1、可再生能源在建筑中的应用第九章可再生能源利用现状及发展第一节太阳能光热、光伏建筑应用第二节热泵技术及应用第三节风力发电技术及应用第四节目录Contents第五节生物质能源技术及应用1可再生能源利用现状及发展可再生能源利用现状及发展9.1.1可再生能源的定义及种类所谓可再生能源,是指那些随着人类的大规模开发和长期利用,总的数量不会逐渐减少和趋于枯竭,甚至可以不断得以补充,即不断“再生”的能源资源,如太阳能、地热、风能、水能、海洋能、潮汐能等。而非可再生能源,是指那些随着人类的大规模开发和长期利用,总的数量会逐渐减少而趋于枯竭的一次能源,如煤、石油、天然气等。可再生能源利用现状及发展9.1.2可再
2、生能源利用现状当今高昂的石油、汽油和天然气价格,以及全球变暖的趋势,在一定程度上源于化石燃料的大量消费,再加上世界上主要的石油和天然气生产地中东能源供应的不确定性,使世界上许多国家的能源政策加快向可再生能源倾斜。尽管存在诸多效益问题,但可再生能源继续在许多国家的能源计划中受到重视。可再生能源的环境效益是明显的,也是重要的,与传统的化石燃料不同,可再生能源将会永远持续发展下去。替代能源的开发正在加快。200多年前开始大规模使用煤炭,100多年前开始大规模使用石油,30多年前开始大规模使用天然气,现在,煤炭、石油和天然气的价格与需求均在增长之中,使用它们都有温室气体排放(GHG)问题。火电厂排放的
3、CO2占世界排放量的40%,是运输行业排放量的一倍。即使使用天然气替代传统的燃煤,排放量也只减少一半。而用风能替代火力发电,则可避免碳排放。可再生能源利用现状及发展虽然来自替代能源的能源将起着不断增长的作用,但据预测,化石燃料在未来几十年内仍将占主要地位。今后25年内,由于各国政府的大力支持,风能和太阳能等可再生能源将以两位数增长,虽然这些替代能源的规模还相对较小,但在世界能源构成中将日显重要。我国风能资源总量为7亿12亿kW,陆地技术可开发风能资源储量大于海上,年发电量可达1.4万亿2.4万亿kWh;太阳能资源丰富地区的面积占国土面积96%以上,每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿t标准
4、煤的能量;当前可利用生物质资源约为2.9亿t,主要是农业有机废弃物;可开发的水能资源总量非常丰富,约为6亿kWh,全国水能技术开发量至少也在5亿kW以上,年可提供电量2.5万亿kWh。据我国可再生能源发展“十二五”规划介绍,水电是目前技术成熟和最具有经济性的可再生能源,到2010年年底,全国水电装机容量已达到2.16亿kW,比2005年翻了近一番。2010年水电发电量为6867亿kWh,占全国总发电量的16.2%,折合2.3亿t标准煤,约占能源消费总量的7%。风电进入规模化发展阶段,技术装备水平迅速提高。到2010年底,风电累计并网装机容量3100万kW。2010年风电发电量为500亿kWh。
5、太阳能热利用日益普及,应用范围和领域不断扩大。到2010年底,太阳能热水器安装使用总量达到1.68亿m2,年替代化石能源约2000万t标准煤。生物质能多元化发展,综合利用效益显著。到2010年底,各类生物质发电装机容量总计约为550万kW。地热能和海洋能利用技术不断发展,产业化应用潜力较大。浅层地温能在建筑领域的开发利用快速发展,到2010年底,地源热泵供暖制冷建筑面积达到1.4亿m2。潮汐能利用技术基本成熟,波浪能、潮流能等技术研发和小型示范应用取得进展,开发利用工作尚处于起步阶段,目前已有较好的技术储备。2010年,计入沼气、太阳能热利用等尚没有纳入商品能源统计的品种,可再生能源利用量为2
6、.86亿t标准煤,约占当年能源消费总量的8.9%。可再生能源利用现状及发展9.1.3我国能源发展的战略规划与发展目标为实现“十二五”和2020年非化石能源发展目标、促进国民经济和社会可持续发展,我国政府提出了可再生能源发展的基本原则、战略目标和相应的保障措施。其基本原则如下:市场机制与政策扶持相结合。制订中长期可再生能源发展目标,培育长期持续稳定的可再生能源市场,以明确的市场需求带动可再生能源技术进步和产业发展,建立鼓励各类投资主体参与和促进公平竞争的市场机制。通过财政扶持、价格支持、税收优惠、强制性市场配额制度、保障性收购等政策,支持可再生能源开发利用和产业发展。集中开发与分散利用相结合。根
