導(dǎo)語：建筑節(jié)能風(fēng)光儲發(fā)電技術(shù)運(yùn)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(shí)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(yīng)用，較早表現(xiàn)在光伏建筑一體化設(shè)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(fēng)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(yáng)長避短、相互配合，則能發(fā)揮出最大的作用。特別是在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，獨(dú)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(shè)施，結(jié)合風(fēng)能、太陽能的特點(diǎn)，構(gòu)成風(fēng)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(fēng)光儲技術(shù)與建筑節(jié)能有機(jī)結(jié)合能充分利用建筑物所在地區(qū)的風(fēng)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(diǎn)：①有效減少占地費(fèi)用，風(fēng)電機(jī)組及光伏組件可在高層建筑上合理配置；②獨(dú)立的發(fā)配電系統(tǒng)的運(yùn)行減少了線路傳輸損耗；③應(yīng)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(dú)立電源系統(tǒng)在中國的西北、美國明尼蘇達(dá)等地區(qū)風(fēng)能資源豐富、Et照充足，特別適合風(fēng)光儲技術(shù)的應(yīng)用。

2基于風(fēng)光儲發(fā)電技術(shù)的節(jié)能設(shè)計

風(fēng)光儲發(fā)電技術(shù)的建筑節(jié)能系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏組件、儲能設(shè)備、換流控制器及交直流負(fù)載等部分組成。其基本工作原理是：風(fēng)機(jī)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(dú)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?；陲L(fēng)光儲發(fā)電技術(shù)的建筑節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計主要包括光伏建筑一體化設(shè)計、風(fēng)能建筑一體化設(shè)計、儲能建筑一體化設(shè)計及換流器設(shè)計。

2．1光伏建筑一體化設(shè)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(hù)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(dú)立安裝型和建材安裝型兩類。獨(dú)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(dú)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(shè)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(shè)計上應(yīng)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(yīng)實(shí)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(chǔ)上，盡可能選擇與當(dāng)?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(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雹等自然災(zāi)害的能力。

2．2風(fēng)能建筑一體化設(shè)計

風(fēng)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組直接集成到建筑物中。風(fēng)能建筑一體化設(shè)計主要應(yīng)考慮如下因素。

(1)分析建筑物所在地區(qū)風(fēng)資源情況，了解風(fēng)速、風(fēng)功率密度及主風(fēng)向等資料，以便確定風(fēng)電機(jī)組布置。

(2)考慮建筑物和風(fēng)電機(jī)組的協(xié)調(diào)布置，以達(dá)到風(fēng)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(fēng)環(huán)境特點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)通常安裝在風(fēng)阻較小的屋頂或風(fēng)力被強(qiáng)化的洞口、夾縫等部位。

(4)建筑物屋頂風(fēng)力大、環(huán)境干擾小，是安裝風(fēng)力機(jī)的最佳位置。風(fēng)力機(jī)應(yīng)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(fēng)力被匯聚和強(qiáng)化，產(chǎn)生強(qiáng)勁的“穿堂風(fēng)”，適宜安裝定向式風(fēng)力機(jī)。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和噪音等問題，很難大規(guī)模地應(yīng)用于一體化設(shè)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(fēng)輪機(jī)集成到建筑當(dāng)中，設(shè)計師在建筑物的雙塔之間16、25層和35層處分別設(shè)置了1座重達(dá)75t的跨越橋梁，3個直徑達(dá)29m的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)能建筑一體化的典范之作(圖3)。圖3巴林世貿(mào)中心風(fēng)能建筑一體化美國邁哈密COR環(huán)保大廈則是風(fēng)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(fēng)力渦輪機(jī)、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(fēng)力機(jī)；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(shè)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(shè)備。電能的儲存形式可具體分為機(jī)械、電磁、電化學(xué)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(yīng)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(shí)際投入運(yùn)行的容量為330kW×4h)，其應(yīng)用方向定位于削峰填谷和新能源靈活接入。在風(fēng)光儲建筑一體化設(shè)計中融于合適的儲能設(shè)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(dú)立電源系統(tǒng)。

2．4換流器設(shè)計

換流器是風(fēng)光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)的核心設(shè)備，應(yīng)具備能量雙向傳遞功能。其基本功能主要包括：①將風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(jìn)行充電；③如果風(fēng)光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，在風(fēng)電機(jī)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(jìn)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(yùn)行。電池管理系統(tǒng)除監(jiān)視電池運(yùn)行狀態(tài)外，還具有過壓、欠壓、溫度、漏電報警及保護(hù)功能，以及過流報警功能等。

2．5對風(fēng)光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)的探討

風(fēng)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(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，提高能源利用率；省去了風(fēng)電機(jī)組和光伏組件的占地、基建等部分的費(fèi)用；同時減少了遠(yuǎn)距離電力輸送的損耗，降低了輸送成本及相應(yīng)的建設(shè)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(shí)現(xiàn)風(fēng)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(shè)計，應(yīng)綜合考慮如下因素。

(1)分析建筑物所在地區(qū)風(fēng)能資源和太陽能資源情況，選擇合適的風(fēng)電機(jī)組和太陽能電池，實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(jìn)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(fēng)電機(jī)組容量、光伏組件容量、儲能電池容量。

(3)合理選擇風(fēng)光儲容量配比，充分利用風(fēng)光在時間及地域上的天然互補(bǔ)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(fēng)光儲獨(dú)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(shè)計中，對風(fēng)電機(jī)組、光伏組件、儲能電池、換流器等相關(guān)設(shè)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(yīng)置放在防潮、通風(fēng)的地方。

(5)風(fēng)光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)綜合一體化設(shè)計，從一開始就要求在建筑平面設(shè)計、剖面設(shè)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(jìn)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(jì)、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(shè)計方案。建筑節(jié)能與風(fēng)光儲發(fā)電技術(shù)的結(jié)合是個新生事物，還缺乏設(shè)計理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但將風(fēng)光儲發(fā)電技術(shù)應(yīng)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(yīng)用技術(shù)方案上，還要重視以下問題。

(1)就經(jīng)濟(jì)性而言，考慮當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，風(fēng)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(fēng)光儲建筑節(jié)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益都會很高。在風(fēng)能資源和太陽能資源充足，系統(tǒng)設(shè)計合理的前提下，經(jīng)濟(jì)效益明顯；反之，可能很低。

(2)風(fēng)電機(jī)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(fēng)機(jī)及高透光率的光伏組件很有必要。

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

3工程應(yīng)用舉例

美國明尼蘇達(dá)州風(fēng)能資源豐富、太陽能資源較豐富。明尼蘇達(dá)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(shè)計方案時，為充分利用當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源，并考慮大樓的用電負(fù)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(fù)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(dāng)?shù)氐木暥认喈?dāng)。據(jù)此，大樓屋頂傾角設(shè)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(fēng)能發(fā)電與建筑結(jié)合設(shè)計，擬采用風(fēng)電機(jī)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(fēng)輪直徑的機(jī)組間距，擬在樓頂設(shè)置50kW風(fēng)電機(jī)組6臺。該機(jī)組風(fēng)輪直徑18In，機(jī)組重量(不含塔筒)約2t，額定風(fēng)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(fēng)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(shè)計，太陽能電池瓦及風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能可供大樓的部分負(fù)荷需求，300kW•h的儲能單元可滿足電網(wǎng)失電時的保安負(fù)荷需求。