电工新技术概论报告精要

1、 2014 年 秋 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:电工新技术概论学生所在院（系）:电气工程及自动化学生所在学科:电气工程学 生 姓 名:董丹丹学 号:13s006085学 生 类 别:考核结果阅卷人 第 1 页 太阳能发电技术在建筑中的应用1. 引言近年来，随着全球极端气候的频发、全球气候变暖日渐严重以及传统一次能源的日趋枯竭，实行节能减排已经在全球范围内形成普遍共识。对我们国家来讲，国家经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境被破坏的代价，这两者之间的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式直接相关。不加快调整经

2、济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。20世纪下半叶以来，由于新材料、新技术和新理论的迅速发展，使得电工技术在深度和广度上都有了深刻的变化，电工新技术的研发和应用日趋活跃。新技术的发展到实现产业化必须具备一定的条件，主要是：1）新技术必须充分成熟，能形成可靠的产品；2）有着明确的社会与经济发展需求的牵引；3）与已有技术及产品相比较，有着明显的技术与经济的优越性。考察20世纪下半叶发展起来的电工新技术，已经形成一定规模、有重要应用价值和发展前景的有：新能源发电技术；轨道交通及电动汽车；医学

3、诊疗技术等。而新能源能源发电技术无疑已经迎来前所未有的蓬勃发展的时代。进入21世纪后，人们期望经济、社会与生态环境持续、协调、稳定发展，因而能源与电力的可持续发展就具有重大的意义。与传统能源不同，太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、潮汐能等新能源广发存在，用之不竭。随着化石能源逐渐耗竭，它们在人类能源持续发展中的作用日益增大，在能源供应中的份额将逐步提高，最终成为人类持续、协调、稳定发展的支柱。目前，新能源发电技术中除传统应用已十分成熟的水力发电和核电，风力发电和太阳能发电也有较为成熟的应用。尤其太阳能发电，其应用十分广泛，能源储量区域无穷，发展潜力巨大。太阳被称为人类资源的宝库，是地球上所

4、有动植物赖以维持生命的基础能 源。地球上的风能、水能、潮汐能、生物能都是太阳能转换形式之一，甚至石油、煤炭、天然气等化石能源也都是经过古代植物固定存储下来的太阳能。太阳的能 量巨大，虽然地球所接受的太阳辐射能量只有其辐射总量（约为3 .7 5×1026 w） 的22亿分之一，但是已高达173000tw，也就是说太阳每秒照射到地球上的能量大约相当于500万吨煤。可以说，太阳的能量是无穷的。图1-1所示为世界以及中国的能源发展比例。图 1-1 能源发展的比例据估计太阳的寿命至少还有40亿年。40亿年对宇宙来说可能只是弹指一挥间，但对只有几千年历史的人类来说已经是无穷无尽的时间了。因此大可

5、不必担心太阳能源的枯竭。太阳能是普遍存在的。只要有阳光的地方，就有太阳能。虽然因为地理位置及气候条件等因素，太阳能资源在各个地方的分布并不均衡，但是绝大部分地区的太阳能资源都是可以利用的。太阳能是清洁可再生的能源。太阳能的开发使用过程不会产生任何废气废物，所以不存在环境污染的问题。而且太阳能在自然环境中通过光-热、光-电、光-化学能等不同形式的能量转化，以不同的形式存在，使人类可以循环往复的再生利用。总体来讲，太阳能资源具有储量的“无限性”、存在的普遍性和利用的清洁性与经济性。尽管太阳能还存在单位面积上能量密度小，利用效率低，开发成本高等弊病，但这并没有动摇人们其开发利用的信心 。随着近些年来

6、太阳能技术的迅猛发展，太阳能替代化石能源已经不是一句空话。2.太阳能建筑一体化太阳能作为一种可以在任何太阳存在的地方都可以使用的能源，随着太阳能太阳能发电的兴起，它已经从最初在边远地区和缺电地区的使用，逐渐转移到发达国家城市的使用；从简单的使用和安装太阳电池板，到现在能够把太阳电池板和建筑进行比较好的结合，使得太阳能太阳能发电得到更广阔的发展空间，“太阳能发电与建筑物集成化”(building-integrated photovoltaics，bipv)的概念在1991年被正式提出。由于太阳太阳能发电可以和建筑很好地结合，使得其在城市中的作用得到了很好的发挥。一般来说将太阳电池组件安装在住房或

7、建筑物的屋顶，引出端经过控制器及逆变器与公共电网连接，由太阳能方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并网太阳能系统。它具有调峰、环保的功能。另外也可以用太阳太阳能发电的玻璃幕墙代替普通的玻璃幕墙，这样既可以做建材又可以发电，进一步降低太阳能发电的成本；也可以直接用电池组件做建筑材料，比如说将单晶、多晶封装到瓦状的电池板中，用来做屋顶等。将太阳能发电与建筑结合是一种很好的利用太阳能的手段，相信其会很有发展前景。在进入21世纪之后，人类开始真正大规模应用太阳能进行太阳能发电。在以德国、美国为首的欧美国家大力倡导和扶持下，太阳能热潮席卷了全球，促成了太阳能太阳能产业的快速发展。尤其是在过去几年中，