7、据可再生能源资源和电力市场分布,加大资源富集地区可再生能源的开发建设力度,建成集中、连片和规模化开发的可再生能源优势区域。同时,发挥可再生能源资源分布广泛、产品形式多样的优势,鼓励各地区就地开发利用各类可再生能源,大力推动分布式可再生能源应用,形成集中开发与分散开发及分布式利用并进的可再生能源发展模式。可再生能源利用现状及发展规模开发与产业升级相结合。通过制订完善的政策体系,建立持续稳定的市场需求,不断扩大可再生能源市场规模;在市场的规模化发展带动下,提升自主研发能力,促进产业升级壮大和成本降低,提高可再生能源产业的市场竞争力,推动可再生能源更大规模的开发利用,形成可再生能源产业的良性循环和自
8、主式发展。国内发展与国际合作相结合。保持稳定增长的国内可再生能源市场需求,吸引全球技术等资源向我国聚集,形成全球有影响力的可再生能源产业基地。同时,加强多种形式的国际合作,推动我国可再生能源产业融入国际产业体系,并积极参与全球可再生能源的开发利用,促进我国可再生能源产业在全球体系中发挥重要作用。发展的总体目标是:扩大可再生能源的应用规模,促进可再生能源与常规能源体系的融合,显著提高可再生能源在能源消费中的比例;全面提升可再生能源技术创新能力,掌握可再生能源核心技术,建立体系完善和竞争力强的可再生能源产业。可再生能源利用现状及发展我国可再生能源近中期、长期和远期目标如下:近中期(2020年前后)
9、:非水能(风能、太阳能、土壤等)可再生能源开发利用量可达1.7亿3.2亿t标准煤,占一次能源总需求(假设40亿t标准煤)的4.9%9.3%:含水能(潮汐能、海洋能、水能等)可再生能源利用量可达5.4亿7.6亿t标准煤,比例为13%19%。此阶段化石能源仍是主导能源,但随着可再生能源技术的不断成熟,逐步具备更大规模的推广条件,可再生能源的贡献比例不断加大,将成为能源总需求中增量部分的主力军,在该阶段的战略定位是替代能源。长期(2030年前后):非水能可再生能源利用量可达3.2亿6.4亿t标准煤,占一次能源总需求(假设45亿t标准煤)的7.2%14%:含水能可再生能源利用量可达7.9亿11.6亿t
10、标准煤,比例为17%26%。届时可再生能源将具有较强的竞争优势,在新增能源供应中占主导地位,在整体能源系统中占重要地位,成为主流能源之一。可再生能源利用现状及发展远期(2050年左右):非水能可再生能源利用量可达7.2亿14亿t标准煤,占一次能源总需求(假设50亿t标准煤)的14%28%;含水能可再生能源利用量可达12亿20亿t标准煤,比例为24%40%。受资源、环境和温室气体排放的制约,化石能源的消费和CO2排放已达到峰值,可再生能源成为主导能源之一,能源结构的根本性改变将基本实现。可再生能源利用现状及发展9.1.4开发利用可再生能源的重要意义非可再生能源贮存量有限,终会导致枯竭;同时,矿物
11、燃料是温室气体的主要来源,是导致环境污染和自然灾害的祸首之一。因此,开发利用可再生能源,寻找替代能源势在必行。在各种可再生能源中,太阳能是最重要的基本能源。从广义来说,生物质能、风能、波浪能、水能等都来自太阳能,太阳能不仅是“取之不尽、用之不竭”的,而且不产生温室气体、无污染,是有利于保护环境的洁净能源。我国具有丰富的可再生能源资源,随着技术的进步和生产规模的扩大以及政策机制的不断完善,在今后15年左右的时间内,太阳能热水器、风力发电和太阳能光伏发电、地热供暖和地热发电、生物质能等可再生能源的利用技术可以逐步具备与常规能源竞争的能力,有望成为替代能源。可再生能源利用现状及发展2太阳能光热、光伏
12、建筑应用太阳能光热、光伏建筑应用太阳能(Solar Energy)一般是指太阳光的辐射能量。太阳能每年投射到地面上的辐射能高达1.051018kWh,相当于1.3106亿t标准煤,大约为全世界目前一年耗能的一万多倍,清洁安全,是永不枯竭的清洁能源,是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源之一。而现阶段,太阳能在建筑中的应用又是太阳能应用中最具有发展潜力的使用领域。现代建筑为满足居住者的舒适要求和使用需要,需具备供暖、空调、热水供应、供电(包括照明、电器)等一系列功能。太阳能建筑应用领域的科研、技术、产品开发和工程应用的总体目标,就是用太阳能代替常规能源来满足建筑物的上述功能要求。随着世界太阳能
13、技术水平的不断提高和进步,应能利用太阳能满足房屋居住者舒适水平和使用功能所需要的大部分能源供应。太阳能的利用主要通过光-热、光-电、光-化学、光-生物质等几种转换方式实现。基于这些转换方式,太阳能在建筑上的应用包括太阳能光热建筑应用、太阳能光伏建筑应用以及太阳能综合利用。9.2.1太阳能光热建筑应用太阳能光热建筑应用主要包括太阳能热水、太阳能供暖及光热太阳能制冷空调。1.太阳能热水系统太阳能热水系统是指利用温室原理,将太阳辐射能转变为热能,并向冷水传递热量,从而获得热水的一种系统。它由集热器、蓄热水箱、循环管道、支架、控制系统及相关附件组成,必要时需要增加辅助热源。其中,太阳能集热器是太阳能热
