阳光别墅模型设计.doc

阳光别墅模型设计The Sunshine Villa Model Design熊 涛Xiong Tao摘 要 设计了一栋光伏一体化的阳光别墅模型，从主动式和被动式两方面着手，充分利用太阳能技术和生态环境治理技术，减少建筑在使用过程中的能源消耗，在晴天利用太阳能实现建筑模型单体的节能自循环，达到碳污染的零排放。关键字 光伏一体化、光导纤维、屋顶光伏发电、动态监测与调控、生态综合利用Abstract The Sunshine Villa Model, designed with photovoltaic integration, reduces the energy consumption of energy when the architecture is used by fully utilizing the technologies of solar consumption and ecological environment construction from both the active and passive aspects. In sunny days the model can achieve its energy-conservation cycle of the construction model monomer by utilizing solar energy, thus reach zero emissions of the carbon pollutants.KEY WORDS Photovoltaic integration, optical fiber, roof photovoltaic energy, dynamic monitoring and control, ecological comprehensive utilization作 品 内 容 简 介该作品是用最新的光伏一体化理念设计和构建的南方旅游渡假的阳光别墅模型，在保证各房间良好朝向的前提下，采用被动式太阳能利用技术和生态环境治理技术对建筑的外环境和构造进行综合设计；然后，采用主动式光伏发电、光导照明、传感与自控技术对建筑设备中供电供水、保温和照明等问题进行了光伏一体化的综合设计。通过太阳能跟踪、太阳能发电动态监测与调控系统、百叶窗采光控制等太阳能技术的综合系统，充分利用自然资源、减少建筑使用过程中的能源消耗，使该阳光别墅模型在晴天能实现建筑单体的节能自循环。一、设计背景及意义我国是能耗大国, 能耗总量居世界第二位。其中建筑能耗是发达国家的三倍, 占全国能源消耗的30%,为此，建筑节能减排与开发清洁能源刻不容缓。国家要求新建筑(含改建、扩建)近阶段达到节能50%, 经过一段时间的努力, 则要达到节能65%的目标。因此, 建筑节能减排对促进节能减排, 缓解我国能源资源供应紧张, 加快发展循环经济, 实现经济社会的可持续发展, 有着举足轻重的作用。根据中国可再生能源学会光伏专委会北京太阳能研究所赵玉文的论文分析，截至2006年，中国房屋总建筑面积约400亿，其中城市房屋131亿，住宅面积81.8亿；农村住宅面积大约160亿。城镇住宅屋顶可利用面积8亿，农村住宅屋顶可利用面积32亿，共计40亿。如果20安装太阳光伏方阵就会有80GWp。2020年和2050年可利用面积分别增加50和1倍，太阳电池阵列效率分别从现在的10增加到15和20，则屋顶资源量从现在的80GWp分别增加到180GW和320GW。这是一个非常巨大的市场潜力。 在此背景下，物理实验创新基地吸引建筑与城市规划学院的本科生与物理学院本科生亲密合作，共同完成阳光别墅（光伏一体化建筑模型）的设计与制作。该模型以南方一小别墅为研究对象，根据建筑的实际功能需要，集各项节能减排措施于一身，力求达到较高的建筑节能指标，并且具有绿色建筑示范作用和推广价值。作为一个跨专业的本科学生的设计作品，此项目在建筑的主动性节能和被动性节能上都有一定创新性的探索。二、建筑设计建筑设计结合地理位置，从朝向，室内采光，功能安排等多方面进行综合设计，从而避免不必要的能源消耗。1.墙体节能措施墙体是建筑外围护结构的主体，其所用材料的保温性将直接影响到建筑的耗热量。过去，我国长期以实心粘土砖为主要墙体材料，不仅对能源和土地资源造成了严重浪费，而且其保温性能也达不到建筑外墙热工性能标准的规定。根据地方资源条件，（1）选用粉煤灰、煤矸石、浮石与陶粒等生产各种混凝土空心砌块，用保温砂浆砌筑。在具体操作中，加气混凝土保温性能较好，主要用于框架填充墙及低层建筑承重墙。（2）在墙体内侧加抹一定厚度的膨胀珍珠岩保温砂浆。（3）在要求同时满足较高的保温、隔热条件下，用砖或钢筋混凝土作承重墙并与绝热材料复合形成复合墙体。另外，考虑到在南方地区，建筑外墙保温隔热措施还使用了外墙表皮的浅色设计，从而反射太阳辐射热；东、西面外墙采用构架、爬藤植物等遮阳。