毕业02 光伏建筑一体化.docx
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毕业02光伏建筑一体化
学生毕业设计(论文)
题 目 太阳能光伏建筑一体化
学院 光伏工程学院
专 业
班级
姓 名
学 号
指导教师
完成日期
目录
摘要.................................................................
(2)
引言.................................................................(3)
说明.................................................................(3)
一.太阳能光伏建筑一体化(BIPV).......................................(3)
1.太阳能光伏建筑一体化的定义与原则.................................(3)
2.太阳能光伏建筑一体化原则..........................................(4)
二.太阳能光伏建筑一体化(BIPV)的主要形式...............................(4)
1.建筑与光伏系统相结合.............................................(4)
2.建筑与光伏器件相结合.............................................(5)
三.光伏建筑一体化主要安装类型.........................................(5)
四.光伏建筑一体化的方式...............................................(5)
五.太阳能光伏建筑一体化应用工程实例...................................(6)
1.威海市民文化中心..................................................(6)
2.北京辉煌净雅大酒店LED多媒体动态幕墙..............................(6)
3.武汉日新科技光伏工业园光伏建筑一体化并网电站......................(7)
六.太阳能光伏建筑一体化的发展趋势....................................(7)
结论..................................................................(8)
参考文献..............................................................(9)
摘要
随着世界能源危机的日益显现,节能建筑是世界建筑发展的趋向,洁净能源,尤其是太阳能的合理、高效利用是未来建筑设计的重要内容。
而太阳能建筑一体化是应用太阳能发电的一种新型科技,它将成为21世纪最重要的新兴产业之一。
论文首先从光伏建筑一体化的定义、原则、主要形式、安装类型及应用方式等各方面做了介绍及分析,并列举了一些国内外案例,突出了光伏建筑一体化的发展优势。
光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源。
太阳能光伏建筑一体化发展任重道远。
关键词:
太阳能光伏建筑一体化,太阳能发电,新能源。
引言
推动太阳能光伏建筑一体化的应用是促进能源发展的重要内容。
随着我国工业化和城镇化的加快与人民生活水平的提高,建筑用能迅速增强。
我国太阳能资源丰富,开发利用太阳能是提高可再生能源应用比重、调整能源结构的重要手段。
城乡建设领域是太阳能光电技术应用的主要领域,利用太阳能光电转换技术,解决建筑物、城市广场、道路及偏远地区的照明、景观等用能需求,对替代常规能源,租金建筑节能具有重要意义。
随着常规能源的日益短缺,对太阳能的开发和利用的步伐就不会停止,光伏发电与建筑有机的结合——光伏建筑一体化,是太阳能发电在建筑领域广泛使用的发展方向。
说明
LED:
LightEmittingDiode,发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光;
PV:
photovoltaic缩写,指利用太阳能发电,光伏行业。
光伏与建筑一体化:
building-integratedphotovolatics(BIPV)通过专门设计,使光伏系统与
建筑物外观协调、相互融合为一体。
并网光伏系统:
grid-connectedPVsystem与公共电网联接的光伏系统。
太阳能光伏系统:
solarenergyphotovoltaic(PV)system利用太阳电池的光伏效应将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。
光伏电池:
PVcell将太阳辐射能直接转成成电能的一种器件。
光伏组件:
PVmodule由若干光伏电池进行内部联结并分装、能输出直流电流、最基本的太阳电池单元。
独立光伏系统:
stand-alonePVsystem不与公共电网联接的光伏系统。
逆变器:
inverter光伏电站内将直流电变换为交流电的器件。
用于将电能变换成适合于电网使用的一种或多种形式的电能的电气设备。
电网保护装置:
protectiondeviceforgrid检测光伏系统并网的状态,在技术指标超量情况下将光伏系统与电网安全解列的装置。
并网点:
PVpointofinterconnection(POI)只光伏电站与电网之间的直接连接点,也是光伏电站解并列点。
太阳能光伏发电与建筑一体化
一.太阳能光伏建筑一体化(BIPV)
1.太阳能光伏建筑一体化的定义与原则
1.1太阳能光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术。
BIPV即BuildingIntegratedPhotovoltaic,其不但具有外围护结构的功能,同时又能产生电能供建筑使用。
BIPV是“建筑物产生能源”新概念的建筑,是利用太阳能可再生能源的建筑,
1.2太阳能光伏建筑一体化≠太阳能光伏+建筑。
所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的‘相加’,而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求,将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域,纳入建设工程基本建设程序,同步设计、同步施工、同步验收,与建设工程同时投入使用。
同步后期管理,使其成为建筑有机组成部分的一种理念、一种设计、一种工程的总称。
1.3光伏建筑一体化的核心建筑是一体化设计、一体化制造、一体化安装,而且辅助技术则包括了低能耗、低成本、优质、绿色的建筑材料的技术。
光伏建筑一体化也是光伏建筑规范化、标准化。
2.太阳能光伏建筑一体化原则
2.1生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透:
建筑本身应该具有美学形式,而PV系统与建筑的整合使建筑外观更加具有魅力。
建筑中的pv板使用不仅很好的利用了太阳能,极大的节省了建筑对能源的使用,而且还丰富了建筑立面设计和立面美学。
BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则,任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。
2.2传统建筑构造与现代光伏工程技术和理念的融合;引入建筑整合设计方法,发展太阳能与建筑集成技术。
建筑整合设计是指将太阳能应用技术纳入建筑设计全过程,以达到建筑设计美观、实用、经济的要求。
BIPV首先是一个建筑,它是建筑师的艺术品,其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。
建筑应该从设计一开始,就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以设计,巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中一体设计,使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一部分,达到与建筑物的完美结合。
2.3关注不同的建筑特征和人们的生活习惯;合适的比例和尺度:
PV板的比例和尺度必须与建筑整体的比例和尺度相吻合,与建筑的功能相吻合,这将决定PV板的分格尺寸和形式。
PV板的颜色和肌理必须与建筑的其他部分相和谐,与建筑的整体风格相统一例如,在一个历史建筑上,PV板集成瓦可能比大尺度的PV板更适合,在一个高技派的建筑中,工业化的PV板更能体现建筑的性格。
2.4保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合;精美的细部设计:
不只是指PV屋顶的防水构造,而要更多关注的是具体的细部设计,pv板要从一个单纯的建筑技术产品很好的融合到建筑设计和建筑艺术之中。