14、水系统中,把太阳能辐射能转换为热能的主要部件。(1)太阳能集热器经过多年的开发研究,太阳能集热器已经进入较为成熟的阶段,主要有三大类:闷晒式太阳能集热器、平板式太阳能集热器、真空管式太阳能集热器。目前,使用最广泛的为平板式太阳能集热器和真空管式太阳能集热器。太阳能光热、光伏建筑应用1)闷晒式太阳能集热器。闷晒式太阳能集热器是最简单的集热器,集热器与水箱合为一体,直接通过太阳能辐射照射加热水箱内的水,冷热水的循环和流动在水箱内部进行,加热后直接使用,是人类早期使用的太阳能热水装置。其工作温度低,成本廉价,全年太阳能量利用率约为20%,多用在我国农村地区,但其结构笨重,热水保温问题不易解决。表9-
15、1汇总了几种具有代表性的闷晒式太阳能热水装置。太阳能光热、光伏建筑应用2)平板式太阳能集热器。平板式太阳能集热器是在17世纪后期发明的,直到1960年以后才真正进入深入研究和规模化应用。其吸热面积与透光面积相同,又称为非聚光型太阳能集热器。除闷晒式太阳能集热器以外,平板式太阳能集热器的制造成本最低,但每年只能有67个月的使用时间,冬季不能有效使用,防冻性能差,运行温度不得低于0。在夏季多云和阴天时,太阳能吸收率较低。图9-1平板式太阳能集热器及截面图太阳能光热、光伏建筑应用平板式太阳能集热器的工作原理是:在一块金属片上涂以黑色,置于阳光下,以吸收太阳能辐射而使其温度升高;金属片内有流道,使流体
16、通过并带走热量;向阳面加玻璃罩盖,起温室效应,背板上衬垫保温材料,以减少板对环境的散热,提高太阳能集热器的热效率。平板式太阳能集热器一般由吸热板、盖板、保温层和外壳4部分组成。图9-2所示为平板式太阳能集热器的结构示意图。吸热板的结构形式很多,图9-3所示为吸热板的常见断面形状。图9-3吸热板的常见断面形状图9-2平板式太阳能集热器的结构示意图1玻璃盖板2保温材料3吸热板4排管5外壳6散射太阳能辐射7直射太阳能辐射太阳能光热、光伏建筑应用平板式太阳能集热器损失大,难以达到80以上的工作温度,冬季热效率低。由于吸收膜层暴露在空气中,高温条件下氧化严重,流道细,易结垢且无法清除,系统一般运行45年
17、后热性能即急剧下降。现阶段在我国大中城市中使用较少,多用在我国广东、福建南部、海南地区。但由于其造价、热效率、人工费用等方面的特点与欧洲国家的国情和气候特点相符,所以在欧洲各国有着较广泛的市场和较大的市场占有率。3)真空管式太阳能集热器。为了减少平板式太阳能集热器的热损,提高集热温度,国际上20世纪70年代研制成功了真空集热管,其吸收体被封闭在高真空的玻璃真空管内,充分发挥了选择性吸收涂层的低发射率及降低热损的作用,最高温度可以达到120。根据集热管的集热、取热的不同结构,表9-2汇总了不同种类的真空管,包括全玻璃真空集热管、热管式真空集热管、U形管式真空集热管、同轴套管式真空集热管、内聚光式
18、真空集热管、直通式真空集热管、贮热式真空集热管。太阳能光热、光伏建筑应用太阳能光热、光伏建筑应用(续)太阳能光热、光伏建筑应用 全玻璃真空集热管,采用管内装水,在运行过程中若有一根管坏掉,整个系统就停止运行。热管式真空集热管,在全玻璃真空管中插入焊接有金属翼片的热管,结构复杂及造价高。U形管式真空集热管,是在全玻璃真空管中插入U形金属管,玻璃管不直接接触被加热流体,在低温环境中散热少,整体效率高;以水为工质时,存在金属管冻裂和结垢问题。同轴套管式真空集热管,是在热管的位置上用两根内外相套的金属管代替玻璃管,工作时,冷水从内管进入真空管,被吸热板加热后,热水通过外管流出;直接加热工质,热效率较高
19、。内聚光式真空集热管,是在真空管内加聚光反射面的一种集热管,管中的聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上,运行温度较高,有时可达150以上。直通式真空集热管,传热介质由吸热管的一端流入,经在真空管内加热后,从另一端流出,运行温度高且易于组装,特别适合应用于大型太阳能热水工程。如果与聚光反射镜结合使用,其温度可达300400。太阳能光热、光伏建筑应用 贮热式真空集热管,是将大直径真空集热管与贮热水箱结合为一体的真空管热水器,白天使用时,冷水通过内插管徐徐注入,将热水顶出使用;到晚上,由于有真空隔热,筒内的热水温度下降很慢。其结构紧凑,不需要水箱,可根据用户需求来设计。(2)系统的分类及运行方
