太阳能绿色能源建筑一体化设计方案

内容摘要：在我国发展现阶段，能源已经成为牵制我国发展的一大阻力，因此人们在不停的寻找和利用可再生绿色能源，其中太阳能作为一项优选，已被成功应用在生活中的各个方面。这个方案对光伏建筑一体化的发展与应用进行了详细分析，结合现有条件技术进行深入评估，设计一个最合适的光伏建筑方案，规划应用太阳能的光电转换技术，以满足建筑物的生活工作中的用能需求，为开展节能减排，绿色低碳做出带头示范作用，给地区，社会做一个积极的影响。

　关键词：太阳能 光伏建筑 设计绿色低碳

　　第一章引言

现如今，我国的发展体现在各方各面，都在平稳高速的进行，对于能源的需求更是与日俱增，能源稀缺问题也越来越明显,因此有效充分利用可再生绿色新能源，缓解能源问题已经成为我们现阶段工作的一项紧迫工作。就建筑行业来说，通过数据分析可知，我国建筑能耗总量在社会能耗总量中占的比重较高，可以达到百分之四十左右，并且随着我国越来越快的城市化发展步伐，预估计建筑能耗一定会保持一个高速的增长。所以加快可再生绿色能源在建筑中的应用，降低建筑能耗是一项十分有意义的工作，可以为缓解能源危机做成巨大贡献。其中储量丰富且较为易得的可再生清洁绿色能源——太阳能，取得了科学家越来越高的重视,而且在多个领域都有了成功应用的案例。在建筑行业中，关于太阳能的利用和开发许多发达国家已经走在了前列，他们早早的就进行了许多实践与探索，将太阳能光伏技术应用到建筑设计种。当然，国内在太阳能绿色建筑一体化也进行了许多的尝试。这个项目对于我们国家来说是重中之重，为此还相继推出了一些专业的扶持政策以及行业标准。进行绿色能源一体化建筑设计迎合了社会需求，对于国家和人民都是有利的。

第二章现状及需求分析

2.1现状分析

中国在煤的生产以及运输方面，山西位居第一，并且作为能源重化工基地，山西省煤炭存储量丰富，分布广泛，种类丰富，质量上乘，容易发掘。但是现在山西的煤炭资源越来越少，就是因为近年人类在不停的开采煤炭，因此，对于山西省来说，积极研究和利用可再生绿色能源刻不容缓。山西是一个典型的内陆省份，属于温带大陆性气候。年平均气温3-14摄氏度。冬天的时间相对较长，并且温度低以及气候干燥，夏天的时间相对较短，且天气炎热多雨季，春天日间温度差别较大，多风沙，秋天时间较短，气候温和。因此在对太阳能的利用过程中可能效率相对低一些。但对于山西省目前的能源现状，利用太阳能，仍是一种较为绿色经济的不错选择。而且国家对于可再生能源规定的长期发展战略规划以及对于能源发展的战略转型方向，太阳能绿色能源一体化建筑与这些规划都完全契合，在提倡社会能源节制，有效利用绿色能源的运动中可以起到模范带头作用。

2.2需求分析

中国现在是全球最大的发展中国家，每年的能源消耗在世界上排在前列，伴随而来的许多问题也逐渐暴露了出来，例如不可再生能源储量逐渐稀缺，环境污染问题越来越凸显，这就使人们越来越重视对新能源产业，促进了新能源产业的发展。据估计，到2050年，中国对于可再生能源的利用将可能占到总能源利用的百分之四十。作为一种优秀的可再生绿色清洁能源，将太阳光伏发电技术融入到建筑中，优点众多，以下列举了六点:1. 用优秀的光电材料代替普通建筑材料，就可以解决因为安装光电阵列而产生的占用建筑空间的问题，这样就减少了因建筑而产生的能耗。2. 太阳能光伏发电后就可以直接并网,省去了架设输电线路这个步骤，这样的话就不用花费大量金钱来用于架设输电线路，避免了输送电力过程中的电力损耗。3.选择光伏建筑材料，而不用常规建筑材料，这样就不用为了支撑光电设备再去架设支撑结构，就不用消耗额外的建筑材料，可以使建筑物资与建筑空间得到充分利用，不影响建筑物的美观4. 可以有效的减少城市热岛效应。空调作为一种改善人们居住环境的重要电器。其广泛使用给城市带来了严重的热岛效应。将光伏组件应用在建筑的表面，光伏组件吸收利用太阳能，降低建筑物的表面温度，室内温度也随之下降。因此，居民可以减少对空调的使用。缓减了城市的热岛效应。5. 光伏发电系统对建筑环境要求较低，可以安装在建筑物表面可以接触到阳光的任何地方，对人们的工作和生活几乎不产生影响。这一点就相比于其他可再生清洁能源如风力发电来说，更容易被人所接受。6. 而且作为分布式建设，具有相当大的灵活性，可以就地分散供电，也可以加入或退出电网供电。