2.5光伏系统和建筑是两个独立的系统,将这两个系统相结合,所涉及的方面很多,要发展光伏与建筑集成化系统,并不是光伏制作者能独立胜任的,推进BIPV发展是一项系统工程,涉及技术进步、产业发展、市场培育等多个领域,必须整合各方面力量,推动太阳能光电生产、设计、施工三者有效结合;BIPV是多科学,多层面参与和合作的综合性事业,需要国家政策法规部门、建筑主管部门、太阳能厂商、房地产开发商、建筑设计单位的共同努力,把太阳能光电建筑应用作为建筑节能工作的重要内容,完善技术标准,加强质量管理,推进科技进步,加强能力建设,逐步提高太阳能光电建筑应用水平。
2.6建筑的初始投资与生命周期内光伏工程投资的平衡;综合考虑建筑运营成本及其外部成本。
建筑运营体现在建筑物的策划、建设、使用及其改造、拆除等全寿命周期的各种活动中,建筑节能技术、太阳能技术以及生态建筑技术对与建筑运营具有重要影响。
不仅要关注建筑初期的一次投资,更应关注建筑的后期运营和费用支出,不但要满足民众的居住需求,也要关注住房使用的耗能支出。
另外,还应考虑二氧化碳排放等外部环境成本的增加等。
2.7为了适应BIPV产业飞速发展的形势,保证中国BIPV光伏产业的健康发展,满足国家建设和终端消费的需要,建议由国家发改委、国家认证中心建立中国太阳能光伏建筑一体化认证体系和认证制度。
二.太阳能光伏建筑一体化(BIPV)的主要形式
太阳能光伏建筑一体化(BIPV)提出了“建筑物产生能源”的新概念,即建筑物与光伏发电的集成化,在建筑物的外围护结构表面上布设光伏阵列产生电力。
光伏与建筑的结合有两种方式:
一种是建筑物与光伏系统相结合;另一种是建筑与光伏器件相结合。
1.建筑与光伏系统相结合
把分装好的光伏组件(平板或曲面板)安装在居民住宅或建筑物的屋顶上,再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。
光伏系统还可以通过一定的装置与公共电网联接。
2.建筑与光伏器件相结合
建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。
一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃,目的是为了保护和装饰建筑物。
如果用光伏器件代替部分建筑材料,即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户,这样既可以用做建筑材料也可以用以发电,可谓物尽其没。
对于框架结构的建筑物,课把其整个围护结构做成光伏阵列,选择适当光伏组件,既可吸收太阳直射光,也可吸收太阳反射光。
目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块,可以实现以上目的,还可以使建筑外观更有魅力。
把光伏器件用做建筑材料,必须具备建筑材料所要求的几项条件:
坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。
若是用户窗户、天窗等,则必须能够透光,就是说既可以发电又可以采光。
除此之外,还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。
三.光伏建筑一体化主要安装类型
1.建材型,指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料,如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等;
2.构件型,指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件,如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨蓬构件、遮阳构件、栏版构件等;
3.与屋顶、墙面结合安装型,指在平屋顶上安装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装等形式。
四.光伏建筑一体化的方式
1.屋顶一体化方式。
是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面,也叫以覆盖部分屋面,后者与建筑的整介具有更高的灵活性。
这对于在旧房改造中使用PV板提供了叫能。
PV板与屋顶整合一体化一是可以最大限度的接受太阳光的照射,二是可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面,减少屋顶夏天的热负荷。
PV板与屋顶的构造做法有两种方式,一种是兼为屋顶防水构造层次的部分,这时必须要求PV系统具有良好的防水性能,另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上,后者对于屋顶防水具有保护功能,可以延长防水层的使用寿命。
