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

　　第一章项目设想

　　1.1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。

　　1.2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。

　　1.2.1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。

　　1.2.2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。

　　1.2.3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。

　　1.3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。

　　1.3.1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。

　　1.3.2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。

　　1.3.3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。

　　多元化合物材料

　　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)

　　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。

　　1.4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。

　　1.4.1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。

　　1.4.2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。

　　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。

　　1.5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。

　　第二章项目效益分析

　　2.1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)

　　2.2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。

　　参考文献

　　[1] 李娟 , 丁蕾 , 王娅 . 太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用分析 [J]. 沈阳工程学院学报 ( 自然科学版 ),2018(1):1-4.

　　[2]周希松.分布式光伏发电系统在民用建筑中的应用[J].现代建筑电气 ,2017(4):38-41.

　　[3] 张长志 . 光伏发电系统在绿色建筑中的应用及其节能研究 [J]. 科技与企业 ,2015(9):102-102

　　[4]Deo Prasad，Mark Snow.太阳能光伏建筑设计[M].上海现代建筑设计(集团)有限公司技术中心，译.上海：上海科学技术出版社，2013.

　　[5]施韬，沈佳燕，蒋金洋.光伏建筑一体化研究及应用现状 [J].新型建筑材料，2011，38(11)：38—41.

　　[6]靳伟.光伏建筑一体化(BIPV)在绿色建筑中的应用[J]. 建筑技术，2011，42(10)：907—910.

　　[7]郑瑞澄，路宾，李忠，等.太阳能供热采暖工程应用技术手册 [M].中国建筑工业出版社，2011