電工新技術(shù)概論報告精要

1、 2014 年 秋 季學期研究生課程考核（讀書報告、研究報告）考核科目:電工新技術(shù)概論學生所在院（系）:電氣工程及自動化學生所在學科:電氣工程學 生 姓 名:董丹丹學 號:13s006085學 生 類 別:考核結(jié)果閱卷人 第 1 頁 太陽能發(fā)電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用1. 引言近年來，隨著全球極端氣候的頻發(fā)、全球氣候變暖日漸嚴重以及傳統(tǒng)一次能源的日趨枯竭，實行節(jié)能減排已經(jīng)在全球范圍內(nèi)形成普遍共識。對我們國家來講，國家經(jīng)濟快速增長，各項建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境被破壞的代價，這兩者之間的矛盾日趨尖銳，群眾對環(huán)境污染問題反應(yīng)強烈。這種狀況與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)不合理、增長方式直接相關(guān)。不加快調(diào)整經(jīng)

2、濟結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變增長方式，資源支撐不住，環(huán)境容納不下，社會承受不起，經(jīng)濟發(fā)展難以為繼。只有堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實現(xiàn)經(jīng)濟又好又快發(fā)展。20世紀下半葉以來，由于新材料、新技術(shù)和新理論的迅速發(fā)展，使得電工技術(shù)在深度和廣度上都有了深刻的變化，電工新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用日趨活躍。新技術(shù)的發(fā)展到實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須具備一定的條件，主要是：1）新技術(shù)必須充分成熟，能形成可靠的產(chǎn)品；2）有著明確的社會與經(jīng)濟發(fā)展需求的牽引；3）與已有技術(shù)及產(chǎn)品相比較，有著明顯的技術(shù)與經(jīng)濟的優(yōu)越性?？疾?0世紀下半葉發(fā)展起來的電工新技術(shù)，已經(jīng)形成一定規(guī)模、有重要應(yīng)用價值和發(fā)展前景的有：新能源發(fā)電技術(shù)；軌道交通及電動汽車；醫(yī)學

3、診療技術(shù)等。而新能源能源發(fā)電技術(shù)無疑已經(jīng)迎來前所未有的蓬勃發(fā)展的時代。進入21世紀后，人們期望經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境持續(xù)、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定發(fā)展，因而能源與電力的可持續(xù)發(fā)展就具有重大的意義。與傳統(tǒng)能源不同，太陽能、風能、生物質(zhì)能、水能、地熱能、潮汐能等新能源廣發(fā)存在，用之不竭。隨著化石能源逐漸耗竭，它們在人類能源持續(xù)發(fā)展中的作用日益增大，在能源供應(yīng)中的份額將逐步提高，最終成為人類持續(xù)、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定發(fā)展的支柱。目前，新能源發(fā)電技術(shù)中除傳統(tǒng)應(yīng)用已十分成熟的水力發(fā)電和核電，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電也有較為成熟的應(yīng)用。尤其太陽能發(fā)電，其應(yīng)用十分廣泛，能源儲量區(qū)域無窮，發(fā)展?jié)摿薮?。太陽被稱為人類資源的寶庫，是地球上所

4、有動植物賴以維持生命的基礎(chǔ)能 源。地球上的風能、水能、潮汐能、生物能都是太陽能轉(zhuǎn)換形式之一，甚至石油、煤炭、天然氣等化石能源也都是經(jīng)過古代植物固定存儲下來的太陽能。太陽的能 量巨大，雖然地球所接受的太陽輻射能量只有其輻射總量（約為3 .7 5×1026 w） 的22億分之一，但是已高達173000tw，也就是說太陽每秒照射到地球上的能量大約相當于500萬噸煤。可以說，太陽的能量是無窮的。圖1-1所示為世界以及中國的能源發(fā)展比例。圖 1-1 能源發(fā)展的比例據(jù)估計太陽的壽命至少還有40億年。40億年對宇宙來說可能只是彈指一揮間，但對只有幾千年歷史的人類來說已經(jīng)是無窮無盡的時間了。因此大可

5、不必擔心太陽能源的枯竭。太陽能是普遍存在的。只要有陽光的地方，就有太陽能。雖然因為地理位置及氣候條件等因素，太陽能資源在各個地方的分布并不均衡，但是絕大部分地區(qū)的太陽能資源都是可以利用的。太陽能是清潔可再生的能源。太陽能的開發(fā)使用過程不會產(chǎn)生任何廢氣廢物，所以不存在環(huán)境污染的問題。而且太陽能在自然環(huán)境中通過光-熱、光-電、光-化學能等不同形式的能量轉(zhuǎn)化，以不同的形式存在，使人類可以循環(huán)往復的再生利用。總體來講，太陽能資源具有儲量的“無限性”、存在的普遍性和利用的清潔性與經(jīng)濟性。盡管太陽能還存在單位面積上能量密度小，利用效率低，開發(fā)成本高等弊病，但這并沒有動搖人們其開發(fā)利用的信心 。隨著近些年來