2.墙面一体化方式是指PV板与墙面材料一起进行集成。
现代建筑支撑系统和维护系统的分离使PV板能象木材、金属、石材、混凝土等预制板样成为建筑外围护系统的贴面材料。
PV板墙面一体化主要有PV板外墙装饰板和PV板玻璃幕墙两种方式。
PV板玻璃幕墙是指透光型PV板和玻璃集成制成的光电幕墙。
该组件是由太阳电池芯片和双层玻璃板构成,芯片夹在玻璃板之间,芯片之间和芯片与玻璃板边端之间留有定的间隙,以便透光,芯片而积占总而积的70%,也即透光率为30%,叫以有效的解决幕墙的遮阳,在夏天就像把巨大的遮阳伞有效的降低了建筑的热负荷,同时为室内提供特殊的光照气氛,更因其特殊的颜色和肌理拓展了建筑的表现空间。
现在PV板价格和某些天然石材己经没有差别,我们相信今后随着PV板的发展,成本只会越来越低,这就为PV板在建筑的广泛应用创造了良好条件。
光电屋顶与光电幕墙的出现,为建筑师展示建筑艺术作品多了一种新的选择。
3.建筑构件一体化方式是指PV板与建筑的雨篷、遮阳板、阳台、天窗等构件有机整合,在提供电力的同时可以为建筑增加美观的细部。
PV板和遮阳板的结合不仅可以为建筑在夏天提供遮阳,还可以使入射光线变得柔和,避免同眩光,改善室内的光环境,而且可以使窗户保持清洁。
但同时应该注意到高效率的PV系统并非定是高效率的一体化系统,一体化建筑具有美观性之外,还要求一体化进行科学的计算和设计,满足建筑构件所要求的强度、防雨、热工、防雷、防火等技术要求。
4.光伏LED一体化一光电LED多媒体动态墙幕和天幕
光伏LED一体化夹层由太阳能电池和LED半导体的透明基板,可放置在幕墙、屋面边框内构成的光电单元,可以模块化。
常规交流供电系统作为LED供电电源,必须将电源转换成低压直流电才能使用,考虑到功率因素的影响和LED供电的特殊性,需要合理设计复杂控制转换电路,不仅增加了照明系统成本,又降低了能源的利用效率。
太阳能光伏发电技术能与LED结合的关键在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。
因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电,太阳电池组直接将光能转化为直流电能,通过串、并联的方式任意组合,可得到LED实际需要的直流电,再匹配对应的蓄能电池便能实现LED照明的供电和控制。
无需传统的复杂逆变装置进行供电转换,因而这种系统将获得很高的能源利用效率、较高的安全性、可靠性和经济性。
太阳能电池与半导体照明LED一体化是太阳能电池和LED技术产品的最佳匹配,是集发电、照明、多媒体、建筑节能、动态幕墙和动态天幕。
五.太阳能光伏建筑一体化应用工程实例
1.威海市民文化中心。
(图一)
中国兴业太阳能技术控股有限公司(SYE)承制。
威海市民文化中心非晶硅光伏发电系统工程是将非晶硅光伏器件与建筑材料集成一体,用光伏组件代替屋顶,形成光伏与建筑材料集成产品,既可以当建材,又能利用绿色太阳能资源发电。
BIPV建筑峰值功率301KW,并网发电,整个光伏系统发电面积7800余平方米,直流额定发电功率273千瓦,年发电量约33万千瓦时,每年可节省标准煤118吨,减排二氧化碳327吨,减排二氧化硫9.8吨,减排氮氧化物780公斤,达到良好的节能减排效果,目前世界上最大的非晶硅光伏屋面工程是纽约Stillwell地铁站210千瓦非晶硅光伏屋面,而市民文化中心落成后将取而代之,从而成为全球最大。
图一
2.北京辉煌净雅大酒店LED多媒体动态幕墙。
(图二)
该工程的幕墙是太阳能电池板LED相结合的多媒体动态幕墙,幕墙由2300块、9种不同规格的光电板组成,面积达2200平方米。
该幕墙最大特点是能源循环自给,可以大幅度节约能源和运营成本。
白天,每块玻璃板后面的光伏电池将太阳能吸收储存起来,晚间则将储存的电能供应给墙体表面的LED显示屏。
幕墙结构采用钢桁架支撑。
光电幕墙电池板全部采用多晶硅芯片组装,多晶硅芯片本身纹理的不规则性更增加了建筑的立面效果。
外侧玻璃采用不锈钢沉头螺栓连接,板块采用特殊工艺处理,突出背后的LED灯光效果。
利用计算机软件控制LED灯光装置,LED灯光通过电脑控制,在外幕墙表现出各种图像,能够播放、演示固定或活动的图案,具有立体广告效应,增加了建筑的艺术效果。
超大的屏幕和特有的低分辨率增强了媒体的抽象视觉效果,传统媒体正立面领域的高分辨率屏幕的商业应用,提供了一种具艺术特色的与城市环境进行交流形式。
通过内置的用户定制软件,其“智能皮肤”使建筑内部与外部公共空间进行互动,将建筑物的玻璃幕墙转变为一种互动娱乐和公众活动环境。
图二
3.武汉日新科技光伏工业园光伏建筑一体化并网电站
