太阳能的利用研究论文

浅议太阳能技术在建筑设计中的应用工学论文

摘要: 能源是人类社会求生存和发展的物质基础，而以石油、煤炭等为基础的常规能源体系曾经极大程度的推动并促进了人类社会的发展，但这些常规的能源体系的过度开发直接导致了环境污染，为了可持续发展，我们应该充分开发和利用洁净能源。

关键词: 太阳能 建筑 能源

一、可持续发展太阳能在未来能源结构中的地位

国际能源机构预测，经济的发展离不开资源，目前全世界最常用的还是化石类能源，但随着经济的发展，煤炭和石油需求量越来越大，终有一天会枯竭。不同能源机构对世界能源供应情况的预测数据各有所不同，但基本结论都是相似的。即全世界的煤炭只能用220年，在未来短时期内化石类能源在能源供给结构站占据很大的比例，但随着科学技术的发展，可再生能源将逐渐替代化石类能源，并在2030之后开始逐渐进入大规模应用，随着经济的持续发展，可再生能源将在能源资源中占据越来越大的比例。与有限的化石燃料能源相比，太阳能堪称最为理想的可再生能源之一。随着太阳的辐射输出，光子能量完全可以转换成各种人类需要的能源。尤其是光能转换为最常见也是最高级的电能，而电能则可以转化为动能、热能等其它形式的能源。也就是我们只要充分利用自然界中最丰富的'太阳能，完全可以满足人类的生活和生产需求。

二、太阳能被充分利用的必然性

现代工业革命开创了现代文明，然而它都是建立在大规模开采和使用化石燃料的基础上的。“石油是工业的血液，煤是工业的粮食”是这一现状的最好诠释。化石燃料作为不可再生能源，之前的大规模开采和使用，已使化石资源日益枯竭，它已逐渐不能满足日益增长的经济需求，还诱发了不少国家之间、区域之间的政治经济纠纷，甚至引起冲突和局部战争。虽然我国矿物能源资源的储量是比较丰富，然而人均能源资源只有世界人均能源资源的二分之一左右。从能源消费结构来看，我国是世界上最大的煤炭消费国，而根据大概的估计，我国的煤炭资源只能开采80年，而石油资源只能开采20年。1997年我国正式成为了《京都议定书》签约国，但其影响和约束，限排压力很大。我国的火力发电，尤其是煤炭发电极大程度的受到了限制。随后我国也正式加入WTO，我国的经济迎来了一个新的机遇，同时我国也正式步入了工业化中期，即重化工业阶段，其能源需求量和消耗量也将快速的增长。从环境保护方面来讲，化石能源的利用已造成了严重的环境污染，温室效应、酸雨等环境问题接踵而来，尤其是温室效应是全人类所面临的环境问题。为了可持续发展我们必须寻求新的可再生的绿色能源，太阳能作为自然界最丰富的洁净能源，而我国全年辐射总量为917—2333kW·h/m2，是世界上太阳能资源丰富的国家之一，因此太阳能是我国可再生能源的首选。

三、太阳能的利用方式

目前太阳能的利用方式可分为光-热转换、光-电转换、光-化学转换。其中最成熟的就是光-热转化和光-电转化。而光-化学转换尚处于研究开发阶段，这种技术包括半导体电极产生电而电解水产生氧，利用氢氧化钙或重金属氢化物热分解储能形式。太阳能制氢问题解决了，才有真正意义上的氢利用，这将是引起时代的变革。 四、太阳能在建筑设计中的应用

目前建筑业是经济发展的重要产业，也是消耗能源较多的行业。尤其是现在住宅不仅仅是一个遮风避雨的场所，人们所追求的是建立在自然环境持续和谐发展基础上的优越的生活环境，即建筑中充分利用绿色能源、尽可能的减少建筑的能源消耗，在保护环境的根本前提下尽可能的因地制宜，合理利用当地的优势条件发展合宜建筑。太阳能作为绿色洁净能源的使用对建筑行业来说是一种全新的发展思路。目前太阳能在建筑设计中的应用主要有太阳能发电、太阳能热水器、太阳能空调及太阳能暖气等，至于太阳能发电在建筑中的应用因其技术限制，导致造价太高，不太适合广泛的推广。下面我们将着重论述太阳能热水系统。太阳能热水器是太阳能技术在建筑设计中应用的最广泛的绿色能源。太阳能热水系统主要是由太阳能集热系统和热水供应系统构成，包括了太阳集热器、贮水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器、水泵设备和福建。其中太阳能集热系统又是太阳能热水系统特有的组成部分，是太阳能是否能得到合理利用的关键。那么怎样充分利用太阳能，充分发挥太阳能热水系统的功效呢？

