建筑節(jié)能風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)運(yùn)用

1、建筑節(jié)能風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)運(yùn)用    1概述建筑作為人類日常生活必須的物質(zhì)載體，每年消耗著大量的能源，在城市化程度高的國家，建筑能耗約占總能耗的3040。在目前能源Et益短缺的情況下，不斷提高建筑物的能源利用率就顯得十分必要。而在建筑節(jié)能中融入新能源發(fā)電技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)新建筑技術(shù)與生態(tài)能源發(fā)展的重要途徑。新能源在建筑節(jié)能中的應(yīng)用，較早表現(xiàn)在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)方面。但建筑節(jié)能與光伏發(fā)電單一的結(jié)合形式，使系統(tǒng)所發(fā)出的電能質(zhì)量及可靠性較差。風(fēng)能、太陽能作為可利用的自然可再生能源，兩者在轉(zhuǎn)換過程中都受季節(jié)、地理和天氣氣候等多種因素制約。但是，兩者的變化趨勢基本相反，如果

2、揚(yáng)長避短、相互配合，則能發(fā)揮出最大的作用。特別是在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，獨(dú)立供電系統(tǒng)成為必需的動(dòng)力源。同時(shí)，在系統(tǒng)中配置必要的儲(chǔ)能設(shè)施，結(jié)合風(fēng)能、太陽能的特點(diǎn)，構(gòu)成風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)，能改善系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)供電可靠性。風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)與建筑節(jié)能有機(jī)結(jié)合能充分利用建筑物所在地區(qū)的風(fēng)能和太陽能資源，符合能源可持續(xù)發(fā)展的需求。其優(yōu)勢包括以下幾點(diǎn)：有效減少占地費(fèi)用，風(fēng)電機(jī)組及光伏組件可在高層建筑上合理配置；獨(dú)立的發(fā)配電系統(tǒng)的運(yùn)行減少了線路傳輸損耗；應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)使建筑供電系統(tǒng)成為完全不依賴于公用電網(wǎng)的獨(dú)立電源系統(tǒng)在中國的西北、美國明尼蘇達(dá)等地區(qū)風(fēng)能資源豐富、Et照充足，特別適合風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用。2基于風(fēng)光儲(chǔ)

3、發(fā)電技術(shù)的節(jié)能設(shè)計(jì)風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)的建筑節(jié)能系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏組件、儲(chǔ)能設(shè)備、換流控制器及交直流負(fù)載等部分組成。其基本工作原理是：風(fēng)機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)整流器整流后，與光伏電池發(fā)出的直流電，在控制器的控制下同時(shí)或單獨(dú)向蓄電池充電，經(jīng)逆變器將直流電變換為交流電，通過交流配電系統(tǒng)輸送到用戶?？刂破骺刂浦鴥蓚€(gè)系統(tǒng)最大程度地發(fā)揮各自的效能，同時(shí)又要保證不會(huì)對(duì)蓄電池過充電，穩(wěn)定電壓，使系統(tǒng)在恒壓充電狀態(tài)下工作?；陲L(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)的建筑節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括光伏建筑一體化設(shè)計(jì)、風(fēng)能建筑一體化設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能建筑一體化設(shè)計(jì)及換流器設(shè)計(jì)。21光伏建筑一體化設(shè)計(jì)光伏建筑一體化是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成或結(jié)合到建

4、筑上的技術(shù)，其不僅有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，同時(shí)又能產(chǎn)生電能供建筑使用。光伏建筑一體化一般分為獨(dú)立安裝型和建材安裝型兩類。獨(dú)立安裝型是指普通太陽能電池板施工時(shí)通過特殊的裝配件把太陽電池板同周圍建筑結(jié)構(gòu)體相連。建材安裝型則是指在生產(chǎn)時(shí)把太陽能電池片直接封裝在特殊建材內(nèi)，或做成獨(dú)立建材的形式，如屋面瓦單元、幕墻單元、外墻單元等，外表面設(shè)計(jì)有防雨結(jié)構(gòu)，施工時(shí)按模塊方式拼裝，集發(fā)電功能與建材功能一體，施工成本低。建材安裝型一般分為4種方式，分別為屋頂一體化、墻面一體化、建筑構(gòu)件一體化及建筑立面LED一體化。圖1為美國某火車站光電屋面工程，其總面積706063m，光電板使用面積為464515m，發(fā)電峰值功率為