8、太阳能产业每年平均增长率超过20%。21世纪新能源政策网络（ren21）在其公布的报告中指出，世界太阳能发电能力将由2000年的1000兆瓦增长到2030年的140,000兆瓦。欧洲新能源理事会（european renewable energy council）预测到2040年由太阳能发电技术生产的电能将为全球电量总需求提供50%的供应量，可以满足全球基本负载。可以相信，以太阳能为代表的新能源的有效利用，会对能源结构进行优化和重构。2.1太阳能太阳能发电系统的原理和组成太阳能太阳能发电系统是指把太阳能直接转换成为电能，作为商用、民用等方面的电源，这种方式是直接能源转换，也是新能源中最具有代表

9、性的一种能源。直接能源转换框图如图 2-1 所示。图 2-1 直接能源转换框图太阳能太阳能供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，太阳电池板产生的电能经由控制器控制充电给蓄电池，或者在负载合适的情况下直接供给负载，在日照不足或者在夜间则由通过蓄电池给直流负载供电。对于含有交流负载的太阳能系统，还需要增加逆变器，将直流电转换成交流电。太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图 2-2 所示。图 2-2 太阳能电池发电系统示意图2.1.1太阳能太阳能发电系统的分

10、类太阳能太阳能发电系统按是否与电网连接可分为独立离网太阳能发电系统和并网太阳能发电系统。无论哪种系统，基本的设计思想是在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量。离网太阳能发电系统是指未与公共电网相连接的独立太阳能太阳能发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处

11、所提供电源。由于太阳能电池组件的输出随口照而变化，特别在阴雨天时，电能供应是有限的且输出不稳定。为保证夜间或阴雨天用电的需要，须配备蓄电池储能，以备不时之需。典型的独立型太阳能发电系统用十通讯中继站，偏远地区和农村供电。并网太阳能太阳能系统是世界各发达国家在太阳能应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能太阳能发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。并网太阳能发电系统按照是否带蓄电池作为储能环节分为两种形式：1.带有蓄电池储能环节的并网太阳能发电系统：由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用。这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以

12、充当功率调节器的作用稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。2.不带有蓄电池环节的并网太阳能发电系统：并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能。当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照，太阳能系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网。夜间当负载所需电能超过太阳能系统产生的交流电能时，电网自动向负载补偿。并网发电由于可以将所产生的电量直接传输到电网，所以并网系统可不需要蓄电池，这种方式很大程度上降低了系统的成本，而且损失少，仅仅是在逆变过程中有部分电量损耗。但是，它也存在一定的缺陷。在通过逆变器直接连接电网时，由于太阳能矩阵

13、受天气、光照角度和环境影响较大，同一天内就可能出现无数次的变化，功率极为不稳定，因此，对逆变器要求较高，保证输出的电量不会对电网起副作用。3.太阳能发电特征太阳能发电功率输出波动很大，不确定性程度高，难以调节。拥有太阳能发电的电力系统需要更高的发电备用容量，以及输电网络备用容量。太阳能发电及其他形式的分布式发电系统的接入将原来辐射型无源电网变成了有源环网，系统因为潮流变化频繁，系统保护配置，电压调整比较困难，给系统安全运行带来新的挑战。太阳能发电所在地区往往处于供电网络的末端，承受冲击的能力较弱，随着太阳能发电规模的不断扩大，其特性对电网的影响也愈加显著，成为制约太阳能发电容量和规模的严重障碍

14、。针对并网型太阳能发电，国内外学者和工程技术人员的研究与经验表明，与太阳能发电并网相关的课题研究主要集中在以下几个方面：太阳能发电并网对电能质量的影响；孤岛效应问题；可靠性问题；准入功率的计算问题；电网效益问题；配电网故障问题等10。3.1建筑中太阳能的应用形式由于建筑在建造和使用过程中消耗的能源已约占全社会总能耗的 30%。因此，在建筑中积极推广应用的太阳能、地热能等新能源，代替和尽可能少的消耗煤炭、石油、天然气等传统能源具有重要意义。随着世界能源危机的日益显现，节能建筑是世界建筑发展的趋向，洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用是未来建筑设计的重要内容。太阳能在建筑中的应用主要有被动式太阳

15、能应用和主动式太阳能应用两种。（1）被动式太阳能应用被动式太阳能应用主要是依靠建筑物本身(如房间的位置、合理布局建筑的空间、利用建筑结构、材料的吸热性能等)来完成太阳能的集热、储热和放热功能。其基本思想就是将各建筑的基本因素(如窗、屋顶、墙、楼板等)调动起来，使日光、空气、热量仅在有益时进入建筑，通过控制阳光和空气在恰当的时间进入建筑并合理储存和分配热空气和冷空气，从而使能源得到有效的利用，并且增加人们的舒适度。（2）主动式太阳能应用主动式太阳能应用目前最多的主要是光电应用和光热应用两种。太阳能光热应用主要是太阳能热水、太阳能采暖等，其中最重要的组件就是太阳能集热器，集热器吸收太阳光辐射能量将