20、式1)系统的分类。根据实际用途,太阳能热水系统分为供家庭使用的太阳能热水系统(通常称为家用太阳能热水系统)和供大型浴室、住宅及酒店等建筑集中使用的太阳能热水系统(或称为太阳能热水工程)。根据国家标准规定,贮热水箱水容量在600L以下的为家用太阳能热水系统。根据太阳能集热系统与太阳能热水供应系统的关系,太阳能热水系统分为直接式系统(一次循环系统)和间接式系统(也称二次循环系统)。太阳能热水系统按有无辅助热源分为有辅助热源系统和无辅助热源系统。按供热水范围分为集中供热水系统、局部供热水系统;按系统是否承压又为承压太阳能热水系统和非承压太阳能热水系统。太阳能光热、光伏建筑应用太阳能热水系统按水箱与集
21、热器的关系分为紧凑式系统、分离式系统和闷晒式系统。闷晒式系统是指集热器和贮水箱结合为一体的系统;紧凑式系统是指集热器和贮水箱相互独立,但贮水箱直接安装在太阳能集热器上或相邻位置的系统;分离式系统是指贮水箱和太阳能集热器之间分开一定距离安装的系统。在实际太阳能热水系统工程中,主要使用分离式系统。其中,紧凑式及分离式太阳能热水系统的常见形式见表9-3。太阳能光热、光伏建筑应用2)系统的运行方式。按系统中水的流动方式,大体上可分为自然循环式、直流式和强制循环式3大类。自然循环式热水系统又可以分为自然循环式、自然循环定温放水式。直流式,也称变流量定温式,直接利用自来水压力或其他附加压力。太阳能热水系统
22、形式汇总见表9-4。太阳能光热、光伏建筑应用(续)太阳能光热、光伏建筑应用(3)太阳能热水系统建筑应用长期以来,家用太阳能热水器一般是在房屋建成后,由用户直接购买,由经销商上门安装的,如图9-4所示。这种利用方式会对建筑物外观和房屋相关使用功能造成一定影响和破坏,制约了太阳能热水器在建筑上的应用与发展。因此,发展出了太阳能热水器/系统一体化建筑。表9-5所示为几个太阳能热水系统建筑应用案例。图9-4某小区屋顶真空管式太阳能热水器太阳能光热、光伏建筑应用2.太阳能供暖太阳能供暖分为主动式和被动式两大类。主动式太阳能供暖是以太阳能集热器、管道、风机或泵、末端散热设备及储热装置等组成的强制循环太阳能
23、供暖系统;被动式则是通过建筑朝向和周围环境的合理布置,内部空间的外部形态的巧妙处理,以及建筑材料和结构、构造的恰当选择,使房屋在冬季能集取、保持、存储、分布太阳热能,适度解决建筑物的供暖问题。运用被动式太阳能供暖原理建造的房屋称为被动式供暖太阳房。主动式太阳能供暖系统由暖通工程师设计,被动式供暖太阳房则主要由建筑师设计。(1)被动式供暖太阳房被动式供暖太阳房的类型很多,到目前为止尚无统一的划分标准,分类方法也不尽相同。从太阳能的利用方式来区分,被动式供暖太阳房可分为两大类,直接受益式和间接受益式。直接受益式,太阳能辐射能直接穿过建筑透光面进入室内;间接受益式,太阳能通过一个接受部件(或称太阳能
24、集热器),这种接受部件实际上是建筑组成的一部分或在屋面或在墙面,而太阳能辐射能在接受部件中转换成热能再经由送热方式对建筑供暖。直接受益式和间接受益式的被动式供暖太阳房可分为以下6种:太阳能光热、光伏建筑应用1)直接受益式:太阳光穿过透光材料直接进入室内的供暖形式,如图9-5所示。直接受益式的太阳房,本身成为一个包括太阳能集热器、蓄热器和分配器的集合体。这种太阳能供暖方式最直接、最简单,效果也最好,但是当在夜间且建筑物保温和蓄热性能较差时,室内降温快,温度波动大。有效的措施是增加透光面的夜间保温,如选用活动保温窗帘(图9-6a)、保温扇(图9-6b)、保温板等。图9-5直接受益式图9-6活动保温
25、窗帘和活动保温扇太阳能光热、光伏建筑应用2)集热蓄热墙式:太阳光穿过透光材料照射集热蓄热墙,墙体吸收辐射热后以对流、传导、辐射方式向室内传递热量的供暖形式,如图9-7所示。它是间接受益式被动式供暖太阳房的一种。透光面后面的墙体一般采用具有一定蓄热能力的混凝土或砖砌体,又名“特朗勃墙”(Trombe Wall)。通常墙体上开有上下通风口:冬季,在玻璃和墙体夹层中的空气被加热后,形成向室内输送热风的对流循环,夜间关闭上下通风口,以防止逆循环;夏季,只通过墙上部的气孔与室外通风,排出室内热空气。另外一种形式是在玻璃后面设置一道“水墙”,通过“水墙”向室内传导、辐射或对流传递热量,如图9-8所示,国内