5、250kW；圖2為中國某辦公樓光電幕墻，光伏電池板面積32288m，發(fā)電功率為161kW。圖1美國某火車站光電屋面圖2中國某辦公樓光電冪墻在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)上應(yīng)綜合考慮以下因素。(1)在外觀上，兼顧太陽能的利用及建筑美觀，無論是在屋頂還是在立面墻上，應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。(2)在墻面的選擇上，首選南立面墻(向陽面)以期最大程度利用太陽能，其次可考慮選擇東南面墻或西南面墻。(3)在屋頂角度的選擇上，考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，盡可能選擇與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢隆?4)在結(jié)構(gòu)上，要妥善解決光伏電池板的安裝問題，確保建筑物的承重、防水等功能不受影響，還要充分考慮光伏電池板抵抗強(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雹等自然災(zāi)害的能力。2

6、2風(fēng)能建筑一體化設(shè)計(jì)風(fēng)能與建筑一體化的結(jié)合分為直接結(jié)合和間接結(jié)合兩種形式。間接結(jié)合主要指風(fēng)電機(jī)組融于建筑綠地、建筑物附近有較大的空地；直接結(jié)合一般指將風(fēng)電機(jī)組直接集成到建筑物中。風(fēng)能建筑一體化設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮如下因素。(1)分析建筑物所在地區(qū)風(fēng)資源情況，了解風(fēng)速、風(fēng)功率密度及主風(fēng)向等資料，以便確定風(fēng)電機(jī)組布置。(2)考慮建筑物和風(fēng)電機(jī)組的協(xié)調(diào)布置，以達(dá)到風(fēng)能的充分利用及建筑物美觀的完美結(jié)合。(3)依據(jù)高層建筑風(fēng)環(huán)境特點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)通常安裝在風(fēng)阻較小的屋頂或風(fēng)力被強(qiáng)化的洞口、夾縫等部位。(4)建筑物屋頂風(fēng)力大、環(huán)境干擾小，是安裝風(fēng)力機(jī)的最佳位置。風(fēng)力機(jī)應(yīng)高出屋面一定距離，以避開檐口處的渦流區(qū)。建筑物中

7、部開口處，風(fēng)力被匯聚和強(qiáng)化，產(chǎn)生強(qiáng)勁的“穿堂風(fēng)”，適宜安裝定向式風(fēng)力機(jī)。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和噪音等問題，很難大規(guī)模地應(yīng)用于一體化設(shè)計(jì)。但在2007年6月竣工的巴林世貿(mào)中心，卻成功地將大型風(fēng)輪機(jī)集成到建筑當(dāng)中，設(shè)計(jì)師在建筑物的雙塔之間16、25層和35層處分別設(shè)置了1座重達(dá)75t的跨越橋梁，3個(gè)直徑達(dá)29m的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被固定在這3座橋梁之上。每年可為大樓提供1015的電力，即110萬一130萬kWh，堪稱風(fēng)能建筑一體化的典范之作(圖3)。圖3巴林世貿(mào)中心風(fēng)能建筑一體化美國邁哈密COR環(huán)保大廈則是風(fēng)能和太陽能與建筑結(jié)合的典型案例，見圖4。在這棟大樓上用最新的風(fēng)力渦輪機(jī)、光電板和太陽能熱水器

