零碳建筑技術概論第4章太陽能利用技術

時間：2022.08CONTENTS目錄4.1太陽能光伏發電技術4.2太陽能熱利用技術4.3太陽能光伏光熱復合技術PPT模板下載：/moban/行業PPT模板：/hangye/節日PPT模板：/jieri/PPT素材下載：/sucai/PPT背景圖片：/beijing/PPT圖表下載：/tubiao/優秀PPT下載：/xiazai/PPT教程：/powerpoint/Word教程：/word/Excel教程：/excel/資料下載：/ziliao/PPT課件下載：/kejian/范文下載：/fanwen/試卷下載：/shiti/教案下載：/jiaoan/PPT論壇：

3014.1太陽能光伏發電技術目前，世界上許多國家都加大了對太陽能光伏發電技術的研究并制定了相關政策來鼓勵太陽能產業的發展。近幾年，世界太陽能電池組件的年平均增長率約為33％，光伏產業已成為當今發展最迅速的高新技術產業之一。我國太陽能光伏發電的開發和研究起步于20世紀70年代，2000年我國的光伏技術步入大規模并網發電階段。2002年，我國政府啟動了“光明工程”、“送電到鄉工程”等項目，重點研發和利用太陽能光伏發電技術。4一、太陽能電池51、太陽能電池組件一、太陽能電池6

太陽能電池材料基體晶體硅太陽能電池非晶硅太陽能電池微晶硅太陽能電池納米硅薄膜太陽能電池化合物太陽能電池有機半導體太陽能電池鑄錠多晶硅太陽能電池桶狀多晶硅太陽能電池球狀多晶硅太陽能電池硫化鎘太陽能電池碲化鎘太陽能電池砷化鎵太陽能電池單晶硅太陽能電池片狀多晶硅太陽能電池2、太陽能電池材料的分類一、太陽能電池7

太陽能電池發電原理

現以晶體硅為例描述光發電過程，P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結。當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生躍遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。

這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。3、太陽能電池發電原理一、太陽能電池8離網光伏發電也叫獨立光伏發電。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。并網光伏發電就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網。可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統。離網光伏發電并網光伏發電4、光伏發電系統的分類二、離網光伏發電系統9

離網光伏發電系統利用日間光照進行發電，夜間系統無太陽能源不發電，因此為提供夜間供電，需要將日間所發的電能儲存起來以備夜間或無日照時使用。

采用離網光伏發電系統，可以不受距離和供電條件的影響，自發自用，將多余電量儲存，一般蓄電池能儲存的電量可以夠用戶正常用電3天，保證用戶在連續陰雨天仍可以正常用電。二、離網光伏發電系統101、基本構成二、離網光伏發電系統11太陽能板其產生的電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作控制器是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備蓄電池組作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電逆變器將直流電轉換成交流電的設備二、離網光伏發電系統122、系統形式無蓄電池的直流光伏發電系統有蓄電池的直流光伏發電系統交流光伏發電系統交、直流混合光伏發電系統市電互補型光伏發電系統0203040501太陽能電池與用電負載直接連接，有陽光時就發電供負載工作，無陽光時就停止工作。系統不需要使用控制器也沒有蓄電池等的儲能裝置。這種系統應用廣泛小到太陽能草坪燈、庭院燈大到遠離電網的移動通信基站微波中轉站邊遠地區農村供電等。交流光伏發電系統與直流光伏發電系統相比系統多了一個交流逆變器用以把直流電轉換成交流電，為交流負載提供電能。交、直流混合光伏發電系統既能為直流負載供電，也能為交流負載供電。市電互補型光伏發電系統，就是在獨立光伏發電系統中以太陽能光伏發電為主，以普通220v交流電補充電能為輔。二、離網光伏發電系統13系統防火設計及附屬設施設計。建筑負載用電量及供電電壓等級設計確定光伏組件安裝角度，計算系統峰值輸出功率，確定光伏組件選型，完成方陣電氣設計監控系統設計確定蓄電池容量，根據系統直流電壓或逆變器的要求選取蓄電池組的電壓3、系統設計要點二、離網光伏發電系統14