26、较少见,主要应用在国外。图9-7集热蓄热墙式图9-8水墙集热蓄热墙式太阳能光热、光伏建筑应用3)附加阳光间式:在房屋主体南面附加一个玻璃温室,被加热的空气可以直接进入室内或者热量通过房间和温室之间的蓄热墙传入室内,如图9-9所示。白天,阳光间将热量传向室内;夜间则作为室内外的缓冲区,减少房间热损失。也可以在阳光间加设保温,以增加冬季夜间的保温效果;或在阳光间内种植蔬菜和花草美化环境,如图9-10所示。图9-9附加阳光间式图9-10阳光间内种植蔬菜和花草太阳能光热、光伏建筑应用4)屋顶集热蓄热式:利用屋顶进行集热蓄热。利用屋顶进行集热器蓄热,以及在屋顶设置集热蓄热装置,并加设活动保温板,夏季保温
27、板夜开昼合,冬季夜合昼开,从而实现夏季降温和冬季供暖双重作用。屋顶不设置保温层,只起到承重和围护作用。但活动保温板面积较大,操控困难。另一种方法是修建水屋面,但由于承重问题,不利于抗震防震。两种屋面形式如图9-11所示。图9-11集热蓄热屋面太阳能光热、光伏建筑应用5)热虹吸式(又称对流环路式):利用热虹吸作用通过自然循环向室内散热,并设置有蓄热体,如图9-12所示。这种形式的太阳房适用于建在山坡上的房屋,集热器低于建筑物地面。一般借助建筑地坪与室外地面的高差位置安装空气集热器,并用风道与设在室内地面以下的卵石储热床相连通。白天集热器中的空气(或水)被加热后,由温差产生热虹吸作用,通过风道(或
28、水管)上升到上部的岩石贮热层,热量被岩石吸收变冷再流回集热器底部,进行下一次循环。夜间岩石贮热层通过送风口以对流方式向房间供暖。这种形式一般要借助风扇强制循环。图9-12对流环路集热方式太阳能光热、光伏建筑应用6)综合式:由上述两种或两种以上的基本类型组合而成的被动式太阳房。不同类型的被动式太阳房都有各自的独特之处,不同供暖方式的结合使用,就可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能供暖系统。图9-13所示是由直接受益窗和集热墙两种形式集合而成的综合式太阳房,可同时具有白天自然照明和全天太阳能供暖比较均匀的优点。图9-13直接受益窗和集热墙综合式太阳房太阳能光热、光伏建筑应用(2)主动式太阳能
29、供暖主动式太阳能供暖系统主要由集热器、贮热器、供暖末端设备、辅助加热装置和自动控制系统等部分组成。按热媒种类的不同,主动式太阳能供暖系统可分为空气加热系统及水加热系统。1)空气加热系统。图9-14所示是以空气为集热介质的太阳能供暖系统。其中,风机1的作用是驱动空气在集热器与贮热器之间循环,让空气吸收集热器中的供暖板的热量,然后传送到贮热器储存起来,或直接送往建筑物。风机2的作用则是驱动空气在建筑物与贮热器之间循环,让建筑物内冷空气在贮热器中被贮热介质加热,然后送往建筑物。由于太阳能辐射能量在每天,尤其是一天当中变化很大,一般来说需安装锅炉或电加热器等辅助加热装置。图9-14太阳能空气加热系统太
30、阳能光热、光伏建筑应用集热器是太阳能供暖的关键部件。由于空气的容积比热容较小,与集热器中供暖板的换热系数较水而言也小得多;因此,应用空气作为集热介质时,需集热器有一个较大的体积和传热面积。当前已研制出几种空气太阳能集热器的供暖板,如图9-15所示。这种系统的优点是集热器不会出现冻坏和过热情况,可直接用于热风供暖,控制使用方便;缺点是所需集热器面积大。图9-15几种空气太阳能集热器的供暖板太阳能光热、光伏建筑应用2)水加热系统。水加热太阳能供暖系统是指利用太阳能加热水,然后让被加热的水通过散热器向室内供暖的系统。它同太阳能热水系统非常相似,只是太阳能热水系统是生产热水直接供生活使用,而水加热太阳
31、能供暖系统则是将生产的热水流过安装在室内的散热器向室内散热。水加热太阳能供暖系统和太阳能热水系统的关键部件都是太阳能集热器,在太阳能热水系统已做介绍,这里不再赘述。图9-16所示是以水为集热介质的太阳能供暖系统。图9-16以水为集热介质的太阳能供暖系统太阳能光热、光伏建筑应用此系统以贮热水箱与辅助加热装置作为供暖热源。当有太阳能可采集时,开动水泵1,使水在集热器与水箱之间循环,吸收太阳能来提高水温;水泵2的作用是保证负荷部分供暖热水的循环;旁通管路可以避免用辅助能量加热贮热水箱。根据设计要求,一般有三种工作状态:假设供暖热媒温度为40、回水温度为25,当收集温度超过40时,辅助加热装置就不工作
32、;当收集温度介于4025之间,水循环通过贮热水箱,辅助加热器起补充作用,把水温提高到40;当收集温度降到25以下,系统中水量只通过旁通管路,供暖所需热量全部由辅助加热装置提供,暂不使用太阳能。3.太阳能光热空调制冷太阳能制冷空调主要可以通过光-热和光-电转换两种途径实现。光-热转换制冷是指太阳能通过太阳能集热器转换为热能,根据所得到的不同热能品位,驱动不同的热力机械制冷。太阳能热力制冷可能的途径主要有除湿冷却空调、蒸气喷射制冷、朗肯循环制冷、吸收式制冷/吸附式制冷和化学制冷等。太阳能光热、光伏建筑应用光-电转换制冷是指太阳能通过光伏发电转化为电力,然后通过常规的蒸气压缩制冷、半导体热电制冷或斯
