风光储发电技术051130.pdf

勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。顾炎武风光储发电技术 新能源在建筑节能中的应用，较早表现在光伏建筑一体化设计方面。但建筑节能与光伏发电单一的结合形式，使系统所发出的电能质量及可靠性较差。风能、太阳能作为可利用的自然可再生能源，两者在转换过程中都受季节、地理和天气气候等多种因素制约。但是，两者的变化趋势基本相反，如果扬长避短、相互配合，则能发挥出最大的作用。特别是在远离电网的地区，独立供电系统成为必需的动力源。同时，在系统中配置必要的储能设施，结合风能、太阳能的特点，构成风光储发电系统，能改善系统输出的电能质量，提高系统供电可靠性。风光储技术与建筑节能有机结合能充分利用建筑物所在地区的风能和太阳能资源，符合能源可持续发展的需求。其优势包括以下几点:有效减少占地费用，风电机组及光伏组件可在高层建筑上合理配置;独立的发配电系统的运行减少了线路传输损耗;应用储能技术使建筑供电系统成为完全不依赖于公用电网的独立电源系统。在中国的西北、美国明尼苏达等地区风能资源丰富、日照充足，特别适合风光储技术的应用。一、基于风光储发电技术的节能设计 风光储发电技术的建筑节能系统主要由风力发电机组、光伏组件、储能设备、换流控制器及交直流负载等部分组成。其基本工作原理是:风机发出的交流电经整流器整流后，与光伏电池发出的直流电，在控制器的控制下同时或单独向蓄电池充电，经逆变器将直流电变换为交流电，通过交流配电系统输送到用户。控制器控制着两个系统最大程度地发挥各自的效能，同时又要保证不会对蓄电池过充电，稳定电压，使系统在恒压充电状态下工作。基于风光储发电技术的建筑节能系统设计主要包括光伏建筑一体化设计、风能建筑一体化设计、储能建筑一体化设计及换流器设计。1.1 光伏建筑一体化设计 光伏建筑一体化是将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术，其不仅有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏建筑一体化一般分为独立安装型和建材安装型两类。独立安装型是指普通太阳能电池板施工时通过特殊的装配件把太阳电池板同周围建筑结构体相连。建材安装型则是指在生产时把太阳能电池片直接封装在特殊建材内，或做成独立建材的形式，如屋面瓦单元、幕墙单元、外墙单元等，外表面设计有防雨结构，施工时按模块方式拼装，集发电功能与建材功能一体，施工成本低。建材安装型一般分为 4 种方式，分别为屋顶一体化、墙面一体化、建筑构件一体化及建筑立面 LED 一体化。在光伏建筑一体化设计上应综合考虑以下因素。天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。易经好学近乎知，力行近乎仁，知耻近乎勇。中庸(1)在外观上，兼顾太阳能的利用及建筑美观，无论是在屋顶还是在立面墙上，应实现两者协调与统一。(2)在墙面的选择上，首选南立面墙(向阳面)以期最大程度利用太阳能，其次可考虑选择东南面墙或西南面墙。(3)在屋顶角度的选择上，考虑结构稳定性的基础上，尽可能选择与当地纬度一致。(4)在结构上，要妥善解决光伏电池板的安装问题，确保建筑物的承重、防水等功能不受影响，还要充分考虑光伏电池板抵抗强风、暴雨、冰雹等自然灾害的能力。1.2 风能建筑一体化设计 风能建筑一体化即风能组件可以融入建筑本体中。在低层建筑中，风能发电组件可在建筑前规划选择在比较空旷的位置安装，既不影响美观又不影响风能的利用，而且还可以根据用户的多少确定风机组件的容量。考虑到风能资源随着高度的增加而增加，可以考虑将风力发电机安放在房顶。在建筑楼群之间，可以根据风场的分布情况，在风道的垂直方向设置多台风电机组。所以一体化设计的完成从一开始就要在建筑平面设计、剖面设计、结构选择以及建筑材料的使用方面融人新能源利用技术的理念，进一步确定建筑能量的获取方式和建筑能量流线的概念，再结合经济、造价以及其他生态因素的分析，最终得到一个综合多个生态因素的最优化的建筑设计。