8、來提供大樓所需的一部分能源；建筑頂部四面墻上安裝多個(gè)固定式水平軸風(fēng)力機(jī)；大樓外立面骨骼狀的殼體，不僅是大樓的支撐結(jié)構(gòu)，而且它還有隔熱，遮陽的作用。23儲(chǔ)能建筑一體化設(shè)計(jì)儲(chǔ)能技術(shù)與建筑一體化的結(jié)合也可分為直接結(jié)合和間接結(jié)合兩種形式，直接結(jié)合主要是指在一體化建筑中使用儲(chǔ)能建筑材料，比如相變儲(chǔ)能材料。間接結(jié)合一般指在建筑供電系統(tǒng)中配置必要的儲(chǔ)能設(shè)備。電能的儲(chǔ)存形式可具體分為機(jī)械、電磁、電化學(xué)電池三大類型，而近年來電池儲(chǔ)能受到越來越多的關(guān)注，其中鋰離子電池是高級(jí)電池中一種有廣泛應(yīng)用潛力的電池。目前，深圳某公司已開發(fā)出基于磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)的200kW×4h柜式儲(chǔ)能電站和1MW×4

9、h儲(chǔ)能示范站(目前實(shí)際投入運(yùn)行的容量為330kW×4h)，其應(yīng)用方向定位于削峰填谷和新能源靈活接入。在風(fēng)光儲(chǔ)建筑一體化設(shè)計(jì)中融于合適的儲(chǔ)能設(shè)備，既能改善電能質(zhì)量，又能提高供電可靠性，還可以使建筑供電系統(tǒng)成為完全不依賴于公用電網(wǎng)的獨(dú)立電源系統(tǒng)。24換流器設(shè)計(jì)換流器是風(fēng)光儲(chǔ)建筑節(jié)能系統(tǒng)的核心設(shè)備，應(yīng)具備能量雙向傳遞功能。其基本功能主要包括：將風(fēng)電機(jī)組整流器、光伏電池組件及儲(chǔ)能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電；在風(fēng)電機(jī)組及光伏電池組件輸出的能量除了供給整個(gè)建筑的用電外還有盈余時(shí)，換流控制器將直接對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電；如果風(fēng)光儲(chǔ)建筑節(jié)能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，在風(fēng)電機(jī)組及光伏組件無法輸出能量而儲(chǔ)能電池

10、能量不足時(shí)，換流器還可將公共電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電。雙向換流器還需配置電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于控制電池模塊，保證電池的安全可靠運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)除監(jiān)視電池運(yùn)行狀態(tài)外，還具有過壓、欠壓、溫度、漏電報(bào)警及保護(hù)功能，以及過流報(bào)警功能等。25對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)建筑節(jié)能系統(tǒng)的探討風(fēng)光儲(chǔ)建筑一體化系統(tǒng)能有效減少建筑對(duì)常規(guī)能源的消耗，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，提高能源利用率；省去了風(fēng)電機(jī)組和光伏組件的占地、基建等部分的費(fèi)用；同時(shí)減少了遠(yuǎn)距離電力輸送的損耗，降低了輸送成本及相應(yīng)的建設(shè)成本；該系統(tǒng)中由于采用了儲(chǔ)能技術(shù)使其能基本滿足日常生活中建筑的用電需求。要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)與建筑一

11、體化的綜合設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮如下因素。(1)分析建筑物所在地區(qū)風(fēng)能資源和太陽能資源情況，選擇合適的風(fēng)電機(jī)組和太陽能電池，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和太陽能利用效能最大化。(2)對(duì)建筑物的所有用電需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，既要了解常規(guī)用電需求，又要清楚高可靠性保安電源需求，以便合理選擇風(fēng)電機(jī)組容量、光伏組件容量、儲(chǔ)能電池容量。(3)合理選擇風(fēng)光儲(chǔ)容量配比，充分利用風(fēng)光在時(shí)間及地域上的天然互補(bǔ)性以及儲(chǔ)能電池的能量可存儲(chǔ)性，改善整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間功率輸出曲線，抑制風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響。(4)在建筑設(shè)計(jì)中，對(duì)風(fēng)電機(jī)組、光伏組件、儲(chǔ)能電池、換流器等相關(guān)設(shè)備必須系統(tǒng)地考慮和合理組織安排，如蓄電池組需要在干燥的環(huán)境中