21世紀以來，在黨中央、國務院的高度重視和西藏自治區黨委政府的領導下，西藏自治區的能源問題有了較大的改善，在離網光伏電站的推廣方面，從20世紀90年代初開始，西藏陸續開展了一些推廣和示范工作，先后實施了“西藏光明工程先導項目”“科學之光計劃”“送電到鄉”“金太陽工程”等項目，包括國際援藏項目，基本解決了無電地區人口的用電問題。

據不完全統計，從20世紀90年代初至今，在西藏地區推廣示范不同種類規格的離網光伏電站745座（含修復升級），總裝機容量達20.77兆瓦。近年來，隨著“無電地區電力建設光伏工程”在內的多項惠民工程在西藏七個地市的實施，基本實現了西藏無電人口全覆蓋。4、離網光伏發電系統應用案例二、離網光伏發電系統154、離網光伏發電系統應用案例年份項目名稱投資主體建設地點容量規格/千瓦數量/座總容量/千瓦2003-2004無電地區電力建設光伏工程西藏發改委那曲地區尼瑪縣、雙湖縣、巴靑縣崗切鄉、拉薩市尼木縣、阿里地區7縣共計61個鄉鎮2-75不等1072639.52009-20112009年度金太陽工程西藏發改委山南地區2個縣的2個鄉鎮4.4-30不等234.42010-20132010年度金太陽工程西藏發改委那曲班戈縣的8個行政村10-45不等8224.962012-20132012年度金太陽工程西藏發改委7個地市（拉薩、日喀則、山南、林芝、昌都、那曲、阿里）的54個縣10-45不等54982.12015-2016金太陽二期工程西藏發改委7個地市（拉薩、日喀則、山南、林芝、昌都、那曲、阿里）新建和擴容4-45不等1919393.122018-2020西藏自治區項目西藏發改委阿里地區改則縣4座光伏電站修復升級18-85不等4192.74三、并網光伏發電系統16①光伏發電并網技術是指將光伏陣列輸出的直流電轉化為與電網電壓同幅值、同頻、同相的交流電，并與電網連接將能量輸送到電網的技術系統。②并網光伏發電系統有集中式大型并網光伏系統，也有分散式小型并網光伏系統。③在光伏發電并網過程中，涉及的關鍵技術主要包括：光伏并網逆變技術、光伏并網監控技術、反孤島保護技術、低電壓穿越以及直流并網技術的選擇等。④光伏并網監控技術為了保證光伏發電可靠、高效的并網運行，電站監控系統是其中的關鍵環節。三、并網光伏發電系統17太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，與離網光伏發電系統的作用保持一致。光伏并網逆變技術并網逆變器是實現光伏并網的重要組成部分，主要作用是將光伏電池產生的直流電能轉化為交流電能，并實現與電網電壓的同相同頻，從而實現與電網電能的交互。交流配電柜其在電站系統的主要作用是對備用逆變器的切換功能，保證系統的正常供電，同時還有對線路電能的計量。1、基本構成三、并網光伏發電系統182、系統形式有逆流并網光伏發電系統無逆流并網光伏發電系統切換型并網光伏發電系統有儲能裝置的并網光伏發電系統大型并網光伏發電系統0203040501當光伏發電系統發出的電能充裕時，可將剩余電能饋入公共電網，向電網送電（賣電）；提供的電力不足時，由電網向負載供電（買電）。無逆流并網光伏發電系統即使發電充裕時也不向公共電網供電，但當光伏系統供電不足時，則由公共電網向負載供電。所謂切換型并網光伏發電系統，實際上是具有自動運行雙向切換的功能。有儲能裝置的并網光伏發電系統，就是在上述幾類并網光伏發電系統中根據需要配置儲能裝置。大型并網光伏發電系統由若干個并網光伏發電單元組合構成。三、并網光伏發電系統192、系統形式大型并網光伏發電系統三、并網光伏發電系統20（1）并網光伏發電系統在與公共電網連接時要通過變壓器等進行電氣隔離，同時實現直流隔離。（2）要使太陽能光伏發電系統的輸出電壓、相位、頻率、諧波和功率因數等參數在滿足實用要求的同時，能夠隨動公共電網的相關參數而改變。（3）要設置相應的并網保護裝置，一旦出現光伏系統和電網發電異常或故障時，能夠自動將光伏系統與電網分離。（4）太陽能光伏系統的逆變器輸出端與公共電網在低壓端并接時，自控裝置要對公共電網的電壓、相位、頻率等參數進行采樣，并以采樣值實時調整逆變器的輸出，保證并網光伏發電系統與公共電網的同步運行。3、并網供電方式對系統的要求三、并網光伏發電系統212021年，中國石化福建漳州石油分公司首座分布式光伏發電項目，在漳州市區延北加油站完成安裝。該項目利用加油站屋頂建設分布式光伏發電站，安裝面積312平方米，總裝機容量41.42千瓦，預計年發電量4.79萬千瓦時，每年可減少二氧化碳排放38.8噸，每年可節約電費約2.4萬元，節省了大量成本，減少了污染。4、并網光伏發電系統應用案例四、太陽能光伏建筑一體化技術22（1）建筑與光伏系統相結合。（2）建筑與光伏組件相結合，將光伏組件與建筑材料集成化。此外，光伏組件在與建筑相結合應用時，還應考慮兩個重要因素：①光伏組件壽命通常為15～25年，而建筑圍護結構壽命通常為50年，在設計時，必須考慮光伏組件失效后的拆卸和更換要求；②為保證光伏組件有較高轉化效率，應盡量使得光伏組件周圍環境溫度較低，在設計和安裝時，可考慮采用架空形式、雙層通風屋面或雙層玻璃幕墻形式等，以形成光伏組件周圍良好的通風條件。1、光伏建筑一體化的主要形式四、太陽能光伏建筑一體化技術232、光伏建筑一體化優秀案例