6、太陽能技術(shù)的迅猛發(fā)展，太陽能替代化石能源已經(jīng)不是一句空話。2.太陽能建筑一體化太陽能作為一種可以在任何太陽存在的地方都可以使用的能源，隨著太陽能太陽能發(fā)電的興起，它已經(jīng)從最初在邊遠地區(qū)和缺電地區(qū)的使用，逐漸轉(zhuǎn)移到發(fā)達國家城市的使用；從簡單的使用和安裝太陽電池板，到現(xiàn)在能夠把太陽電池板和建筑進行比較好的結(jié)合，使得太陽能太陽能發(fā)電得到更廣闊的發(fā)展空間，“太陽能發(fā)電與建筑物集成化”(building-integrated photovoltaics，bipv)的概念在1991年被正式提出。由于太陽太陽能發(fā)電可以和建筑很好地結(jié)合，使得其在城市中的作用得到了很好的發(fā)揮。一般來說將太陽電池組件安裝在住房或

7、建筑物的屋頂，引出端經(jīng)過控制器及逆變器與公共電網(wǎng)連接，由太陽能方陣及電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電，這就組成了戶用并網(wǎng)太陽能系統(tǒng)。它具有調(diào)峰、環(huán)保的功能。另外也可以用太陽太陽能發(fā)電的玻璃幕墻代替普通的玻璃幕墻，這樣既可以做建材又可以發(fā)電，進一步降低太陽能發(fā)電的成本；也可以直接用電池組件做建筑材料，比如說將單晶、多晶封裝到瓦狀的電池板中，用來做屋頂?shù)?。將太陽能發(fā)電與建筑結(jié)合是一種很好的利用太陽能的手段，相信其會很有發(fā)展前景。在進入21世紀之后，人類開始真正大規(guī)模應(yīng)用太陽能進行太陽能發(fā)電。在以德國、美國為首的歐美國家大力倡導和扶持下，太陽能熱潮席卷了全球，促成了太陽能太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。尤其是在過去幾年中，

8、太陽能產(chǎn)業(yè)每年平均增長率超過20%。21世紀新能源政策網(wǎng)絡(luò)（ren21）在其公布的報告中指出，世界太陽能發(fā)電能力將由2000年的1000兆瓦增長到2030年的140,000兆瓦。歐洲新能源理事會（european renewable energy council）預測到2040年由太陽能發(fā)電技術(shù)生產(chǎn)的電能將為全球電量總需求提供50%的供應(yīng)量，可以滿足全球基本負載。可以相信，以太陽能為代表的新能源的有效利用，會對能源結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和重構(gòu)。2.1太陽能太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理和組成太陽能太陽能發(fā)電系統(tǒng)是指把太陽能直接轉(zhuǎn)換成為電能，作為商用、民用等方面的電源，這種方式是直接能源轉(zhuǎn)換，也是新能源中最具有代表

9、性的一種能源。直接能源轉(zhuǎn)換框圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 直接能源轉(zhuǎn)換框圖太陽能太陽能供電系統(tǒng)的基本工作原理就是在太陽光的照射下，太陽電池板產(chǎn)生的電能經(jīng)由控制器控制充電給蓄電池，或者在負載合適的情況下直接供給負載，在日照不足或者在夜間則由通過蓄電池給直流負載供電。對于含有交流負載的太陽能系統(tǒng)，還需要增加逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖 2-2 所示。圖 2-2 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖2.1.1太陽能太陽能發(fā)電系統(tǒng)的分

10、類太陽能太陽能發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)連接可分為獨立離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。無論哪種系統(tǒng)，基本的設(shè)計思想是在有太陽能輻射時，由太陽能電池陣列向負載提供能量;當無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時，由蓄電池向系統(tǒng)負載提供能量。該系統(tǒng)可為交流負載提供能量，也可為直流負載提供能量。離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)是指未與公共電網(wǎng)相連接的獨立太陽能太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率提供給本地負載(交流負載或直流負載)的發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于遠離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所，如為公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠偏僻農(nóng)村、海島和牧區(qū)提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電，也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處

