導語：建筑節(jié)能風光儲發(fā)電技術(shù)運用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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30％～40％…。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)能中的應用，較早表現(xiàn)在光伏建筑一體化設計方面。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，如果揚長避短、相互配合，則能發(fā)揮出最大的作用。特別是在遠離電網(wǎng)的地區(qū)，獨立供電系統(tǒng)成為必需的動力源。同時，在系統(tǒng)中配置必要的儲能設施，結(jié)合風能、太陽能的特點，構(gòu)成風光儲發(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。風光儲技術(shù)與建筑節(jié)能有機結(jié)合能充分利用建筑物所在地區(qū)的風能和太陽能資源，符合能源可持續(xù)發(fā)展的需求。其優(yōu)勢包括以下幾點：①有效減少占地費用，風電機組及光伏組件可在高層建筑上合理配置；②獨立的發(fā)配電系統(tǒng)的運行減少了線路傳輸損耗；③應用儲能技術(shù)使建筑供電系統(tǒng)成為完全不依賴于公用電網(wǎng)的獨立電源系統(tǒng)在中國的西北、美國明尼蘇達等地區(qū)風能資源豐富、Et照充足，特別適合風光儲技術(shù)的應用。

2基于風光儲發(fā)電技術(shù)的節(jié)能設計

風光儲發(fā)電技術(shù)的建筑節(jié)能系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、光伏組件、儲能設備、換流控制器及交直流負載等部分組成。其基本工作原理是：風機發(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或單獨向蓄電池充電，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。控制器控制著兩個系統(tǒng)最大程度地發(fā)揮各自的效能，同時又要保證不會對蓄電池過充電，穩(wěn)定電壓，使系統(tǒng)在恒壓充電狀態(tài)下工作。基于風光儲發(fā)電技術(shù)的建筑節(jié)能系統(tǒng)設計主要包括光伏建筑一體化設計、風能建筑一體化設計、儲能建筑一體化設計及換流器設計。

2．1光伏建筑一體化設計

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)合到建筑上的技術(shù)，其不僅有外圍護結(jié)構(gòu)的功能，同時又能產(chǎn)生電能供建筑使用。光伏建筑一體化一般分為獨立安裝型和建材安裝型兩類。獨立安裝型是指普通太陽能電池板施工時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)時把太陽能電池片直接封裝在特殊建材內(nèi)，或做成獨立建材的形式，如屋面瓦單元、幕墻單元、外墻單元等，外表面設計有防雨結(jié)構(gòu)，施工時按模塊方式拼裝，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7060．63m，光電板使用面積為4645．15m，發(fā)電峰值功率為250kW；圖2為中國某辦公樓光電幕墻，光伏電池板面積3228．8m，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計上應綜合考慮以下因素。

(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，應實現(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)定性的基礎上，盡可能選擇與當?shù)鼐暥纫恢隆?/p>

(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風、暴雨、冰雹等自然災害的能力。

2．2風能建筑一體化設計

風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)合主要指風電機組融于建筑綠地、建筑物附近有較大的空地；直接結(jié)合一般指將風電機組直接集成到建筑物中。風能建筑一體化設計主要應考慮如下因素。

(1)分析建筑物所在地區(qū)風資源情況，了解風速、風功率密度及主風向等資料，以便確定風電機組布置。

(2)考慮建筑物和風電機組的協(xié)調(diào)布置，以達到風能的充分利用及建筑物美觀的完美結(jié)合。

(3)依據(jù)高層建筑風環(huán)境特點，風力機通常安裝在風阻較小的屋頂或風力被強化的洞口、夾縫等部位。

(4)建筑物屋頂風力大、環(huán)境干擾小，是安裝風力機的最佳位置。風力機應高出屋面一定距離，以避開檐口處的渦流區(qū)。建筑物中部開口處，風力被匯聚和強化，產(chǎn)生強勁的“穿堂風”，適宜安裝定向式風力機。由于風能的不穩(wěn)定性和噪音等問題，很難大規(guī)模地應用于一體化設計。但在2007年6月竣工的巴林世貿(mào)中心，卻成功地將大型風輪機集成到建筑當中，設計師在建筑物的雙塔之間16、25層和35層處分別設置了1座重達75t的跨越橋梁，3個直徑達29m的水平軸風力發(fā)電機組被固定在這3座橋梁之上。每年可為大樓提供10％～15％的電力，即110萬一130萬kW•h，堪稱風能建筑一體化的典范之作(圖3)。圖3巴林世貿(mào)中心風能建筑一體化美國邁哈密COR環(huán)保大廈則是風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力渦輪機、光電板和太陽能熱水器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固定式水平軸風力機；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。

2．3儲能建筑一體化設計

儲能技術(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能建筑材料，比如相變儲能材料。間接結(jié)合一般指在建筑供電系統(tǒng)中配置必要的儲能設備。電能的儲存形式可具體分為機械、電磁、電化學電池三大類型，而近年來電池儲能受到越來越多的關(guān)注，其中鋰離子電池是高級電池中一種有廣泛應用潛力的電池。目前，深圳某公司已開發(fā)出基于磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)的200kW×4h柜式儲能電站和1MW×4h儲能示范站(目前實際投入運行的容量為330kW×4h)，其應用方向定位于削峰填谷和新能源靈活接入。在風光儲建筑一體化設計中融于合適的儲能設備，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)的獨立電源系統(tǒng)。