12、使用，且應(yīng)置放在防潮、通風(fēng)的地方。(5)風(fēng)光儲(chǔ)建筑節(jié)能系統(tǒng)綜合一體化設(shè)計(jì)，從一開始就要求在建筑平面設(shè)計(jì)、剖面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選擇以及建筑材料的使用方面融于新能源利用技術(shù)的理念，進(jìn)一步確定建筑能量的獲取方式和建筑能量流線的概念，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)、造價(jià)以及其他生態(tài)因素的分析，最終得到多個(gè)生態(tài)因素最優(yōu)化的綜合建筑設(shè)計(jì)方案。建筑節(jié)能與風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)的結(jié)合是個(gè)新生事物，還缺乏設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但將風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能中，其在新能源利用、環(huán)保節(jié)能方面的意義是不可置疑的。為此，在選擇應(yīng)用技術(shù)方案上，還要重視以下問題。(1)就經(jīng)濟(jì)性而言，考慮當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，風(fēng)電成本最接近市電，光伏成本次之，儲(chǔ)能成本相對(duì)最高；

13、但并不意味風(fēng)光儲(chǔ)建筑節(jié)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)很高。在風(fēng)能資源和太陽能資源充足，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理的前提下，經(jīng)濟(jì)效益明顯；反之，可能很低。(2)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲、震動(dòng)、安全等及光伏組件光污染問題，可能對(duì)建筑物和居民生活構(gòu)成威脅。因此，選擇低噪聲、低震動(dòng)的風(fēng)機(jī)及高透光率的光伏組件很有必要。(3)風(fēng)能太陽能及儲(chǔ)能設(shè)備的利用，對(duì)建筑設(shè)計(jì)提出了新的、復(fù)雜的技術(shù)和美學(xué)要求。為了避免其相互影響，發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢，應(yīng)使建筑與風(fēng)光儲(chǔ)建筑節(jié)能系統(tǒng)在功能、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、材料、外觀上融為一體。3工程應(yīng)用舉例美國明尼蘇達(dá)州風(fēng)能資源豐富、太陽能資源較豐富。明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯市在2009年美國環(huán)保署公布的節(jié)能建筑城市排名第8位。

14、以明尼阿波利斯市某金融中心大樓為例，在考慮該大樓建筑設(shè)計(jì)方案時(shí)，為充分利用當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源，并考慮大樓的用電負(fù)荷需求，太陽能電池瓦的容量擬為200kWp。儲(chǔ)能單元的容量以能滿足大樓保安負(fù)荷需求為原則，初擬為300kWh。該金融中心位于市區(qū)中心，前后遮擋影響較大，太陽能與建筑的結(jié)合可考慮采用太陽能電池瓦。太陽能電池瓦組件的安裝角度受建筑約束小，可以采用最佳傾角安裝。一般而言，光伏組件獲得最大太陽能資源的最佳傾角與當(dāng)?shù)氐木暥认喈?dāng)。據(jù)此，大樓屋頂傾角設(shè)為45。按光伏屋頂布置約為50Wpm的太陽能電池瓦，200kWp的太陽能電池瓦的屋頂利用面積約為4000m。風(fēng)能發(fā)電與建筑結(jié)合設(shè)計(jì)，擬采用風(fēng)電機(jī)組直接集成到建筑物中的方案。綜合考慮屋頂太陽能電池瓦占用面積及35倍風(fēng)輪直徑的機(jī)組間距，擬在樓頂設(shè)置50kW風(fēng)電機(jī)組6臺(tái)。該機(jī)組風(fēng)輪直徑18In，機(jī)組重量(不含塔筒)約2t，額定風(fēng)速