上海虹橋鐵路客運站光伏發電項目擁有達六萬平方米的安裝面積，每年可產出六百多萬千瓦時的電能，如果按產出相同電量需要消耗的煤炭資源計算，每年可減少約六千噸的二氧化碳凈排放量。應用類型風雨棚電池類型晶硅電池建成時間2010年7月安裝面積6.1萬平方米裝機功率6.688MWp年發電量6.3GWh五、光伏發電系統運行維護與故障排除

24光伏電站的發電量不僅受到太陽輻照度和工作溫度的影響，而且同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有較強相關性。由于光伏發電具有間歇性和波動性特點，導致了其在大規模并網發電的過程中存在不穩定性，由此提高了光伏電站規劃設計和運行維護的難度。運行維護與故障排除要點：1、明確巡檢工作要點，做好翔實的記錄。2、組件運行維護工作要點，做好定期化的檢查。3、逆變器運行維護工作的要點，做好降溫處理。024.2太陽能熱利用技術低溫（<100℃）領域：趨于成熟為居民提供生活熱水、供暖等。中高溫（≥100℃）領域：集中在工農業方面太陽能海水淡化、紡織、食品加工和木材烘干等方面，同時也可應用于多種新能源聯合發電領域。25一、太陽能熱水系統太陽能熱水系統構成：主要由集熱器、冷熱水循環管道、保溫熱水箱、冷水入口、熱水出口、支架等部件。原理：儲熱水箱中的冷水通過循環系統進入集熱器，在太陽輻射下，集熱器將吸收的太陽能轉化成熱能傳遞給傳熱介質（水），水受熱后通過循環系統進入保溫熱水箱，如此往復，直至將儲熱水箱中的水加熱。261.