开发风能会引起环境问题，如污染排放、噪音、伤害鸟类、干扰通信、安全问题和影响视觉景观。视觉影响在实际规划时成为一种制约因素，对那些风景秀丽、经济发达和人口稠密的地区更是如此。据研究调查发现，人们喜欢以直线排列的风机，而不喜欢以矩形网状排列的风机。要想让人们的视觉接受风机，不仅可采用对风机进行整齐排列的办法，而且还可通过采用统一的尺寸和设计来增加美感。比如国外著名的旅游胜地迪拜、巴林的风能与建筑一体化设计中便考虑了人们的视觉感受。风能建筑一体化设计主要应考虑如下因素：(1)分析建筑物所在地区风资源情况，了解风速、风功率密度及主风向等资料，以便确定风电机组布置。(2)考虑建筑物和风电机组的协调布置，以达到风能的充分利用及建筑物美观的完美结合。(3)依据高层建筑风环境特点，风力机通常安装在风阻较小的屋顶或风力被强化的洞口、夹缝等部位。(4)建筑物屋顶风力大、环境干扰小，是安装风力机的最佳位置。风力机应高出屋面一定距离，以避开檐口处的涡流区。建筑物中部开口处，风力被汇聚和强化，产生强劲的“穿堂风”，人人好公，则天下太平；人人营私，则天下大乱。刘鹗人之为学，不日进则日退，独学无友，则孤陋而难成；久处一方，则习染而不自觉。顾炎武适宜安装定向式风力机。由于风能的不稳定性和噪音等问题，很难大规模地应用于一体化设计。1.2.1 风能与建筑一体化设计实例介绍 但在 2007 年 6 月竣工的巴林世贸中心，却成功地将大型风轮机集成到建筑当中，设计师在建筑物的双塔之间 16、25 层和 35 层处分别设置了 1 座重达 75 t 的跨越桥梁，3 个直径达 29 m 的水平轴风力发电机组被固定在这 3 座桥梁之上。每年可为大楼提供 10%15%的电力，即 110 万 130 万 kWh，相当于 300 个家庭一年的用电量。堪称风能建筑一体化的典范之作。迪拜预建的旋转大厦 迪拜计划建造世界上第一座旋转大厦，旋转大厦让人在不同时间看到的大厦外观不一样，每时每刻让人有一种新鲜感。该大厦高 420 米，共 80 层，每一层都能自由旋转从而改变大厦的整体外观，这座大厦预计在 2010 年之前落成。旋转大厦的中央为柱状结构，材料大部分采用特殊钢质构造，具有很低的硬度，又有很好的韧性。在建造这种旋转建筑时以一个核心结构为基础，大厦内部的每一楼板是由单独的片状结构组成，并在大厦的每两层地板之间都设有能够发电的风力涡轮机（图 2），是地板能够独立旋转的主要动力来源，并不会给当地的能源问题带来压力。一座 80 层的大楼将拥有多达 79 个风力涡轮机，依靠风力旋转。大厦的另一亮点是它将以海湾地区充沛的太阳能作为旋转动力，同时还有 20 个小型电动机辅助大厦每小时旋转一定度数。这将让大楼成为真正绿色的发电厂，不仅可以实现自我供电，并且还能给大楼的用户和周围的其他建筑物提供电力。大厦的屋顶还装配有大型太阳能板，能够充分利用太阳能。它的太阳能设备年发电量（在阳光充足的情况下，能量高峰期）大约在100 万千瓦时，超过了一座普通的小型发电站，的确可以称得上是新型环保建筑的典范。该风光互补发电系统与建筑一体化案例位于济南市山东建筑大学科技楼，该工程中,太阳能系统总功率为 700W(6 块额定功率为 100W 的 MBF100 光伏板,2 块额定功率为 150W 的DBFQ150 光伏板);风能系统总功率为 1000W,采用交流电机,具有风向、风速双向测量功能;蓄电池系统为24V500AH 电池组;逆变器可将24V 直流电转变为220V 交流电,为负载提供电流;负载为大电子显示屏。太阳能与建筑的结合方式为光伏屋顶，太阳能电池方阵的方位角为朝向正南方向设置，与水平面的倾斜角度为 42。风能发电与建筑的结合方式为在楼顶设置风力发电机组。根据数据采集系统采集到的每天太阳能、风能安时数，统计计算出每月的安时数，经过计算就可得到该发电系统一年的发电量。整理结果如表 1 所示.太阳能和风能一年的总发电安时为 91847 Ah，系统的输出电压为 24V，因此，该风光互补发电系统年常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文先天下之忧而忧，后天下之乐而乐。