11、所提供電源。由于太陽能電池組件的輸出隨口照而變化，特別在陰雨天時，電能供應(yīng)是有限的且輸出不穩(wěn)定。為保證夜間或陰雨天用電的需要，須配備蓄電池儲能，以備不時之需。典型的獨立型太陽能發(fā)電系統(tǒng)用十通訊中繼站，偏遠地區(qū)和農(nóng)村供電。并網(wǎng)太陽能太陽能系統(tǒng)是世界各發(fā)達國家在太陽能應(yīng)用領(lǐng)域競相發(fā)展的熱點和重點，是世界太陽能太陽能發(fā)電的主流發(fā)展趨勢，市場巨大，前景廣闊。并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)按照是否帶蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)分為兩種形式：1.帶有蓄電池儲能環(huán)節(jié)的并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)：由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用。這對于一些重要負荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意義。此外，該系統(tǒng)還可以

12、充當功率調(diào)節(jié)器的作用穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。2.不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)：并網(wǎng)逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能。當主電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。當有日照，太陽能系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負載所需時，多余的部分將送往電網(wǎng)。夜間當負載所需電能超過太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時，電網(wǎng)自動向負載補償。并網(wǎng)發(fā)電由于可以將所產(chǎn)生的電量直接傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，所以并網(wǎng)系統(tǒng)可不需要蓄電池，這種方式很大程度上降低了系統(tǒng)的成本，而且損失少，僅僅是在逆變過程中有部分電量損耗。但是，它也存在一定的缺陷。在通過逆變器直接連接電網(wǎng)時，由于太陽能矩陣

13、受天氣、光照角度和環(huán)境影響較大，同一天內(nèi)就可能出現(xiàn)無數(shù)次的變化，功率極為不穩(wěn)定，因此，對逆變器要求較高，保證輸出的電量不會對電網(wǎng)起副作用。3.太陽能發(fā)電特征太陽能發(fā)電功率輸出波動很大，不確定性程度高，難以調(diào)節(jié)。擁有太陽能發(fā)電的電力系統(tǒng)需要更高的發(fā)電備用容量，以及輸電網(wǎng)絡(luò)備用容量。太陽能發(fā)電及其他形式的分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入將原來輻射型無源電網(wǎng)變成了有源環(huán)網(wǎng)，系統(tǒng)因為潮流變化頻繁，系統(tǒng)保護配置，電壓調(diào)整比較困難，給系統(tǒng)安全運行帶來新的挑戰(zhàn)。太陽能發(fā)電所在地區(qū)往往處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，承受沖擊的能力較弱，隨著太陽能發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，其特性對電網(wǎng)的影響也愈加顯著，成為制約太陽能發(fā)電容量和規(guī)模的嚴重障礙

14、。針對并網(wǎng)型太陽能發(fā)電，國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員的研究與經(jīng)驗表明，與太陽能發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)的課題研究主要集中在以下幾個方面：太陽能發(fā)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響；孤島效應(yīng)問題；可靠性問題；準入功率的計算問題；電網(wǎng)效益問題；配電網(wǎng)故障問題等10。3.1建筑中太陽能的應(yīng)用形式由于建筑在建造和使用過程中消耗的能源已約占全社會總能耗的 30%。因此，在建筑中積極推廣應(yīng)用的太陽能、地熱能等新能源，代替和盡可能少的消耗煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源具有重要意義。隨著世界能源危機的日益顯現(xiàn)，節(jié)能建筑是世界建筑發(fā)展的趨向，潔凈能源，尤其是太陽能的合理、高效利用是未來建筑設(shè)計的重要內(nèi)容。太陽能在建筑中的應(yīng)用主要有被動式太陽

15、能應(yīng)用和主動式太陽能應(yīng)用兩種。（1）被動式太陽能應(yīng)用被動式太陽能應(yīng)用主要是依靠建筑物本身(如房間的位置、合理布局建筑的空間、利用建筑結(jié)構(gòu)、材料的吸熱性能等)來完成太陽能的集熱、儲熱和放熱功能。其基本思想就是將各建筑的基本因素(如窗、屋頂、墻、樓板等)調(diào)動起來，使日光、空氣、熱量僅在有益時進入建筑，通過控制陽光和空氣在恰當?shù)臅r間進入建筑并合理儲存和分配熱空氣和冷空氣，從而使能源得到有效的利用，并且增加人們的舒適度。（2）主動式太陽能應(yīng)用主動式太陽能應(yīng)用目前最多的主要是光電應(yīng)用和光熱應(yīng)用兩種。太陽能光熱應(yīng)用主要是太陽能熱水、太陽能采暖等，其中最重要的組件就是太陽能集熱器，集熱器吸收太陽光輻射能量將