16、冷水加热变成热水，具有一定温度的热水可直接提供给建筑中的用户用于洗澡、洗漱等;此外还可以在地板下敷设加热盘管，热源由太阳能集热器加热的热水提供，采暖效果非常好;光电应用是用太阳能转换装置为建筑物的机电设备、灯具等提供电能，建筑中常用的是太阳能太阳能发电，它通过由太阳能太阳能电池板来产生电能，产生的电能储存到蓄电池中直接供直流电源供电或者通过逆变器变为交流后供交流用电设备使用。被动式太阳能技术主要和建筑设计、结构密切相关，智能化技术可参控性较少，因此太阳能在建筑中的应用主要是指主动式太阳能，通过对主动式太阳能设备和系统进行统一的管理和控制，优化太阳能应用系统的运行，发挥出太阳能最大的功效，最大限

17、度的降低建筑能耗。根据太阳能在建筑中的应用方式，建筑中太阳能的应用主要包括:太阳能热水、太阳能太阳能发电、太阳能空调、太阳能制冷、太阳能采暖、太阳能路灯照明等。4.太阳能应用的节能分析4.1建筑结构对节能的影响太阳能建筑应建在太阳能辐射丰富的地区，根据太阳能建筑光照原则，山坡或浓密的树木的北面不应设置太阳能建筑，太阳能建筑周围只适宜种植低矮植物和花草，太阳能建筑适宜建在向阳的山地、坡地及位置较高的地方上，在建筑周围无遮挡的情况下，地势高有利于接收太阳光，建筑所在地区的接收辐射量越大，对于太阳能建筑的发电越有利。4.2建筑间距建筑的日照间距指为保证建筑上的太阳能部件不被其前力一建筑物遮挡，必须使

18、太阳能建筑与其前方建筑物之间保持有一定的距离。日照间距的确定主要是以冬至日的光照作为计算基数，只要冬至日这天的太阳辐射能保证太阳能建筑在日照时间内不被其前方建筑物遮挡，那么一年内其他日期的日照时间均大于冬至日的日照时间，这个日照间距就是符合要求的。日照间距对太阳能建筑是重要的，是相邻建筑物之间的最小的距离。太阳能的建筑类型、建筑朝向、用地地形、当地地理纬度位置等因素决定日照间距。建筑物间距参考图4-1确定。图 4-1 建筑物间距图4.3建筑朝向建筑朝向指建筑物在场地上坐落的位置与地球的关系。房屋坐北朝南是人们长期生活经验的总结。从地理学角度来看，中国位于地球北半部，阳光移动的位置是从东方升起西

19、方日落，一天中大多数时间阳光都是从南面照射过来，这就决定了人们居住采光的朝向是南向的。从季节风角度来看，我国境内大部分地区冬季为寒冷的偏北风，而夏季为暖湿的偏南风，我国西、北、东三面多有环山，以抵挡冬季风，南面开阔，这就决定了中国居住环境是坐北朝南。4.4建筑外形太阳能建筑的外形对其发电效率有很重要的影响。(1)太阳能建筑的屋顶一般坡屋顶居多，坡屋顶光照条件好，能自由地接受太阳辐射;太阳能系统能够紧贴屋顶，风力对系统的损害可以降低;对屋面也有保温隔热的作用，一定坡度的倾角有利于积雪和雨水滑落。(2)现在遮阳板为新型 pv 遮阳板，与水平面有一定倾角，新型遮阳板安装在建筑物上后，不但可以遮阳，还

20、能太阳能发电，然后把电力提供给建筑物。(3)向阳的阳台也设计成有一定倾角的斜面，可将太阳能热水器安装在倾斜的阳台上，接收阳光，给建筑物提供热水。5.小结在这个推广节约能源和绿色经济的时代，无论从政府还是人民的角度讲，都十分注重节约能源与绿色环保。与此同时，新能源发电技术，尤其是太阳能发电技术，有了长足的发展。而太阳能资源又因其独有特点，可以和建筑很好地结合，使得其在城市中的作用得到了很好的发挥。既可以参与电力系统的调峰等，又可以降低建筑物的能源消耗，还可以节省建筑物的整体成本。将太阳能发电与建筑结合是一种很好的利用太阳能的手段，相信其会很有发展前景。6.参考文献1 崔荣强，并网型太阳能光伏发电

21、系统，北京：化学工业出版社2 iea-pvps, trends in photovoltaic applications survey report of selected iea countries between 1992 and 2006,20063 王七斤,李崇亮.太阳能应用技术 m.北京:中国社会出版社,2005. 4 宣晓东.太阳能光伏就是与建筑一体化应用初探 d.合肥工业大学,2007.5 diehl w, sittinger v, szyszkab. thin film solar cell technology in germany j. surface & coatings technology, 2005, 193: 329-334.6 zahedi a. solar photovoltaic (pv) ener