第一，首先我们在思维上要接受绿色建筑的概念，在建筑设计阶段就要把洁净能源的创意和思维与建筑的设计相结合。

第二，前面提到太阳能集热系统是太阳能利用的关键，因此我们在建筑设计中要运用太阳能热水系统的话，我们首先要做的就是尊重权威的质检部门出局的检测报告，在结合数据中的性能参数，再根据建筑物所在地的太阳能资源与气象条件进行优化设计，确保太阳能集热系统的长期稳定运行。

第三，太阳能热水系统已形成了成熟的理论系统和实际构照，但很多传统的建筑没有给太阳能热水器预留空间。这会阻碍太阳能热水器的推广和发展，因此在设计建筑时要充分考虑到太阳能热水器预留空间。第四，为保证太阳能热水系统的设计合理，建筑设计单位和太阳能热水系统设计单位都应共同参与设计。同时太阳能热水器的安装应该要满足建筑功能和建筑防护要求，做到太阳能热水器和建筑有机结合，与周围环境想协调。总结：建筑是国民经济的主要支柱，而能源也是国民经济的命脉。随着常规能源的日益枯竭和因过度开发带来的系列环境问题，我们应该坚持走可持续发展道路，加快技术研究，充分开发和利用太阳能。

参考文献：

[1]李向军.节能技术在绿色建筑设计中的应用.建筑环境与设备,第38期

[2]崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统.化学工业出版社

[3]秦永丽.太阳能利用在绿色建筑设计中的应用.襄阳市水利规划设计院

未来太阳能光伏并网发电对电网的影响【摘要】尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物能源的减少，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到时侯，光伏发电将逐步进入商业化阶段。光伏并网发电形成规模后会对电网形成什么样的影响是本文想要探讨的问题。一、光伏发电的基本原理1. 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用是： 光伏电池：光电转换。控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。2. 太阳能光伏电池板：太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响P-N结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热（*）。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前光电转换的效率，也就是光伏电池效率大约是单晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。3. 太阳能光伏发电系统的分类：目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。A）离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。B）光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。C）A, B两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。 二、光伏发电的优点进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。不论从近期和从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：1. 充分的清洁性。 （如果采用蓄电池方案，要考虑对废旧蓄电池的处理）2. 绝对的安全性。 （并网电压一般在220V以下3. 相对的广泛性。4. 确实的长寿命和免维护性。5. 初步的实用性。6. 资源的充足性及潜在的经济性等。三、光伏发电局限性。任何事物总是具有两面性。目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势，这里有必要指出光伏发电的一些局限性。太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。光伏发电的局限性包括以下几个方面：1. 时间周期局限。由于光伏发电的条件是出太阳时，光伏发电设备才能正常工作发电。因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。2. 地理位置局限。光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或者破坏环境和生态。3. 气象条件局限。气候对光伏发电影响。采用光伏并网发电无蓄电池方案时，如果一个城市上空的气候大幅变化，将造成电力负荷的大幅波动；当一个城市上空的空气质量比如空气污染，或能见度变差比如雾天，阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。4. 容量传输局限。在解决了光伏发电的成本问题后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，由于上述1，2，3的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。下面将会讨论这个问题。5. 光能转换效率偏低。和传统能源（矿物能源，石油，水能，原子能，等）的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。四、光伏发电未来展望我国光伏产业正以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达以上。按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算，2010年全球光伏发电并网装机容量将达到15GW(1500万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的1%)，至2030年全球光伏发电装机容量将达到300GW(届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元)，至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。按此计划推算，2010-2040年，光伏行业的复合增长率将高达25%以上（参看资料：15）。其中并网应用会有较大的发展，从而形成并网发电(约46%)、离网供电(约27%)和通讯机站(约21%)3个主要应用领域（参看资料：16）。