33、特林循环等方式来实现制冷。图9-17所示为太阳能制冷技术途径。本书只介绍太阳能光热空调制冷。图9-17太阳能制冷技术途径太阳能光热、光伏建筑应用太阳能空调的最大优点在于季节适应性好。一方面,夏季烈日当头,太阳辐射能量剧增,在炎热天气下,人们迫切需要空调制冷;另一方面,由于夏季太阳辐射能量增加,使依靠太阳能来驱动的空调系统可以产生更多的冷量;太阳能空调系统的制冷能力随着太阳辐射能量的增加而增大,正好与夏季人们对空调的迫切要求相匹配。(1)太阳能吸收式制冷系统太阳能吸收式制冷系统,是利用太阳能集热器提供吸收式制冷循环所需要的热源,保证吸收式制冷机正常运行,从而实现制冷的系统。它包括太阳能热利用系统
34、和吸收式制冷系统两个部分,一般由太阳能集热器、吸收式制冷机、空调箱(或风机盘管)、辅助加热器、水箱和自动控制系统等组成。太阳能吸收式制冷原理如图9-18所示。太阳能光热、光伏建筑应用图9-18太阳能吸收式制冷原理太阳能光热、光伏建筑应用太阳能吸收式空调可以实现夏季制冷、冬季供暖、全年提供生活热水等多项功能。夏季时,被加热的热水首先进入贮水箱,达到一定温度后,向吸收式制冷机提供热源水,降温后再流回贮水箱;而从吸收式制冷机流出的冷冻水通入空调房间实现制冷。当太阳能集热器提供的热量不足以驱动吸收式制冷机时,由辅助热源提供热量。冬季时,相当于水加热太阳能供暖系统,被太阳能集热器加热的热水流入贮水箱,当
35、热水温度达到一定值时,直接接入空调房间实现供暖。当热量不足时,也可以使用辅助热源。在非空调供暖季节,就相当于太阳能热水系统,只要将太阳能集热器加热的热水直接通向生活热水贮水箱,就可以提供所需的生活热水。太阳能光热、光伏建筑应用(2)太阳能吸附式制冷系统太阳能吸附式制冷主要是利用具有多孔性的固体吸附剂对制冷剂的吸附(或化学吸收)和解吸作用实现制冷循环的。吸附剂和制冷剂形成吸附制冷工质对。制冷温度低于零度的常用工质对为活性炭-甲醇等,建筑空调系统制冷温度高于零度的常用工质对为沸石-水、硅胶-水等。吸附剂的再生温度一般在80150,适合利用太阳能。吸附式制冷通常包含以下两个阶段:1)冷却吸附蒸发制冷
36、:通过水、空气等热沉带走吸附剂显热与吸附热,完成吸附剂对制冷剂的吸附,制冷剂的蒸发过程实现制冷。2)加热解吸冷凝排热:吸附制冷完成后,再利用热能(如太阳能、废热等)提供吸附剂的解吸热,完成吸附剂的再生,解吸出的制冷剂蒸气在冷凝器中释放热量,重新回到液体状态。太阳能光热、光伏建筑应用图9-19所示为太阳能吸附式制冷原理。太阳能吸附式制冷根据制冷系统的运行方式一般可分为连续式制冷系统和间歇式制冷系统。建筑空调系统中应用一般需要连续运行,因此需要多个吸附床联合运行,在某个吸附床解吸时其他吸附床可以吸附制冷。图9-19太阳能吸附式制冷原理太阳能光热、光伏建筑应用(3)太阳能除湿制冷系统太阳能除湿式制冷
37、通过吸湿剂吸附空气中的水蒸气,降低空气的湿度来实现制冷。它的制冷过程实际是直流式蒸发冷却空调过程,不借助专门的制冷机。它利用吸湿剂对空气进行减湿,然后将水作为制冷剂,在干空气中蒸发降温,对房间进行温度和湿度的调节,用过的吸湿剂则被加热进行再生。系统使用的吸湿剂有固态吸湿剂(如硅胶等)和液态吸湿剂(如氯化钙、氯化锂等)两类。除湿器可采用蜂窝转轮式(对于固态干燥剂)和填料塔式(对于液态干燥剂)两种形式。采用固体吸湿剂系统,如图9-20所示,其运行原理为:室外空气通过除湿转轮后湿度降低,温度升高,通过换热器后被空调排风冷却,然后进入蒸发加湿器蒸发降温变成低温饱和空气进入房间;在房间内被加热后变成不饱
38、和空气;房间的不饱和排风通过第二级的蒸发冷却后温度降低,在换热器中温度升高,然后进入太阳能空气集热器进一步升温,升温后的空气将除湿转轮中的吸湿剂再生后排入室外。转轮的迎风面可以分成工作区和再生区,转轮缓慢旋转,从工作区移动到再生区,又从再生区返回到工作区,从而使除温过程和再生过程周而复始地进行。太阳能光热、光伏建筑应用太阳能集热器也可以采用液体集热器,然后通过换热器来加热再生用的热风。图9-21给出了与液体太阳能集热器配合使用的转轮式太阳能除湿冷却空调装置示意图。该装置采用水作为制冷剂,清洁环保,但在湿度较大地区效果较差,且体型较大,一般用在需要大量新风的建筑中。图9-20转轮式太阳能除湿制冷