基本構成一、太陽能熱水系統分類根據進入采光口的太陽輻射方向是否改變：聚光型和非聚光型集熱器。根據是否跟蹤太陽：跟蹤集熱器和非跟蹤集熱器。根據工作溫度范圍的不同：高溫集熱器、中溫集熱器和低溫集熱器。根據內部是否有真空空間:平板型集熱器和真空管型集熱器。272.

核心部件-集熱器一、太陽能熱水系統平板型集熱器基本構造（1）平板型太陽能集熱器構成：普通平板型太陽能集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱體等組成。應用范圍：生活用水加熱、工業用水加熱、建筑采暖等多個領域。281-吸熱體；2-透明蓋板；3-隔熱體；4-殼體a、b分別表示外形平面尺寸的長和寬一、太陽能熱水系統01吸熱體：扁盒式吸熱體：與介質的接觸面積大，傳熱效果好，肋片效率接近于1。管翅式吸熱體：優點有水容量小、承壓性能好和加工靈活等。

管板式吸熱體：除了水容量小、承壓性好等優點外，結構簡單，容易生產和廣泛應用，但是接觸面積小，傳熱能力不太好。

29（a）扁盒式（b）管翅式（c）管板式一、太陽能熱水系統02透明蓋板：位于吸熱體上方，讓更多的太陽輻射能通過，抑制吸熱體表面反射損失和對流損失，是形成溫室效應的主要部件，并能防止灰塵和保護吸熱體。材料一般選用玻璃，實驗結果表明，與吸熱體表面的安裝距離一般為20~30mm最佳，集熱效率最高。

03隔熱體：在吸熱體底面和側面充填保溫材料以減少吸熱體對周圍環境的熱損失。對保溫材料的一般要求：導熱系數低，小于0.055W/(㎡·℃)；耐熱性好，吸水性小，密度低等。常用保溫材料有巖棉、礦棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。04殼體：將吸熱體、蓋板及保溫材料等組成一個整體并保持有一定剛度和強度，便于安裝。殼體一般用鋼材、塑料或玻璃鋼等制成。30一、太陽能熱水系統

31太陽能利用率相對較低

全玻璃真空管集熱器U型管式真空管集熱器熱管式真空管集熱器→加入金屬肋片，進一步提高了換熱效率→設計了相變工質的熱管太陽能集熱器，為了進一步提高集熱器集熱效率。核心全玻璃真空集熱管

U型管式真空管集熱管熱管式真空管集熱管

（2）真空管型太陽能集熱器一、太陽能熱水系統

全玻璃真空管集熱器組成：內外玻璃管、選擇性吸收涂層、真空夾層、保護帽、消氣劑等部件。工作原理：太陽能透過外玻璃照射到內玻璃外表面上轉換為熱能，然后加熱內玻璃管內的傳熱流體。32一、太陽能熱水系統

U型管式真空器管集熱組成：集管、隔熱材料、集熱流體、U型管等部件。集管、隔熱材料、集熱流體、U型管等部件工作原理：它是將一支帶導熱片的U型金屬銅管，直接插入到全玻璃真空集熱管中，要求U型管圓形金屬肋片外徑盡量與玻璃管內壁接觸，以減小熱阻。真空管吸收太陽輻射能，通過U型管中流動的工質傳遞熱能，達到加溫熱水的目的。33一、太陽能熱水系統

熱管式真空管集熱器組成：熱管、金屬吸熱板、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、消氣劑等。工作原理：熱管式真空管集熱器，是利用太陽照射在表面鍍有選擇性吸收涂層的金屬吸熱板上，將吸收到的太陽輻射能轉化為熱能，傳導給與吸熱板（圖中的導熱介質）焊接在一起的熱管，熱管吸收熱能并加熱管內工質使其迅速氣化，被氣化的工質上升到熱管冷凝端，在冷凝端放熱迅速凝結為液體，在重力的作用下液體流回蒸發端。34一、太陽能熱水系統