太阳的能量对人类而言几乎是无限的，但是实际上，在地球上能够获取太阳能资源的资源是有限的。并不象有些文章中所说的那样巨大。例如，当我们在在屋顶安装太阳能热水器时，就失去了安装太阳能电池的机会。除建筑物和荒漠外，在其他地点建设太阳能电池板群将是不现实和得不偿失。这不仅仅是因为成本巨大的原因，问题是显而易见的，主要的问题是离开建筑物和荒漠来建设光伏发电站将破坏环境和生态，你会发现在太阳能电池板下面将寸草不生。总之，节能降耗是人类的一个永恒话题。从某种意义上讲，淘汰旧技术和产品的同时，也就浪费掉了当初生产这些技术和产品的能源。出国考察的人往往会发现，西方发达国家有些场合还在使用20-30年代的产品和设备，他们并非要保护“古迹”，某种意义上讲是在节约能源。新旧产品和技术的换代是要以耗费能源为代价的，过快的产品更新换代，将加快能源的消耗。当然，这里需要有一个总体的经济指标来判断能耗。我们是否应该考虑节约“used能源”的问题？(**)另一方面，任何先进的技术，进入商业使用的必要条件是价格能为市场所接受。如果使用成本太高，再好的技术必将只能停留在试验室中或者示范工程阶段五、光伏发电并网对未来电网的影响随着我国《可再生能源法》的颁布实施，常规能源价格的不断升高和石油价格逼近$100，世界范围内围绕利用太阳能科技，商业发展非常迅速，其中光伏并网发电技术发展非常快。目前制约光伏发电的主要因素是成本问题。太阳能光伏发电造价高（每千瓦3万元以上），发电成本贵（1．5元／千瓦时以上）。随着光伏发电成本的降低和耗能发电成本的提高，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到那时侯，光伏发电将会进入商业化应用阶段。为了提早迎接这一天的到来，我们将有必要提前考虑光伏并网发电对现有发电模式的技术、经济、政策和环境效益的影响。我们先假设这个时代已经到来，并且现有的发电模式并未发生较大的改变。那么光伏发电给我们带来好处的同时将会对现有的电网产生什么样的问题？由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全，稳定，经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。至于有多大的影响目前尚不清楚。我们知道目前电能是不能大规模低成本储存的，在可以预见的将来也不能大规模低成本储存。这就使得光伏发电的应用受到物理因素的制约，同时也受到地理上的限制。但是随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电厂，水电，核电等电厂的发电量处于可比较的数量级和成为不可忽略的一部分时，光伏并网发电将对现有发电模式和电网的技术、经济、政策和环境效益带来如下问题：（如果光伏并网发电系统采用有蓄电池方案，光伏并网发电的优点和优势将大打折扣。但是为光伏并网发电优化配置的蓄电池系统可以部分解决以下1，2和3点提出的问题。）1. 负荷峰谷对电网的影响。由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的拥有量，电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的。这当然是发电商所不愿意看到的。2. 昼夜变化，东西部时差以及季节的变化对电网的影响。由于阳光和负荷出现的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。3. 气象条件的变化。当一个城市的光伏屋顶并网发电达到一定规模时，如果地理气象出现大幅变化，电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下，电网将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。4. 远距离光伏电能输送。当光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上成为可能时，由于光伏并网发电没有旋转惯量，调速器及励磁系统，它将给交流电网带来新的稳定问题。如果光伏并网发电形成规模采用高压交直流送电，将会给与光伏发电直流输电系统相邻的交流系统带来稳定和经济问题，（专门用于光伏并网发电的输电线路，由于使用效率低，将对荒漠太阳能的利用形成制约。用于借道或者兼顾输送光伏并网发电系统电能的输电线路，由于负荷率低下，显得很不经济。）不论采用高压交流或直流送出，光伏并网发电站都必须配备自动无功调压装置。至于对电网稳定的影响，目前还未见到光伏发电在电网稳定计算中的数学模型（包括电源模型和负荷模型）。光伏并网发电将对电网安全稳定运行有多大的影响目前尚不清楚。5. 降耗问题；光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的，光伏并网发电向电网输送电力将侵害其他发电商的利益，这是作为政策制定者需要考虑的问题。这是由于电网在考虑安全，稳定和经济运行时，不仅仅只由水电厂担任旋转备用。因此，系统中总的光伏并网发电量所等效的理论降耗标煤量前应该乘以一个小于1的系数，并且等比例的减去旋转备用机组的厂用电损耗。6. 环保问题；光伏发电带来的减排效果是否应该只考虑火电排放的二氧化硫和二氧化碳还有待研究，因为当光伏并网发电时，同样电网在考虑电网安全，稳定和经济运行时，往往减少出力的不仅仅是火电厂，而考虑旋转备用时，也不仅仅是水电厂来承担旋转备用的任务（水电厂承当旋转备用任务损失较小）。因此，在考虑光伏并网发电系统的减排贡献时，也应该在理论值前乘以一个小于一的系数。这个结论并不象一些文章中所讲的那么乐观。7. 顺便指出，风力发电也存在环保生态问题。国外有环保人士指出大型的风力发电站往往建在季风的风道上，这往往是候鸟迁徙的最佳路线。结束语光伏发电的优势在于解决离网地区通信，微波等设备的能源动力，分散人口地区的小容量电力消费及为有条件建立光伏屋顶的建筑就地提供电力。未来电网在做发展规划时，对负荷预测应充分考虑离网光伏发电和光伏并网发电对电网的影响和数学模型。离网光伏发电系统可以作为在线有源可变负荷模型来考虑（这里指的是城市中既可由离网的光伏发电系统，也可以由市电网供电的负荷）。光伏并网发电系统如果以110V或220V并网供电时，也可以把光伏并网发电系统考虑为可从负到正变化的有源负荷模型。通过上述分析，光伏并网发电远期定位只能作为电网节能降耗的重要补充手段。如果超出这个战略定位，将造成投资和额外的能源浪费，对减少污染排放量的乐观看法也要大打折扣。麻烦-设.置下-最佳;

关于太阳能利用现状的报告