第三章项目设想

3.1项目范围

这个利用太阳能绿色能源的建筑一体化计方案，是在一栋三层高的小别墅进行的。在别墅的屋顶与墙体（北面墙体由于基本不见光，所以不用）建设过程中应用优质的太阳能光伏建筑材料，不需要额外占用其他建筑空间和建筑资源。这个光伏的发电项目产生的电能将提供给房屋的日常生活工作使用。

3.2并网方式

并网光伏发电系统是现在光伏技术的的热点研究项目，其技术在现在已经成熟，而且因为其性价比较高，在许多项目中得到应用。可以进行一系列的商业化推广与应用。

在当前的技术条件下，太阳能光伏发电系统从发电的角度进行分类大致可以分为三大类：第一类是离网光伏蓄电系统，第二类是无蓄电池光伏并网发电系统，第三类结合了前两类系统的特点，带蓄电池的光伏并网发电系统。

　3.2.1离网光伏蓄电系统

离网光伏蓄电系统，较为常见，已经被应用多年，技术已经成熟。离网光伏蓄电系统利用蓄电池进行蓄能，这种系统在一些没有电网的偏远地区或一些人口稀少的地区用的较多。离网光伏蓄电系统操作和结构都相对简单，适应性很强。但是这个系统中的蓄能装置，也就是它的蓄电池，由于体积较大并且处于艰苦的工作环境中，它一直保持充放电的循环工作中，这种工作模式导致电池寿命极大的缩短。而且现在这种系统往往在偏远地区应用较多，而它蓄电池的售卖价格又偏高，这样就意味着他的前期投入与后期维护费用较高，经济性不强。因此不能大规模的使用。

3.2.2无蓄电池光伏并网发电系统

在有公共电网的地方可以选择安装无蓄电池光伏并网发电系统，这种系统经过太阳能光伏发电板进行发电后可以直接并入电网运行，以电网作为储能装置。这种系统投资相对较小，这样就会减少发电的成本，并且删减了蓄电池的使用步骤，这样就提高了系统的使用率，极大的减小故障发生的概率，还可以减少因蓄电池使用完毕被丢弃产生的二次污染，提高了整个系统的环保性，更为贴合本次设计的绿色与节能的主题。但是无蓄电池光伏并网发电系统的逆变器的工作模式是单一的并网模式，在电网突然发生紧急情况，例如断电或者停电，该系统就会随之停止工作。这个问题对于现如今来说，也不是什么大问题，现在我国电网技术较为成熟，断电的的概率及其低。较为靠谱。

　3.2.3带蓄电池的光伏并网发电系统

结合了前两种系统的一些特点，带蓄电池的光伏并网发电系统的逆变器不仅可以独立工作，还可以进行并网工作，并且他的系统中还配有少量的备用蓄电池，当系统遇到突发状况停电时，在短时间内可以利用备用蓄电池储存的电力在短时间内向负载输送电力。相比下该系统的灵活性和适应性等特点较为突出优秀，但是他的前期建设投入与后期维护花费特别大。

在当前的技术条件下，太阳能光伏发电系统从安装环境的角度进行分类大致也可以分为三大类：1.光伏建筑集成系统2.地面光伏电站3.能源综合应用系统。

3.2.4光伏建筑集成系统

将光伏发电技术与建筑物的建设相结合，在建筑物外围结构（墙体和屋顶等）使用带光伏发电的建筑材料，吸收利用光能，再将光能转换成电能，一次做到建筑物自身就可以产生清洁绿色能源，这种建筑就叫做太阳能光电建筑。目前，光伏发电技术与建筑物的结合可以分为两种：第一种就是在将光伏发电系统直接架设在屋顶，叫做BAPV。例如：屋顶的光伏电站。第二种就是在建筑种使用的建筑材料是与光伏器件相集成的，用带光伏器件的建筑材料代替普通建筑材料，即光伏建筑一体化，叫做BIPV。这种系统的应用案例例如：南京南站屋顶光伏并网工程。