2.门窗节能措施在建筑设计中，建筑围护结构热工性能最薄弱的环节是门窗，其能耗占建筑总能耗的比例较大，其中传热损失和冷风渗透约各占1/3。在保证日照、采光、通风、观景等要求条件下，应尽量减小建筑外门窗的面积，并提高门窗的气密性和门窗本身的保温性能，以减少冷风渗透及门窗本身传热量。（1）控制窗墙比，在建筑设计中，以民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）中的规定为指导“北向、东向和西向、南向的窗墙比分别不应超过20%、30%、35%”。控制窗墙比从而提高窗户的保温隔热性能，成为提高建筑外围护结构节能指标的有效途径。（2）提高建筑外窗的气密性和门窗的制作质量，减少冷空气渗透。（3）改善建筑门窗的保温性能。采用增加窗玻璃层数，推广应用高强度的钢塑门窗和绝热性好的塑料门窗等新型节能门窗，设置双层玻璃中空玻璃、或镀膜玻璃。由于选址于南方地区，故结合其外立面造型，采用合适的外遮阳措施，形成整体有效的外遮阳系统。3.屋顶光伏发电和节能措施该设计利用建筑屋顶采光性好好的特点，安装太阳能电池板，从建筑美学的观点，采用深蓝色太阳能电池板作为坡度屋顶和八角亭阳光房的屋顶，与白色外墙搭配，美观大方，屋顶太阳能电池板光伏效应为别墅模型提供充足的绿色能源。利用光导技术，在屋顶安装聚光透镜，通过光纤将阳光直接导入房间、客厅和车库的水晶灯，使得屋内阳光明媚，因为太阳的波谱范围宽，通过分光技术还可以将太阳光的紫外线用于室内某些特殊场合，起到消毒杀菌的作用。在不断改进建筑外墙、外窗的保温性能后，进一步加强屋顶保温隔热性能。设计中采取屋顶绿化措施，以降低夏季太阳辐射。另外，在屋顶花园置有阳光间，外有木格栅，夏季草木茂盛，攀缘植物附着木格栅以房间热量的吸收，冬季，植物凋敝，充分的阳光可射入室内。 三、太阳能技术应用设计3.1太阳能电池板使用说明 本项目使用的是多晶硅BS-M3.5P长方形光伏组和八边形太阳能电池板，其中预期将在别墅三楼屋顶放置7块长方形太阳能电池板和1块八边形太阳能电池板，全部采用并联方式链接，额定峰值功率能达到27.5W如图3图3 初期屋顶太阳能电池组布置图太阳能电池的基本性能主要体现在如图4所示的工作曲线上。图中，Isc为短路电流，Voc为开路电压。填充因子（ff）是指在工作曲线中可获得最大输出功率的点上的电流电压乘积（Iopt*Vopt）与Isc*Voc之比，它体现电池的输出功率随负载的变动特性。光电转换效率（）则是Iopt*Vopt与输入的光功率Pin 之比。 填充因子：ff=Iopt*Vopt/Isc/Voc光电转换效率：Iopt*Vopt/Pin (Pin, 输入的光功率) 图4 太阳能电池的工作曲线 此外，太阳能电池的内阻（主要是指来自透明电极的部分）与单元电池的面积密切相关，内阻随面积的增大而增大，同时降低单元电池的能量转换效率。所以，一般来讲，小面积时效率较高，大面积时效率会有所降低。3.2太阳能电池组发电系统 图5 太阳能电池组发电系统流程图太阳能电池组是阳光别墅主要的电力来源，采用并联的方式连接太阳能电池组，发电系统的流程图如图5所示。数控匹配器使太阳能电池阵列输出阻抗与等效负载阻抗匹配，使功率输出处于最佳状态，同时对储能设备的过充、过放进行控制。图 6 蓄电池输出电压随时间变化情况图6为蓄电池给模型内部进行供电时，其输出电压随时间的变化情况，从图中我们可以看到经过约3个半小时，蓄电池的输出电压仅下降了约0.4V。那么，在蓄电池充满电的情况下，可以达到长时间连续供电的目的3.3 建筑用电和照明 阳光别墅的用电主要来自太阳能，因此，对建筑模型的耗电和照明就必须要从节能减排的角度进行综合考虑，选用节能家电产品，灯具和照明方法。3.3.1.室内照明电路设计 室内照明使用的是超亮LED灯，每个楼层分布不同数量的LED，且3楼装有一个小风扇，经过测试，每盏LED的合适电压为3V，为了简化模型的电路设计，风扇电压也设计为3V。 为了使满足上述不同的电压要求，我们利用三端稳压器LM317设计了一个稳压电路Vout=1.25V1+R2R1+IAdjR2由于IAdj控制在小于100A,这一项的误差可以忽略。在每个楼层都装有该稳压电路。3.3.2百叶窗采光控制系统设计图该系统主要通过改变百叶窗的叶片转角来调节进入室内的光照强度，从而使室内的光照强度处于比较合适的状态。它共分为手动挡、自动挡两挡。其中手动挡主要用于手动调节百叶窗的叶片转角以及重开机时的复位。而自动挡主要是开启其自动调节功能，通过光传感器检测到光强后，实时改变相应叶片转角，使室内光强达到较合适的范围。1）室外光照测量该部分主要应用光敏电阻阻值光照强度变化而变化的原理，设计分压电路。其中，恒定加在固定电阻和光敏电阻上的总电压为5V。光敏电阻采用的是GL5639的CdS光敏电阻。