范仲淹发电量约为 2200kWh,能够满足负载（大电子显示屏）全天的用电要求。1.3 储能建筑一体化设计 储能技术与建筑一体化的结合也可分为直接结合和间接结合两种形式，直接结合主要是指在一体化建筑中使用储能建筑材料，比如相变储能材料。间接结合一般指在建筑供电系统中配置必要的储能设备。电能的储存形式可具体分为机械、电磁、电化学电池三大类型，而近年来电池储能受到越来越多的关注，其中锂离子电池是高级电池中一种有广泛应用潜力的电池。目前，深圳某公司已开发出基于磷酸铁锂电池储能技术的 200 kW 4 h 柜式储能电站和 1 MW 4 h 储能示范站(目前实际投入运行的容量为 330 kW 4h)，其应用方向定位于削峰填谷和新能源灵活接入。在风光储建筑一体化设计中融于合适的储能设备，既能改善电能质量，又能提高供电可靠性，还可以使建筑供电系统成为完全不依赖于公用电网的独立电源系统。1.4 换流器设计 换流器是风光储建筑节能系统的核心设备，应具备能量双向传递功能。其基本功能主要包括:将风电机组整流器、光伏电池组件及储能电池输出的直流电转化为交流电;在风电机组及光伏电池组件输出的能量除了供给整个建筑的用电外还有盈余时，换流控制器将直接对储能电池进行充电;如果风光储建筑节能系统与公共电网相连，在风电机组及光伏组件无法输出能量而储能电池能量不足时，换流器还可将公共电网的交流电转换为直流电，以便对储能电池进行充电。双向换流器还需配置电池管理系统，该系统主要用于控制电池模块，保证电池的安全可靠运行。电池管理系统除监视电池运行状态外，还具有过压、欠压、温度、漏电报警及保护功能，以及过流报警功能等。二、对风光储建筑节能系统的探讨 风光储建筑一体化系统能有效减少建筑对常规能源的消耗，实现建筑节能，提高能源利用率;省去了风电机组和光伏组件的占地、基建等部分的费用;同时减少了远距离电力输送的损耗，降低了输送成本及相应的建设成本;该系统中由于采用了储能技术使其能基本满足日常生活中建筑的用电需求。要实现风力发电、太阳能光伏发电及储能系统与建筑一体化的综合设计，应综合考虑如下因素。(1)分析建筑物所在地区风能资源和太阳能资源情况，选择合适的风电机组和太阳能电池，实现风能和太阳能利用效能最大化。云路鹏程九万里，雪窗萤火二十年。王实甫云路鹏程九万里，雪窗萤火二十年。王实甫(2)对建筑物的所有用电需求进行统计分析，既要了解常规用电需求，又要清楚高可靠性保安电源需求，以便合理选择风电机组容量、光伏组件容量、储能电池容量。(3)合理选择风光储容量配比，充分利用风光在时间及地域上的天然互补性以及储能电池的能量可存储性，改善整个系统的时间功率输出曲线，抑制风光储独立发电系统接入对电网产生的不利影响。(4)在建筑设计中，对风电机组、光伏组件、储能电池、换流器等相关设备必须系统地考虑和合理组织安排，如蓄电池组需要在干燥的环境中使用，且应置放在防潮、通风的地方。(5)风光储建筑节能系统综合一体化设计，从一开始就要求在建筑平面设计、剖面设计、结构选择以及建筑材料的使用方面融于新能源利用技术的理念，进一步确定建筑能量的获取方式和建筑能量流线的概念，再结合经济、造价以及其他生态因素的分析，最终得到多个生态因素最优化的综合建筑设计方案。建筑节能与风光储发电技术的结合是个新生事物，还缺乏设计理论和实践经验，但将风光储发电技术应用于建筑节能中，其在新能源利用、环保节能方面的意义是不可置疑的。为此，在选择应用技术方案上，还要重视以下问题。就经济性而言，考虑当前最先进的技术，风电成本最接近市电，光伏成本次之，储能成本相对最高;但并不意味风光储建筑节能系统的经济效益都会很高。在风能资源和太阳能资源充足，系统设计合理的前提下，经济效益明显;反之，可能很低。风电机组产生的噪声、震动、安全等及光伏组件光污染问题，可能对建筑物和居民生活构成威胁。因此，选择低噪声、低震动的风机及高透光率的光伏组件很有必要。风能太阳能及储能设备的利用，对建筑设计提出了新的、复杂的技术和美学要求。为了避免其相互影响，发挥联合优势，应使建筑与风光储建筑节能系统在功能、结构、设备、材料、外观上融为一体。