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光伏发电系统在建筑节能中的应用研究探析

 GXF360 2019-09-23

0 引言

目前,随着城市化水平的日益上升,智能建筑随之兴起,给人们带来便利生活的同时,建筑能耗也在逐渐加剧,我国乃至国际对光伏建筑的呼声越来越高。光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic)作为庞大的建筑市场和潜力巨大的光伏市场的结合点,在未来的新能源应用领域中有很好的前景[1]。本文针对光伏发电系统的特点、优缺点,结合我国智能建筑的发展现状,对光伏发电系统在建筑节能中的作用进行分析和研究。

1 光伏发电系统

1.1 工作原理

光伏发电的基础建立在半导体PN结的光电效应上,太阳能电池组件利用半导体材料的电子学特性完成P-V转换,从而使太阳能转变成电能。当太阳光照射在太阳能电池上时,具有足够能量的光子能在P型硅和N型硅中激发电子,以至于产生电子—空穴对。一般一个光子只能激发出一个电子—空穴对,在电子与空穴经空间电场作用相互分离后,便各自按着固定的运动轨迹移动。其中,电子由P区朝着带正电的N区移动,空穴由N区朝着带负电的P区移动,在整个过程完成以后,接通电路就可以形成电流。一般我们在日常生活中见到的太阳能电池板光伏阵列由众多光伏组件通过串并联的形式构成,单个基本的光伏组件内部等效电路图如图1所示。

捷太格特(JTEKT)成功开发了用于EV、HEV电动单元上的超低扭矩密封圈球轴承。为了防止磨损粉末进入轴承内部,一般会给轴承追加密封圈,但密封圈唇边和内圈接触时产生的滑动摩擦,反而会使轴承的回转扭矩增大,导致电耗增加。捷太格特超低扭矩密封圈球轴承通过改良与内圈接触的密封圈唇部形状,降低了密封圈对轴承的紧固力,既减少了30%的旋转扭矩,又提高了密封圈的紧贴性。而且,在密封圈确保轴承耐异物能力与延长了轴承寿命基础之上,工程师进行了小型化改良。与普通的开放型轴承相比,新品减重约50%。这些开发努力为EV 与HEV节省用电量,增加续航里程作出了贡献。

图1 单个光伏组件等效电路图

1.2 组成

光伏发电系统主要由光伏阵列、逆变器、蓄电池组、监控系统,光伏控制器等设备组成,主要的发电系统形式有并网发电系统和独立发电系统,简单介绍一下各个设备的功能及性质:①光伏阵列:单一组件通过电缆和汇线盒实现组件的串、并联,构成整体的组件系统,这个系统称为光伏阵列;②光伏控制器:光伏控制器控制光伏阵列,对蓄电池组进行充电,并控制蓄电池组对负载的放电,实现蓄电池组的过充和过放保护,对蓄电池进行温度补偿,并监控蓄电池组的电压和启动相关辅助控制;③蓄电池组:蓄电池组是独立光伏系统中的电能储存单元,单节蓄电池通过串、并联组成整体的电池组,太阳能电池产生的直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存;④逆变器:逆变器是把直流电(例如12VDC)逆变成交流电(例如220VAC)的设备;⑤监控系统:监控系统监控整个系统的运行状态、设备的各个参数,记录系统的发电量,环境参数等数据,并对故障进行报警[2-3]。如今,并网发电系统应用广泛,图2为并网发电系统的概要工作流程图。

图2 并网发电系统工作流程图

1.3 特点

光伏发电系统作为新型能源发电系统之一,有诸多常规能源发电无法实现的优势,但同时也存在一些弊端,这里从资源、环保、效率、经济4个角度分析,将其与传统发电作对比,总结内容见表1。

表1 光伏发电对比传统发电

缺点光伏发电 太阳能取之不尽、用之不竭,资源丰富 发电过程易受四季、昼夜及阴晴等外界条件影响,光电转换效率低无需燃烧、无噪声,不污染空气,绿色环保 光伏组件制作成本高,经济效益不高传统发电 不易受外界气候等干扰因素影响,发电效率高 常规能源资源有限,会被耗尽工程初期不需投入过多的经费 燃烧过程中排放污染气体,产生噪音,破坏环境发电类型 优/缺点优点

2 光伏建筑一体化应用前景分析

2.1 已有的BIPV应用形式

光伏建筑一体化技术,是一种将光伏组件迁移到建筑物上的技术,随着科技的进步和经济的发展,如今已有不少相关工程项目成功开展,例如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等[4]。目前,日常生活中已采用的光伏建筑一体化应用形式主要有屋顶一体化、遮阳棚一体化、墙体一体化3种,其特点概述如图3所示。

2.2 BIPV前景

从光伏发电系统与屋顶一体化、遮阳棚一体化、玻璃幕墙一体化等多个已经成功实施的案例来看,相比较于普通的建筑设计,BIPV设计显得更加灵活,而且更为人性化,同时克服了建筑物传统能源供电的许多不足,例如:①每逢夏季,家家户户的用电量达到一年四季的高峰期,而夏季的日照量是最大的,BIPV技术使光伏发电系统很好地发挥了作用,对电网起到调峰作用;②在智能化建筑普及的今天,建筑所耗能源在我国总能耗量中所占比重日益上升,而BIPV技术可在一定程度上缓解我国的能源危机[5];③BIPV技术采用光伏发电的形式向建筑物供电,减少了污染气体的排放量,无论从环保还是人身健康的角度来讲,都是值得提倡的。但光伏发电系统在提升建筑节能效益的同时,其自身许多不足的细节也是需要弥补的。考虑到建筑物内部结构,以及当地的气候条件,光伏组件在发电的同时也要满足对外界的要求,因此如何对光伏组件进行最优化设计仍是一大问题。其次,如何集成储电系统仍需探讨。最后,太阳能光伏发电效率仍然不高,需尽可能减小外界干扰因素的影响。