武汉日新科技光伏工业园是国家建设部和财政部予以资助的目前中国最大的太阳能光伏建筑一体化(BIPV)并网发电综合示范园区和产业化基地。
项目位于武汉东湖开发区日新科技光伏工业园,总投资:
6605万元,设计规模:
1.2—1.4兆瓦,年发电量:
160—180万度,相当于节约标准煤648吨,减排二氧化碳1697.76吨,二氧化硫38.88吨。
该项目关键技术为太阳能光伏建筑一体化(BIPV)并网发电技术,应用建筑类型包括公共建筑、工业建筑、城市住宅、新农村和新型别墅住宅。
武汉日新科技自主研发的光伏建筑构件在这些建筑中的应用,降低系统综合成本,实现了建筑、科技与艺术的完美结合。
六.太阳能光伏建筑一体化的发展趋势
光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源。
1.生物质能源实质上都是太阳能通过植物叶绿素细胞转化成“物质能”储存在有机质里,并同时吸收大气中的二氧化碳,然后通过燃烧和其他技术途径使这些太阳能和二氧化碳重新释放出来。
植物生长过程中所吸收的二氧化碳与作业燃料利用过程中所释放出来的二氧化碳是相等的,植物从生长到燃烧后变成灰土,整个循环过程的碳是零排放的。
而且能源产出率比目前太阳能电池能值产出率要高,能源密集型的玉米为目前太阳能电池2.7倍;人工林木材为目前太阳能电池5.12倍;水电站(河流能)为目前太阳能电池24.4倍。
目前太阳能电池能值产出率与自然其它直接利用太阳能方式相比要低数倍、甚至数十倍,这是制约当前BIPV大规模应用的关键。
从仿生学角度来看,光伏建筑一体化和光伏电站向大自然学习高效直接利用太阳能,避免使用化石燃料转化的火力电能,这不仅能挽救日益恶化的碳循环,而且也是将太阳能利用效率提高数十倍的有效途径。
2.2009年4月28日,中国十三家光伏企业发起的《洛阳宣言》:
“要在2012年达到光伏发电成本每度电1元钱”。
2009年3月22日开标的敦煌10MW光伏电站特许权招标项目,爆出了0.69元/度的最低价,投标者次低价为1.09元,最高价只有1.67元,平均价在每度电1.5元以下,价格低得超出了大多数人的想象,引起了市场和政府部门对光伏成本究竟是多少的关注。
3.提高效率降低成本是关键:
光伏成本的下降,并不是在金融海啸引起的经济不景气状况下的权宜之计。
成本、只有成本,才是光伏产业发展的真正动力。
无论是景气也好,不景气也好,光伏产业中各个环节的价格必须不断下降,美国科学家特拉斯维布拉德福德在新出版的《太阳革命》一书中预言:
“太阳能将在未来二十年内成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源”。
中国光伏发电的成本下降速度可能比预言、预测(图三)还要快,光伏电价切切实实地低于常规火力电价已指日可待!
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
图三光伏建筑一体化电价与常规电价趋势预测
7.结论
在能源和环保压力的促进下,太阳能光伏技术已逐步成为国际社会走可持续发展道路的首选技术之一。
事实已经证明,对于几千瓦以下的系统,采用太阳能光伏发电时最为理想的。
光伏发电技术除传统的单独用户及特殊领域应用外,正在向高水平和大规模方向发展。
太阳能光伏建筑一体化(BIPV)的联网发电已成为近年来太阳能光伏发电应用的主要方向和热点。
联合国能源机构最近发布的调查报告显示,太阳能光伏建筑一体化将成为21世纪的市场热点,太阳能建筑业将是21世纪最重要的新兴产业之一。
太阳能光伏发电建筑一体化技术与应用发展前景诱人而广阔。
8.致谢
这次毕业论文能够得以顺利完成,是所有曾经指导过我的老师,帮助过我的同学,一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。
我要在这里对他们表示深深的谢意!
首先要特别感谢我的指导老师——华老师。
华老师在我毕业论文的撰写过程中,给我提供了极大的帮助和指导。
从开始选题到中期修正,再到最终定稿,华老师给我提供了许多宝贵建议。
其次要感谢所有的老师,尤其是班主任廖九红,老师们教会我的不仅仅是专业知识,更多的是对待学习、对待生活的态度。
感谢我的父母亲,你们是我力量的源泉,只要有你们,不管面对什么样的的困难,我都不会害怕。
最后对老师,同学和家人再次致以我最衷心的感谢!
9.参考文献
1.《太阳能光电板在建筑一体化中的应用》张松雪2008
2.《太阳能光伏器件与建筑一体化》苑金生2007
3.《太阳能光伏发电技术》沈辉曾祖勤2008
4.《太阳能利用与建筑学变革》仇保兴2009
5.《太阳能光伏建筑一体化及其应用研究》孙颖2008
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