2．4換流器設計

換流器是風光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)的核心設備，應具備能量雙向傳遞功能。其基本功能主要包括：①將風電機組整流器、光伏電池組件及儲能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電；②在風電機組及光伏電池組件輸出的能量除了供給整個建筑的用電外還有盈余時，換流控制器將直接對儲能電池進行充電；③如果風光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，在風電機組及光伏組件無法輸出能量而儲能電池能量不足時，換流器還可將公共電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便對儲能電池進行充電。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行。電池管理系統(tǒng)除監(jiān)視電池運行狀態(tài)外，還具有過壓、欠壓、溫度、漏電報警及保護功能，以及過流報警功能等。

2．5對風光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)的探討

風光儲建筑一體化系統(tǒng)能有效減少建筑對常規(guī)能源的消耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能，提高能源利用率；省去了風電機組和光伏組件的占地、基建等部分的費用；同時減少了遠距離電力輸送的損耗，降低了輸送成本及相應的建設成本；該系統(tǒng)中由于采用了儲能技術(shù)使其能基本滿足日常生活中建筑的用電需求。要實現(xiàn)風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電及儲能系統(tǒng)與建筑一體化的綜合設計，應綜合考慮如下因素。

(1)分析建筑物所在地區(qū)風能資源和太陽能資源情況，選擇合適的風電機組和太陽能電池，實現(xiàn)風能和太陽能利用效能最大化。

(2)對建筑物的所有用電需求進行統(tǒng)計分析，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，以便合理選擇風電機組容量、光伏組件容量、儲能電池容量。

(3)合理選擇風光儲容量配比，充分利用風光在時間及地域上的天然互補性以及儲能電池的能量可存儲性，改善整個系統(tǒng)的時間功率輸出曲線，抑制風光儲獨立發(fā)電系統(tǒng)接入對電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響。

(4)在建筑設計中，對風電機組、光伏組件、儲能電池、換流器等相關(guān)設備必須系統(tǒng)地考慮和合理組織安排，如蓄電池組需要在干燥的環(huán)境中使用，且應置放在防潮、通風的地方。

(5)風光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)綜合一體化設計，從一開始就要求在建筑平面設計、剖面設計、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、造價以及其他生態(tài)因素的分析，最終得到多個生態(tài)因素最優(yōu)化的綜合建筑設計方案。建筑節(jié)能與風光儲發(fā)電技術(shù)的結(jié)合是個新生事物，還缺乏設計理論和實踐經(jīng)驗，但將風光儲發(fā)電技術(shù)應用于建筑節(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，在選擇應用技術(shù)方案上，還要重視以下問題。

(1)就經(jīng)濟性而言，考慮當前最先進的技術(shù)，風電成本最接近市電，光伏成本次之，儲能成本相對最高；但并不意味風光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益都會很高。在風能資源和太陽能資源充足，系統(tǒng)設計合理的前提下，經(jīng)濟效益明顯；反之，可能很低。

(2)風電機組產(chǎn)生的噪聲、震動、安全等及光伏組件光污染問題，可能對建筑物和居民生活構(gòu)成威脅。因此，選擇低噪聲、低震動的風機及高透光率的光伏組件很有必要。

(3)風能太陽能及儲能設備的利用，對建筑設計提出了新的、復雜的技術(shù)和美學要求。為了避免其相互影響，發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢，應使建筑與風光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)在功能、結(jié)構(gòu)、設備、材料、外觀上融為一體。

3工程應用舉例

美國明尼蘇達州風能資源豐富、太陽能資源較豐富。明尼蘇達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。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計方案時，為充分利用當?shù)氐奶柲苜Y源，并考慮大樓的用電負荷需求，太陽能電池瓦的容量擬為200kWp。儲能單元的容量以能滿足大樓保安負荷需求為原則，初擬為300kW•h。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?shù)氐木暥认喈?。?jù)此，大樓屋頂傾角設為45。。按光伏屋頂布置約為50Wp／m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。風能發(fā)電與建筑結(jié)合設計，擬采用風電機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3～5倍風輪直徑的機組間距，擬在樓頂設置50kW風電機組6臺。該機組風輪直徑18In，機組重量(不含塔筒)約2t，額定風速13m／s。300kW•h儲能單元電池總數(shù)量為520節(jié)，型號擬為FV200鐵電池；放電1h，放電功率0．3MW，充電2h，充電功率0．15MW；電池架占地面積(包括過道)約60nl。能量型FV200A鐵電池的額定電壓3．25V，容量200Ah。根據(jù)風光儲的容量配比，換流器的容量擬選為500kW，輸出電壓為380V，直流側(cè)電壓為380V。據(jù)上述設計，太陽能電池瓦及風電機組發(fā)出的電能可供大樓的部分負荷需求，300kW•h的儲能單元可滿足電網(wǎng)失電時的保安負荷需求。