35系統中太陽能與其他能源的關系集熱器內傳熱工質是否為用戶消費的熱水傳熱工質與大氣接觸的情況集熱器與貯水箱的相對位置按系統運行方式太陽能熱水系統分類一、太陽能熱水系統

太陽能熱水系統分類（1）按集熱器內傳熱工質是否為用戶消費的熱水直接系統（左）：效率高，初投資低，投資回收期短；但易結水垢，水質較差。間接系統（右）：系統水質有保障，抗凍性好；但系統熱損失大，效率較低，初投資大，經濟性較差。36一、太陽能熱水系統

太陽能熱水系統分類（2）按系統傳熱工質與大氣接觸的情況敞開系統：傳熱工質與大氣有大面積接觸，其接觸面主要在蓄熱裝置的敞開面。這種系統初投資少，但水質得不到保障。開口系統：傳熱工質與大氣的接觸僅限于補給箱和膨脹箱的自由表面或排氣管開口。封閉系統：傳熱工質與大氣完全隔離。37一、太陽能熱水系統

太陽能熱水系統分類（3）按系統運行方式自然循環系統（左）：造價低，構造簡單，不需要輔助動力，但對水箱的位置要求高，對建筑的外觀具有較大的影響。強制循環系統（中）：對水箱的位置沒有要求，便于布置，但需添加循環水泵，經濟性較差。

直流式系統（右）:非循環系統，不需要水泵，貯水箱可自由放置，適用于有一定初始水溫，且用水溫度要求較低的應用。38一、太陽能熱水系統

太陽能熱水系統分類（4）按系統中集熱器與貯水箱的相對位置分體式系統：貯水箱和集熱器之間安裝時存在一定距離，如圖（a）。緊湊式系統：貯水箱直接安裝在集熱器相鄰位置上，如圖（b）。整體式系統：集熱器可作為貯水箱的系統，如圖（c）。39一、太陽能熱水系統

太陽能熱水系統分類（5）按系統中太陽能與其他能源的關系太陽能單獨系統：沒有任何輔助能源的太陽能熱水系統。系統初投資小，但受天氣季節影響較大，系統供水不穩定。太陽能帶輔助能源系統：聯合使用太陽能和輔助能源，提供所需熱能的太陽能熱水系統。系統穩定，可保證24小時供水，但初投資較高。4002二、太陽能供暖系統41分類：根據是否需要外部驅動力，分為主動式系統和被動式系統。主動式系統：是用特別的機械裝置實現太陽能能源的高效率利用供暖方式，主動式太陽能供暖系統由曖通工程師設計。包括：①空氣加熱系統②水加熱系統③太陽能熱泵供暖系統二、太陽能供暖系統

42風機8：驅動空氣在集熱器與儲熱器之間不斷地循環。風機4：驅動建筑物內空氣的循環，建筑物內冷空氣通過它輸送到儲熱器中與蓄熱介質進行熱交換，加熱空氣并送往建筑物進行采暖。

若空氣溫度太低，需使用輔助加熱裝置。此外，也可以讓建筑物中的冷空氣不通過儲熱器，而直接通往集熱器加熱以后，送入建筑物內。空氣加熱系統二、太陽能供暖系統

43根據吸熱板板型的不同，平板型太陽能空氣集熱器可以分為滲透型和非滲透型兩大類。1、空氣集熱器：多孔板層或網層構成優點：空氣通過集熱板上的孔隙滲透過集熱板吸熱，大幅增加了集熱板和空氣間的換熱性能。缺點：強化傳熱受到一定限制，集熱器成本高。2、非滲透型空氣集熱器：吸熱板上沒有多孔結構。優點：結構簡單，易于制作與安裝，造價成本較低缺點：空氣與吸熱板間對流傳熱不夠充分，熱損失較大，集熱器整體熱效率較低。二、太陽能供暖系統