经过长时间的实际测量，光敏电阻在白天光照的时候光敏电阻阻值RL=200-1200之间变化。由于我们所使用的光敏电阻主要用于白天时的光强检测，因此我们选取其变化的中间值，约600作为定值电阻进行分压。2）电机传动部分该部分中，我们采用步进电机来驱动百叶窗的传动部分。其原因主要是由于步进电机的控制相对比较精确，最小步距角可以达到0.9。并且相对于直流电机而言，其控制电路较为方便，其大小也相比较小。对于本项目而言，使用步进电机完全可以达到目的。因此我们采用了L297/L298N电机驱动芯片组来组成电机驱动电路。3）百叶窗传动部分由于实际情况中，该项目的实体是一般的家用百叶窗。因此，为了能够将百叶窗与电机传动部分相结合起来，我们根据百叶窗的实际机械结构设计了一组与之相配套的机械传动装置。 该装置实物图如图8所示。4）电路电源供电部分该部分的主要用途是为其他几个重要模块部分提供电源支持。其中包括室外光照测量的5V固定电源、电机传动电路部分的L297芯片5V供电以及12V步进电机供电电源（用于L298N芯片上）三部分。为了尽量简化该部分电路，前两部分电路采用同一个直流稳压电源供电，属弱电部分，如图3.3-5所示。而对于步进电机供电部分，由于该部分的功率需求相比于前弱电部分而言非常大，因此将其独立出来，单独制作一变压器用于该部分供电。5）单片机控制部分图7 步进电机供电电源实物电路该部分主要是用STI51单片机开发板硬件加软件编程来实现的，内容及思路可以用图9中的程序框图表示： 图9 流 程 图3.3.3 太阳能跟踪系统设计 该设计利用单片机进行编程，每隔一段时间进行自动调整，通过内部程序找寻最大输出功率点来，使用步进电机带动太阳能电池板的转动。动力来源于蓄电池或太阳能电池组。下表为固定式和自动式太阳能电池板的性能对比项目电池板面积（ m2 ）日照时间（h）日发电功率（W）日输出功率（W）日储电量（W）固定式22-4880800-1000800-1000自动式16-12110020002000-22003.3.4太阳能光电转换效率动态测试仪设计主要利用Labview软件进行编程，在PC机上设计出操作简便、人机互动的友好界面，外部电路使用USB2010数据采集卡和相关电路进行数据采集，得到太阳能电池系统的伏安特性和连接负载后的功率实时监测曲线，并通过反馈调节实现太阳能跟踪，提高输出功率的目的。本程序主要用采集盒对数据进行采集，双通道分别采集外部电路的电压和电流信号，通过数组抽取、捆绑、索引，分别得到太阳能电池板的光电转换效率曲线、太阳能电池板输出功率曲线和输出功率最大值。用Labview编制的太阳能动态监测仪前面板如图10所示。4. 半导体制冷系统该部分使用了8块TEC112706制冷片：规格：40x40x3.8mm 最大电流：6A 最大电压：15.4V 最大产冷功率：53.3W 最大温差：70度。采用42的方式进行排列，置于屋顶，冷面朝下，屋顶同时装有吊扇，加快室内空气循环。使用AD590温度传感器对室内温度进行监测，利用LabVIEW编好的操作界面显示室内温度5. 水冷系统设计 该系统主要是对模型中使用的半导体制冷片和太阳能电池组进行散热，热量用于给水箱中的水加热6. 光导光纤照明设计太阳能光导照明的优点：太阳能光导照明的最大优点就是节能，一方面由于完全采用自然光不需要消耗人工能源，可以节约大有20%30%的建筑用电，另一方面相较人工采光，光纤照明引入室内的热负荷小，长期以来人们都存在一个误解，认为自然光进入室内所带来的热量要多于人工光源的发热量，其实提供相同照度，自然光发热量要比人工光源少，这是因为人工光源在利用电能发光的时候把大部分电能转化为了热量。另外光纤照明引入的是自然光所以光谱范围广，可以起到杀菌和防止皮肤病的作用，是绿色光源太阳能光导照明主要由太阳能聚光器，光导及光导末端输出灯具组成，本实验所用的光纤为N系列的光纤，其光纤芯料是PMMA，每千米损耗小于180db。试验中的太阳能聚光镜主要用小焦距的透镜来完成配合一个可旋转的转动头，可根据室内对光照度的需求调节聚光镜的位置，光导末端输出灯具采用水晶灯。7经济性分析我们设计太阳能光电转换效率动态监测系统的数据采集盒硬件成本只需要900元，操作界面以PC为平台，所有软件均是自己编写，与市面上已有的太阳能电池特性测试系统（国产6万元左右，进口的数十万元）相比成本大大降低。而且专业用的测试仪，对样品尺寸要求很严格，操作比较复杂，对环境还有要求，不适合家用和大面积推广应用，而我们设计的低成本太阳能电池板光电转换效率动态监测系统正好填补了这方面的空白。8.创新点及应用我们的设计是主动式和被动式两方面太阳能技术的综合利用1. 首次将太阳能跟踪与太阳能发电效率监测的结合，在确保高效利用太阳能光伏效应的同时，用户也可以直观的通过操作界面了解太阳能电池板的性能。2. 水冷系统在给半导体制冷片