反思解法1,基于双轨迹构图可知本题有两解,解法1为何一解,其原因何在?基于构造将△ADB沿BD翻折,构造时默认点A的对应点E与点D在AC的同侧,其解法就是解法1.结合双轨迹构图及解法2发现,点A的对应点E也可在AC上,如图7,因为AD=CD,所以点A的对应点E与点C重合.因此有必要再思考可能与点D分别在AC的异侧,如图8.

图3 BIPV主要应用形式及其特点

3 对我国光伏发电系统在建筑领域应用的几点思考

3.1 光伏阵列与降温装置结合

根据光伏电池的输出特性曲线可知,当温度超过一定的值后光伏发电的输出功率与外界温度呈负相关性,因此控制光伏组件表面温度的值在一定论域内有着重要的意义。例如,当光照强度恒为1 000W/m2时,不同温度T下光伏电池的P-V特性曲线如图4所示。

图4 不同温度T下光伏组件的P-V特性曲线

由于我们无法决定光伏组件周围环境的温度值,所以可以通过在光伏组件表面安装降热装置的方法来达到实际效果[6]。例如,在光伏阵列模块表面安装管路水流系统,循环流动的冷水既可以带走光伏组件周围的热量,又可以吸收热量变为热水供人们使用,在一定程度上还节约了产生热水的能源。具体如何安置降温装置于光伏阵列模块,要针对建筑物自身的结构特征及现场施工情况等因素综合分析过后再做决定。

3.2 加入MPPT模块

MPPT技术,也称最大功率点跟踪,其基本原理是戴维南定理。光伏阵列的内部电路可以等效为一个电压源和一个电阻串联,这里的电阻也就是有效电阻Req,当内部电源的内阻与外部的有效电阻大小相等时,光伏发电输出功率达到最大值。目前已经成功应用的技术手段有:在太阳能光伏阵列的等效电路中再加入一个MPPT控制器,光伏阵列的输出电压和电流被送入MPPT控制器中进行最大功率点跟踪控制,控制器输出PWM波驱动信号,使输出电压与最大功率点所对应电压相匹配,实现内部电源阻值大小与外接负载阻值大小相等,以达到最大功率输出的目的。具体的系统控制原理如图5所示。

图5 MPPT控制系统原理

将MPPT模块加入光伏阵列,不仅大幅度地提高了发电效率,又减少了我国对光伏发电系统初期的投资,具有显著的效果。

3.3 采用BIPV屋顶一体化对偏远地区供电

根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准,我国太阳能资源分布可划分为一区、二区、三区和四区。一类地区主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等偏远地区,目前从电力局输送分配电能至一类地区,将会耗费大量输电线缆制作成本,为了提高经济效益,我国政府可以效仿美国的百万太阳能屋顶计划,在一类地区安装屋顶光伏发电系统设备,将太阳能用电带入家家户户。采用屋顶BIPV一体化对偏远地区供电,有效利用了当地浑然天成的地理优势,例如无大量建筑物遮挡,以及充分的太阳能资源等,而且又提高了经济效益,一定程度上解决了边疆地区供电不足的问题。

3.4 改进建筑物空气温度调节技术

目前我国建筑物总能耗中,调节空气温度所耗的能源占比高达70%,传统调节法例如空调机和燃煤有许多不足之处:①能耗大;②给外界环境带来污染;③室内环境不健康,不适合人工作、居住。在太阳能采暖方面,目前有2种案例:被动式太阳能供能与主动式太阳能供能。采取单一主动供能的意义在于增加建筑物室内的舒适度,但耗费过多的成本,从经济效益角度来讲不提倡,目前还没被广泛应用。而被动供能可以有效提高节能率,降低供能装置成本费,减少人工环境并顺应自然界满足人们对舒适度的要求。因此,若采用主动供能与被动供能相结合的形式对建筑物供暖,建筑物空气温度调节技术将得到极大的改善。综上所述,未来几年我国需要把研究热点置于主、被动供能结合技术上,优化和调整两者在总体供能方式中的比例与结构,真正意义上实现建筑领域节能减排。

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4 结语

本文根据现有的光伏发电系统与建筑一体化案例对未来的光伏建筑应用前景进行了分析,指出其优势和不足之处,并针对光伏发电系统如何更高效地应用于建筑节能提出了几点改进措施,为我国建筑行业中节能技术的发展提供了理论参考和借鉴。

参考文献

[1]杨洪兴.光伏建筑一体化工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]高树鹏.光伏建筑一体化技术与工程应用[J].中国建材科技,2014(1):23-25.

[3]梁象莹.基于太阳能光伏技术的节能建筑系统的设计与研究[J].应用能源技术,2009(2):6-9.

[4]肖 潇,李德英.光伏建筑一体化应用现状及发展趋势[J].城市建筑,2008(4):45-48.

[5]谷民安,刘永生,赵春江.太阳能光伏技术与建筑一体化研究进展[J].华东电力,2009,37(10):1771-1774.

[6]龙文志.太阳能光伏建筑一体化[J].建筑节能,2009(7):3-8.

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