39、系统图9-21转轮式太阳能除湿冷却空调装置示意图太阳能光热、光伏建筑应用采用液体吸湿剂的制冷系统,主要是利用除湿溶液再生温度低的特点,通过太阳能集热器将太阳辐射能量收集起来用于除湿空调吸湿剂的再生。(4)太阳能蒸汽压缩式制冷系统太阳能蒸汽压缩式制冷系统,是将太阳能作为驱动热机的热源,使热机对外做功,带动蒸汽压缩制冷机来实现制冷的。它主要由太阳集热器、蒸汽轮机和蒸汽压缩式制冷机3大部分组成,它们分别依照太阳集热器循环、热机循环和蒸汽压缩式制冷机循环的规律运行。(5)太阳能蒸汽喷射式制冷系统太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射式制冷机两大部分组成,它们分别依照太阳集热器循环和蒸汽喷射
40、式制冷机循环的规律运行。在整个系统中,太阳能集热器循环只用来为锅炉热水运行预加热,以减少锅炉燃料消耗,降低燃料费用。其工作原理如图9-22所示。太阳能光热、光伏建筑应用图9-22太阳能蒸汽喷射式制冷系统工作原理示意图太阳能光热、光伏建筑应用9.2.2太阳能光伏建筑应用1.光伏发电原理“光伏发电”是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式,其发电原理是“光生伏打效应”。如图9-23所示,普通的晶体硅太阳能电池由两种不同导电类型(n型和p型)的半导体构成,分为两个区域:一个正电荷区,一个负电荷区。当阳光投射到太阳能电池时,内部产生自由的电子-空穴对,并在电池内扩散,自由电子被p-n结扫向n区,空
41、穴被扫向p区,在p-n结两端形成电压,当用金属线将太阳能电池的正负极与负载相连时,在外电路就形成了电流。太阳能电池的输出电流受自身面积和光照强度的影响,面积较大的电池能够产生较强的电流。图9-23光伏发电原理太阳能光热、光伏建筑应用2.光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统是利用光伏电池板直接将太阳辐射能转化成电能的系统,主要由太阳能电池板、电能储存元件、控制器、逆变器以及负载等部件构成,如图9-24所示。图9-24光伏发电系统组成示意图太阳能光热、光伏建筑应用(1)太阳能电池板1)太阳能电池的分类。太阳能电池板是太阳能光伏系统的关键设备,多为半导体材料制造,发展至今,已种类繁多,形式各样。从晶
42、体结构来分,有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。从材料体型来分,有晶片太阳能电池和薄膜太阳能电池。从内部结构的p-n结多少或层数来分,有单节太阳能电池、多节太阳能电池或多层太阳能电池。按照材料的不同,还可分为如下几类:单晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池是由圆柱形单晶硅锭修掉部分圆边,然后切片而成的,所以单晶硅太阳能电池成准正方形(四个角呈圆弧状)。因制造商不同,其发电效率为14%17%。图9-25所示为单晶硅太阳能电池片及电池组件。太阳能光热、光伏建筑应用 多晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池是由方形或矩形的硅锭切片而成的,四个角为方角,表面有类似冰花一样的花纹。其电池效率只
43、有约12%,但是制造所需能量较单晶硅太阳能电池低约30%。图9-26所示为多晶硅太阳能电池片及电池组件。图9-25单晶硅太阳能电池片及电池组件图9-26多晶硅太阳能电池片及电池组件太阳能光热、光伏建筑应用 非晶硅薄膜太阳能电池。它是由硅直接沉积到金属衬板(铝、玻璃甚至塑料)上生成薄膜光电材料后,再加工制作而成的,如图9-27所示。它可以制作成连续的长卷,可以与木瓦、屋面材料,甚至书包结合到一起。但非晶硅材料经长时间阳光照射后不稳定,目前多用于手表和计算器等小型电子产品中。化合物半导体太阳能电池。太阳能电池还可以由半导体化合物制作,如砷化镓太阳能电池、镓铟铜太阳能电池、硫化镉太阳能电池、碲化镉太
44、阳能电池和镓铟磷太阳能电池等。图9-27非晶硅薄膜太阳能电池太阳能光热、光伏建筑应用2)太阳能电池、组件及方阵。单体太阳能电池是太阳能电池的最基本单元;多个电池片串联而成太阳能电池组件,它是构成最小实用型功率系统的基本单元;将多个太阳能电池组件组装在一起组成光伏方阵。图9-28所示为电池片、组件、电池板和方阵。图9-28电池片、组件、电池板和方阵太阳能光热、光伏建筑应用3)组件的串联和并联。太阳能电池件组件同普通电源一样,也采用电压值和电流值标定。在充足的阳光下4050W组件的标称电压是12V(最佳电压17V),电流大约为3A。组件可以根据需要组合到一起,以得到不同电压和电流的太阳能电池板。(