3.2.5地面光伏电站

地面光伏电站也是一种常见的光伏发电系统，这种系统在地面上采用一些特殊材料电子元件（例如晶硅板等的）吸收利用太阳能，将太阳能转化为电能。这种发电体系一般直接接入电网，向电网输送电力。是我国大力鼓励的绿色电力开发能源项目。它的优点有七个方面：1、不会面临枯竭的危险。2、安全性能有保障，同时还不会产生噪声和污染。3、资源的分布情况和地域没有关系。4、在进行发电和供电时，不需要消耗燃料，也不需要架设输电线路。5、产生出来的能源在质量上非常好。6、从感情上说，使用者接受度较高。7、建设需要的时间短，得到能源需要的时间较短。它的缺点有四个方面：1、需要占用庞大的空间来完成发电。2、获取的能源被一些气象条件所影响。3、造成电网的波动。4、加入许多电子元件造成谐波污染，需要加置去谐波装置。

　3.2.6能源综合应用系统

把一定区域内的能源全部整合分析，通过对这些不同能源的不同特点评估后进行协调规划，优缺点互补，以此提升能源的利用效率。这种系统就叫做能源综合应用系统。这种新型的一体化能源系统对于促进能源的可持续健康发展具有重大意义。

根据上述的材料综合分析，无蓄电池的并网发电系统，与其他两种系统相比较不需要使用蓄电池，而且前期投入以及后期的维护花费相对较小，且无污染，符合计的绿色主题。而且并网发电系统的逆变器可以自动相位和电压跟踪，可以很好解决电网中发生的一些相位和电压问题，并且又不会影响电网。其次，别墅属于私家建筑，为了更好的考虑美观性，设计打算采用光伏建筑集成系统中的BIPV，用带有光伏器件的建筑材料代替普通建筑材料，不影响别墅的整体性。

3.3太阳能电池组件

光伏发电系统的核心主要是太阳能电池。目前来说，全球光伏发电产业中常使用的组件材料主要有三种：1.晶体硅材料。2.非晶硅材料。3.多元化合物材料。

　3.3.1晶体硅材料

目前，晶体硅材料是国内外使用率较高的一种材料，它一般就是指单晶硅材料和多晶硅材料，并且在国内的光伏组件生产中也主要是以晶体硅材料占主要地位。商业化的多晶硅电池片，它的效率一般最低在百分之十二，最高在百分之十六，而单晶硅电池片的效率一般最低在百分之十三，最高在百分之十八。

3.3.2非晶硅材料

非晶硅材料一般就是非晶硅薄膜，用这种材料生产的太阳能电池成本较低，可以进行大规模的生产，由于人们对于非晶硅材料的重视程度越来越高，使得它的发展速度越来越快。作为一种太阳能材料，用非晶硅材料做电池虽然较好，但是它的光学带隙小，对太阳辐射光谱的长波区域的敏感度较差，从而导致非晶硅材料做成的太阳能电池的转换效率较低。目前,电池转化效率一般为百分之五到百分之九左右。直接影响了它实际中的应用。

　3.3.3多元化合物材料

多元化合物薄膜太阳能电池一般就是运用多元化合物材料做成太阳能电池，无机盐是他的电池材料，这些无机盐一般指砷化镓，硫化镉，碲化镉及铜铟硒等。

就目前的发展状况来看，最成熟的光伏发电材料是晶体硅材料。而且预估计在未来十年，晶体硅材料在光伏发电领域的地位仍然不会动摇。这类太阳组件转换效率最低百分之十二，最高可达到百分之十六，一般可以使用二十五年。在建筑设计选择晶体硅组件的过程中，对我选取了常规组件和光伏建筑一体化（BIPV）两种组件的特点进行了对比（见表1）

表1光伏组件对比表

结合各种因素，由于别墅建筑属于私人建筑，不同于其他建筑，所以，更倾向于使用美观，不影响建筑外观的BIPV组件。

3.4光伏直流，交流并网逆变器

关于逆变器，有两种选择：第一种是集中式逆变器，第二种是分布式逆变器。

　3.4.1集中式逆变器

集中式逆变器的结构简单，主要组成是光伏阵列、逆变器和直流母线，在光伏发电系统中，人们一开始使用的就是集中式逆变器。在该系统中，所有的光伏器件通过用串并联结成一个光伏阵列，这个阵列通过逆变器将太阳能集中转化为交流电，所以把这种结构叫做集中式逆变器。集中式逆变器的输出功率可达到兆瓦级，方便进行检查与维修，进行发电时所需要的成本较低，所以将集中式逆变器主要用在功率等级较高的地方，如光伏电站等。