16、冷水加熱變成熱水，具有一定溫度的熱水可直接提供給建筑中的用戶用于洗澡、洗漱等;此外還可以在地板下敷設(shè)加熱盤管，熱源由太陽能集熱器加熱的熱水提供，采暖效果非常好;光電應(yīng)用是用太陽能轉(zhuǎn)換裝置為建筑物的機電設(shè)備、燈具等提供電能，建筑中常用的是太陽能太陽能發(fā)電，它通過由太陽能太陽能電池板來產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能儲存到蓄電池中直接供直流電源供電或者通過逆變器變?yōu)榻涣骱蠊┙涣饔秒娫O(shè)備使用。被動式太陽能技術(shù)主要和建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，智能化技術(shù)可參控性較少，因此太陽能在建筑中的應(yīng)用主要是指主動式太陽能，通過對主動式太陽能設(shè)備和系統(tǒng)進行統(tǒng)一的管理和控制，優(yōu)化太陽能應(yīng)用系統(tǒng)的運行，發(fā)揮出太陽能最大的功效，最大限

17、度的降低建筑能耗。根據(jù)太陽能在建筑中的應(yīng)用方式，建筑中太陽能的應(yīng)用主要包括:太陽能熱水、太陽能太陽能發(fā)電、太陽能空調(diào)、太陽能制冷、太陽能采暖、太陽能路燈照明等。4.太陽能應(yīng)用的節(jié)能分析4.1建筑結(jié)構(gòu)對節(jié)能的影響太陽能建筑應(yīng)建在太陽能輻射豐富的地區(qū)，根據(jù)太陽能建筑光照原則，山坡或濃密的樹木的北面不應(yīng)設(shè)置太陽能建筑，太陽能建筑周圍只適宜種植低矮植物和花草，太陽能建筑適宜建在向陽的山地、坡地及位置較高的地方上，在建筑周圍無遮擋的情況下，地勢高有利于接收太陽光，建筑所在地區(qū)的接收輻射量越大，對于太陽能建筑的發(fā)電越有利。4.2建筑間距建筑的日照間距指為保證建筑上的太陽能部件不被其前力一建筑物遮擋，必須使

18、太陽能建筑與其前方建筑物之間保持有一定的距離。日照間距的確定主要是以冬至日的光照作為計算基數(shù)，只要冬至日這天的太陽輻射能保證太陽能建筑在日照時間內(nèi)不被其前方建筑物遮擋，那么一年內(nèi)其他日期的日照時間均大于冬至日的日照時間，這個日照間距就是符合要求的。日照間距對太陽能建筑是重要的，是相鄰建筑物之間的最小的距離。太陽能的建筑類型、建筑朝向、用地地形、當?shù)氐乩砭暥任恢玫纫蛩貨Q定日照間距。建筑物間距參考圖4-1確定。圖 4-1 建筑物間距圖4.3建筑朝向建筑朝向指建筑物在場地上坐落的位置與地球的關(guān)系。房屋坐北朝南是人們長期生活經(jīng)驗的總結(jié)。從地理學角度來看，中國位于地球北半部，陽光移動的位置是從東方升起西

19、方日落，一天中大多數(shù)時間陽光都是從南面照射過來，這就決定了人們居住采光的朝向是南向的。從季節(jié)風角度來看，我國境內(nèi)大部分地區(qū)冬季為寒冷的偏北風，而夏季為暖濕的偏南風，我國西、北、東三面多有環(huán)山，以抵擋冬季風，南面開闊，這就決定了中國居住環(huán)境是坐北朝南。4.4建筑外形太陽能建筑的外形對其發(fā)電效率有很重要的影響。(1)太陽能建筑的屋頂一般坡屋頂居多，坡屋頂光照條件好，能自由地接受太陽輻射;太陽能系統(tǒng)能夠緊貼屋頂，風力對系統(tǒng)的損害可以降低;對屋面也有保溫隔熱的作用，一定坡度的傾角有利于積雪和雨水滑落。(2)現(xiàn)在遮陽板為新型 pv 遮陽板，與水平面有一定傾角，新型遮陽板安裝在建筑物上后，不但可以遮陽，還

20、能太陽能發(fā)電，然后把電力提供給建筑物。(3)向陽的陽臺也設(shè)計成有一定傾角的斜面，可將太陽能熱水器安裝在傾斜的陽臺上，接收陽光，給建筑物提供熱水。5.小結(jié)在這個推廣節(jié)約能源和綠色經(jīng)濟的時代，無論從政府還是人民的角度講，都十分注重節(jié)約能源與綠色環(huán)保。與此同時，新能源發(fā)電技術(shù)，尤其是太陽能發(fā)電技術(shù)，有了長足的發(fā)展。而太陽能資源又因其獨有特點，可以和建筑很好地結(jié)合，使得其在城市中的作用得到了很好的發(fā)揮。既可以參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰等，又可以降低建筑物的能源消耗，還可以節(jié)省建筑物的整體成本。將太陽能發(fā)電與建筑結(jié)合是一種很好的利用太陽能的手段，相信其會很有發(fā)展前景。6.參考文獻1 崔榮強，并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電

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