44當有太陽能可采集時開動水泵1，使水在集熱器與水箱之間循環，吸收太陽能來提高水溫。該系統的集熱器—儲熱部分—輔助加熱—負荷部分可以分別控制。水泵2是保證負荷部分供暖熱水的循環，旁通管的作用是為了避免用輔助能源去加熱儲熱水箱水加熱系統二、太陽能供暖系統

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根據太陽集熱器與熱泵蒸發器的組合形式，可分為直膨式和非直膨式兩種結構形式。直膨式系統：太陽集熱器與熱泵蒸發器合二為一，即制冷工質直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發。非直膨式系統：該系統有3種運行工況：（1）太陽能直接供暖；（2）太陽能與熱泵聯合供暖；（3）熱泵單獨供暖。直膨式太陽能熱泵系統非直膨式太陽能熱泵系統二、太陽能供暖系統

46被動式系統：被動式太陽能供暖系統，一般又稱被動式太陽房，特點是不需要專門的集熱器、熱交換器、水泵（或風機）等部件，只是依靠建筑方位的合理布置，通過窗、墻、屋頂等建筑物本身構造和材料的熱工性能，以自然交換的方式（輻射、對流、傳導）使建筑物在冬季盡可能多地吸收和儲存熱量，以達到供暖的目的。簡而言之，被動式太陽能系統就是根據當地的氣象條件，在基本上不添置附加設備的條件下，通過優化建筑構造和材料性能，使房屋達到一定供暖效果的方法。二、太陽能供暖系統

47應用目前國內最大的太陽能儲熱采暖及熱水綜合示范項目—河北經貿大學北校區跨季節蓄熱太陽能供熱采暖工程于2013年冬季投入使用。該系統用于解決這個校20多棟宿舍樓的冬季供暖及3萬多名師生的全年熱水需求。項目安裝橫雙排全玻璃真空管69000支，總集熱面積1.16萬立方米;安裝228個89噸的圓柱水箱，總蓄熱容積2萬余噸，其中2個用于洗浴熱水226個用于冬季供暖;采暖末端為翅片式散熱器。據測算，以系統運行壽命15年計，項目可減少2.7萬噸二氧化碳排放，節電7000萬千瓦時，節約標準煤9464噸。目前工程運行效果良好。三、太陽能制冷系統

48有太陽能光電轉換制冷和太陽能光熱轉換制冷兩種途徑。1、太陽能光電轉換制冷：太陽能（利用光伏發電板）→電能（制冷系統）→制冷這種方法的優點是可采用技術成熟且效率高的蒸汽壓縮式制冷技術，但目前太陽能光電轉化效率較低，而光伏發電板、蓄電池和逆變器等部件成本較高，因此推廣應用受限。2、太陽能光熱轉換制冷：太陽能→熱能或機械能（作為外界的補償）→制冷建筑上常用的太陽能制冷系統有：太陽能吸收式制冷系統、太陽能吸附式制冷系統、太陽能蒸汽噴射式空調系統、太陽能溶液除濕空調系統。三、太陽能制冷系統

49太陽能吸收式制冷系統工質：主要采用溴化鋰。工作原理：利用太陽能集熱器收集熱量加熱水，再用熱水加熱發生器中的溶液，產生制冷劑蒸汽，經過冷凝和節流降壓在蒸發器中由液體汽化吸熱實現制冷，之后制冷劑蒸汽被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加壓將含有制冷劑的溶液送入發生器進行加熱蒸發，完成一個制冷循環。三、太陽能制冷系統

50太陽能吸附式制冷系統

該系統的運行主要包括吸附制冷和受熱解吸2個過程，常見的吸附劑-制冷劑工質對有硅膠-水、沸石-水、活性炭-甲醇等。基本原理：利用太陽能或其他熱源，使吸附劑和吸附質形成的混合物(或絡合物)在吸附床中發生解吸，放出高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器，冷凝出來的制冷劑液體由節流閥進入蒸發器。制冷劑蒸發時吸收熱量，產生制冷效果，蒸發出來的制冷劑氣體進入吸附發生器，被吸附后形成新的混合物