　3.4.2分布式逆变器

分布式逆变器的安装是采用户外壁挂式，这样对于空间大小的需求就大大降低。在发电的时候，分布式逆变器的安全性比较可靠，如果发电过程中突发故障，可以直接更换故障逆变器而不用改变其他，分布式逆变器一个输入只能接一个组件串，不需要汇流箱，不需要直流配电柜，不需要粗直流电缆，不需要直流侧汇流，在逆变器的内部就可以全部操作，实施监控与保护。

表2对两种逆变器的性能特点进行了各方位的对比。

表2光伏逆变器对比表

将表二的材料数据进行整合分析，可以得出下面的结论：此项目是规模相对来说比较小一点的光伏电站，它的装机容量相对来说也比较小，而且是在现有别墅的基础上进行设计建设改变，根据这个项目的特点进行一个分析与总结，再结合一下逆变器的安装使用方法以及运行的效率水平，我认为在这个方案应该采用分布式逆变器的设计。

3.5项目目标

这个设计方案预估计使用低压并网发电的方式，太阳能电池通过阵列吸收太阳能，然后将太阳能转换成直流电，接着再通过逆变器将直流电转换成交流电，最后再将交流电输入到低压电网中，不使用蓄电池来进行储能装置，而且并网逆变器可以对电网的微小相位以及电压波动很好的适应，是因为它具有自动相位和电压跟踪的特殊功能，不会影响电网的使用。该项目建成后，可以减少燃煤和减少二氧化碳的排放，将在居民建筑方面起到积极的绿色带头作用。

第四章项目效益分析

4.1个人效益

经计算调查，一栋三层别墅一年耗电20000千瓦时。中国居住在城市的居民一度电的使用价格一般最低是0.56元，最高是0.62元，也就是说一栋三层别墅一年电费11200元到12400元。集中供暖各地区价格不一样，以太原所在地区为例，按建筑面积每平米3.6元。（按使用面积每平米4.8元）而且居民建筑层高超过2.8米的将加收费用。这栋三层别墅约280平米。一年取暖费约10000元。以及一些其他情况。合计能耗方面消费大约22000元。屋顶及墙体安装BIPV组件约500㎡。同时使用电热水器来采暖。根据发电情况及保养预算。二十五年年预计能节省500000元。（详情看附录）

4.2社会效益

现如今，太阳能光电技术走进了千家万户，主要是应用在城乡建设领域，运用太阳能的光电转换技术手段来将一些工作生活中所需要解决的能源问题得到改善，例如取暖、照明等一些常见问题，对于将常规能源进行转换替代，完善建筑节能设计细节，发展低碳经济体制具有积极推进的重大意义。未来在光伏应用中，太阳能绿色能源一体化建筑将占有重要的一席之地，有较好的发展前景和市场潜力。

项目的建设将在当地起到带一定的积极的带头作用，具有较好的示范作用。而且山西省在对煤炭资源的发掘以及消耗方面数一数二，对于积极配合国家提出的节能减排和绿色低碳的号召，带头干好绿色能源工作，有义不容辞的责任与义务。

结语

山西作为一个煤炭能源消耗速度较快的大省，积极利用太阳能等绿色能源，对全国来说都具有一定的积极效应。对国内外现有的光伏建筑一体化设计的探索与经验进行认真研究与分析在国家标准的指导下。建立一个太阳能绿色能源一体化设计的成功案例，为地区乃至全国提供一定的参考经验。

致谢

这是我在山西大学本科期间写的最后一篇论文，论文写到现在，已经意味着我的大学生活接近尾声，开始于2016初秋，终于2020盛夏。时间在不知不觉中就度过了，回忆起我的大学生活，一幕幕像电影般出现在我的脑海，这座学校留下了我太多的不舍和回忆，有我的烦恼，有我的失落，也有我的迷茫。但也有过我20几年人生中未曾有过的坚定、认可与自豪。在这里留下的是我的四年美好青春，带走的将是沉甸甸的收获。感谢四年来山西大学滋润了我的青春。

在我论文的最后，我要感谢我的指导老师，XXX老师对于我论文的完成提供了最大的帮助。在本文的攥写过程中，得幸遇XXX老师，从开题报告的撰写，一直到最后完成论文的定稿，都离不开XXX老师的耐心指导以及积极帮助。在疫情期间，仍一丝不苟的回答问题以及修改，并提出高贵意见，才使本文成型。

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太阳能绿色能源建筑一体化设计方案

价格 ¥9.90 发布时间 2023年4月30日

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