%。光伏阵列倾角等于38,,固定式安装;年发电量约6657 kW,h;20年的总发电量约为119 826 kW(h)年平均发电5991 kW,h(按20年输出衰减10%计算) 。 20年节电119826 kW(h)按每kW,h燃煤0.4 Kgce计算,减少燃煤47.930 tce,减少煤灰、CO2,SO2等排放244975 kg,发挥了一定的环保效益。

2.2 房太阳能光伏电源的采暖与供热技术

大力推动建筑结构设计中加入太阳能利用技术,既考虑对太阳能的,光电应用,,也考虑,光热应用, 。太阳能供暖/生活热水系统的工作原理图,如图2所示。

其一就是利用现在的太阳热水器的分体技术,设计以太阳能真空管为组件的屋顶和外挂墙壁,进行热水供应。其二是生产以太阳能集热保温板为主的供暖系统。在一些示范大楼上,这些技术已经得到良好的应用,北京某住宅集太阳能制冷、供暖、热水、发电于一体,空调、采暖和制冷都可以靠太阳能来实现,住宅的太阳能空调制冷、采暖和热水综合系

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统主要由管式真空管集热器、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活用热水箱、开水箱、冷却塔、风机盘管、自动控制系统等组成。夏季,真空管集热器向溴化锂制冷机提供高达88,左右的热水,通过制冷机产生8,左右的冷水,冷水流经风机盘管向房间提供冷风。冬季,集热器将水加热到40~60,,再通过风机盘管向房间提供热风。大楼内还局部使用了地板采暖系统。楼上集热器提供的热水,直接流经预置在地板下的管路,为房间供暖。过渡季节,这个系统作用太阳热水器可提供大量生产和生活用水,同时,这个系统可全年提供开水。该系统经近半年的试运行,各方面正常,冬季室温保持在22,左右,满足规定的采暖高于18,的需求。

图2 太阳能供暖/生活热水系统的工作原理图

3 国外太阳能住宅发展现状

鉴于太阳能住宅明显的节能效果和不污染环境的优点,国外很多地方开始建造太阳能住宅。在德国巴伐利亚州的雷根斯堡地区已经开始了整栋居民楼共建太阳能供暖系统的行动。德国建造了很多太阳能住宅。 目前在德国,不仅小型楼房可以使用太阳能供暖供水,而且集体住宅和多户型的别墅也能使用太阳能。最近又有报道说,慕尼黑市的一家城市居民住房公司已经开始用太阳能住房取代传统住房。这意味着无力自建住房或购买住房的租房群体和低收入家庭,也开始逐步享受免费的太阳能暖气供应和热水供应。慕尼黑市政府的做法是,改造先从便宜的租房开始,因为那里的住户是享受国家住房补贴的人群。

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对这些住房改造的投资,实际上是为国家减轻负担。否则国家要拿出相当一部分资金补贴他们的供暖和供水。

4 结 语

当前我国房地产市场的竞争已经进入品质竞争时代。依托技术进步,全力提升住宅的性能、功能、环境乃至物业管理水平,是开发商在市场竞争获胜的法宝。 因为唯有高品质的住宅才能让人们真正享受到环保、节能、安全、舒适的健康生活。

发展节能省地型住宅既是我国国情决定的,也是近两年国家极力倡导的产业政策。综上所述,这项住宅产业政策能否得以顺利推广和全面实施,既取决于各级政府推广和扶持的力度,更取决于开发商的思想觉悟和对住宅产业发展所肩负的社会责任

的认知程度。