45、2)电能储存元件由于太阳能辐射随天气阴晴变化无常,光伏电站发电系统的输出功率和能量随时在波动,使得负载无法获得持续而稳定的电能供应,电力负载在与电力生产量之间无法匹配。为解决上述问题,必须利用某种类型的能量储存装置将光伏电池板发出的电能暂时储存起来,并使其输出与负载平衡。目前,光伏发电系统中使用最普遍的能量储存装置是蓄电池组,白天转换来的直流电储存起来,并随时向负载供电;夜间或阴天时再释放出电能。蓄电池组还能在阳光强弱相差过大或设备耗电突然发生变化时,起一定的调节作用。(3)控制器在运行中,控制器用来报警或自动切断电路,以保证系统负载正常工作。(4)逆变器逆变器的功能是将直流电转变成交流电。太
46、阳能光热、光伏建筑应用3.建筑光伏应用在建筑物上安装光伏系统的初衷是利用建筑物的光照面积发电,既不影响建筑物的使用功能,又能获得电力供应。建筑光伏应用一般分为建筑附加光伏(BAPV)和建筑集成光伏(BIPV)两种。建筑附加光伏(BAPV)是把光伏系统安装在建筑物的屋顶或者外墙上,建筑物作为光伏组件的载体,起支承作用;建筑集成光伏(BIPV)是指将光伏系统与建筑物集成一体,光伏组件成为建筑结构不可分割的一部分;如果拆除光伏系统则建筑本身不能正常使用。建筑光伏应用有以下几种形式:(1)光伏系统与建筑屋顶相结合光伏系统与建筑屋顶相结合,日照条件好,不易受到遮挡,可以充分接收太阳辐射;光伏屋顶一体化建
47、筑,由于综合使用材料,可以节约成本,如图9-29所示。太阳能光热、光伏建筑应用(2)光伏与墙体相结合多、高层建筑外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。为了合理地利用墙面收集太阳能,将光伏系统布置于建筑物的外墙上。这样既可以利用太阳能产生电力,满足建筑的需求;还可以有效降低建筑墙体的温度,从而降低建筑物室内空调冷负荷。如图9-30所示,光伏组件附着于墙面。图9-29住宅、厂房及上海世博会主题馆光伏屋顶图9-30光伏组件附着于墙面太阳能光热、光伏建筑应用(3)光伏幕墙它由光伏组件同玻璃幕墙集成化而来,不多占用建筑面积,优美的外观具有特殊的装饰效果,更赋予建筑物鲜明的现代科技和时代特色。图9-31所示
48、为正泰太阳能C厂房薄膜幕墙。图9-32所示为某光伏幕墙内景。(4)光伏组件与遮阳装置相结合太阳能电池组件可以与遮阳装置结合,一物多用,既可有效地利用空间,又可以提供能源,在美学与功能两方面都达到了完美的统一,如停车棚等。图9-33所示为建筑物光伏遮阳及太阳能光伏车棚图例。图9-31正泰太阳能C厂房薄膜幕墙图9-32某光伏幕墙内景太阳能光热、光伏建筑应用(4)光伏组件与遮阳装置相结合太阳能电池组件可以与遮阳装置结合,一物多用,既可有效地利用空间,又可以提供能源,在美学与功能两方面都达到了完美的统一,如停车棚等。图9-33所示为建筑物光伏遮阳及太阳能光伏车棚图例。图9-33建筑物光伏遮阳及太阳能光
49、伏车棚图例太阳能光热、光伏建筑应用9.2.3太阳能综合利用太阳能在建筑中的综合利用,即利用太阳能满足房屋居住者舒适水平和使用功能所需要的大部分能量供应,如供暖、空调、热水供应、供电等。1.光伏光热系统光伏光热系统,即实现太阳能光伏和光热综合利用的系统。其所用设备称为光伏光热一体化组件,一般称为PV/T(photovoltaic/thermal collector)。根据试验表明,硅光伏发电模块的实际发电量不仅取决于吸收和传输的太阳辐射,还取决于电池的实际工作温度温度每升高1K,则光伏发电模块的发电量将降低额定容量的0.5%。因此,通过在太阳能光伏板背部回收热量,降低光伏板温度,既可以提高电池发
50、电效率,又可以获得额外的热量,供其他方面利用,即实现太阳能热电联产。根据实现功能不同,光伏光热系统可分为光伏热水系统、光伏供暖系统、光伏空调系统。根据光伏板背面冷却介质不同,光伏光热系统一般分为风冷却系统、水冷却系统、制冷剂冷却系统等。太阳能光热、光伏建筑应用(1)风冷却光伏光热系统即用空气冷却光伏板背面,降低光伏板温度;同时,加热后的空气,也可以用作其他用途,如供暖等。一般风冷却采用自然对流,热风不做回收,主要目的是提高太阳能发电效率。图9-34所示为Solar Wall公司PV/T空气冷却墙。(2)水冷却光伏光热系统即用水冷却光伏板背面,降低光伏板温度;同时,加热后的水,也可以用作其他用途
