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BIPV革命一智能光伏外遮阳系统

作者:利发国际 发布时间:2020-08-08 04:39 点击数:

  BIPV革命一智能光伏外遮阳系统_其它_计划/解决方案_实用文档。BIPV

  BIPV 革命一智能光伏外遮阳系统 1 前言 世界光伏发电产业就像武广高铁一样迅猛发展,而中国光伏产业又是这列火车的火车头。 从上个世 纪末到本世纪初,中国光伏发电已逐渐从解决特殊领域供电,如通信、边远地区民用生活用电,转向作为 常规能源的一种重要补充,并以分散的形式进人电力市场。 在诸多形式中,建筑光伏是光伏发电应用领域 最重要的市场。国家 2009 年先后出台的《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》 、 《太阳能光 电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》 、 《关于实施金太阳示范工程的通知》,以及即将出台的《上网 电价法》 ,都为太阳能时代的来临奠定了坚实的基础。 因此大力发展建筑光伏应用,无论对我们建筑幕墙 产业,还是光伏发电产业,都具有广阔的市场前景。 1.1 什么是 BMPV? 以前我们总说 BIPV,其实就是 Building Integrated Photovoltaic 的缩写,直译就是 “集成到建筑物上的 光伏发电系统” 。我国业内通常称 BIPV 为“光伏建筑”或“光伏建筑一体化” 。 随着我国 BIPV 的实践和发展,我们需要对光伏建筑概念作扩展和更准确的界定。光伏建筑应定义 为:“ 安装在建筑物上的光伏发电系统”,英文为“Building Mounted Photovoltaic” ,简称 BMPV 。 以下我们要用 BMPV 代替传统意义上的 BIPV ,因为 BIPV 只是 BMPV 的一种形式。 1.2 建筑光伏(BMPV)的分类 随着 BMPV 的实践和发展,使“建筑光伏”的实际含义有所开展,我们根据功能的多样性把建筑光 伏划分为 BAPV 和 BIPV 两种形式。 (1) 我 们 把 安 装 在 现 有 建 筑 物 上 的 光 伏 发 电 系 统 , 光 伏 系统 附 着 在 建 筑 物 (Building Attached Photovoltaic)主要完成发电任务,与建筑物功能不发生冲突,称为 BAPV 。 BAPV 主要用于旧楼屋顶光伏 改造和大型屋面的光伏系统架设。 (2)当光伏发电系统作为建筑物外部维护结构的一部分,且与建筑物同时设计、施工和安装。像这样 的光伏发电系统既具有发电功能,又具有建筑物构件和材料功能,甚至提升了建筑物的美感,与建筑物形 成完美的统一体(Building Integrated Photovoltaic),称为 BIPV。BIPV 是现代光伏建筑的主要形式,广泛用 于各种民用建筑、公共建筑、工业建筑等一切可以承载光伏发电系统的建筑物。 1.3 并网 BMPV 的优点 (1)由于将光伏系统直接安装在建筑物上 ,充分利用建筑物的高度和受光面的面积 ,不需额外占用土 地,节约土地资源。 (2)这种光伏系统提供了一种分散、安全、方便的发电方式 ;并网发电,因此不需要蓄电池,免去了蓄 电池的寿命和维护等问题;由于一般采取分散式逆变器模式,不需要长距离输电,从而只需要小额的配电 费用,就能获取高效率,因此可降低发电成本。 2 太阳能电池板的发展现状 传统的太阳能电池板分为单晶硅、多晶硅和非晶硅,随着各国研发力量的不断创新,发明出了多种 新型太阳能电池,市场格局也在不断的变化着。 现在总体可分为传统型晶体硅太阳能电池和新型太阳能 电池两个阵形,传统型主要由单晶硅和多晶硅组成,依然在市场占据主导地位,新型太阳能电池则百家争 鸣,有发展最迅猛的 薄膜太阳能电池 ,CPV 聚光光伏, 太阳热发电, 纳米燃料敏化电池 , 有机太阳能电池 等。其中薄膜太阳能根据电池市场上主流产品又分为硅基薄膜电池、CdTe 电池、CI(G)S(S)电池等。 薄膜太阳能电池的最大优点是长远来说随着技术的成熟原材料使用非常节省 ,所以价格会不断降低,而 且可以做成柔性的面板 , 可以任意弯曲, 方便在 BIPV 中的灵活使用。相信在不远的将来 , 随着国家的 AAAAAA 973、863 计划的陆续开展,必然会使新型薄膜太阳能电池成为最普及的太阳能电池。 我国太阳能光伏产品出口额近年来快速增长,拉动了行业迅猛发展。资料显示,2008 年我国太阳能 光伏产品出口额已达 63.64 亿美元,2009 年 1~8 月出口额达 87.21 亿美元,比 2008 年同期增长 123.37%, 已占太阳能光伏产品国际贸易总额的近 10%。近十年来,全球太阳能光伏产业平均年增长率为 41.3%, 太阳能电池产业规模扩大了 35 倍。去年我国太阳能电池产量已突破 2000MW,占全球产量的 36.7%。 我国 76%的国土光照充沛,太阳能资源十分丰富,全国三分之二的国土面积每平方米太阳能年辐射 总量达 3350~8400 兆焦,平均为 5860 兆焦(相当于 199kg 标准煤),每年我国地表吸收的太阳能,大约相当 于 2.4 万亿吨标准煤的能量,相当于 2008 年全国能源消耗总量 28.5 亿吨标准煤的泓 2 倍。同时,我国光 能资源分布较为均匀,与水电、风电、核电等相比,太阳能发电没有任何排放和噪声,应用技术成熟,安全 可靠。除大规模并网发电和离网应用外,太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存, 太阳能几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。 尽管拥有良好的资源优势,但目前国内光伏市场发展依然缓慢。我国光伏发电系统安装容量不及生 产容量的 2%,市场狭小严重阻碍我国光伏产业技术的发展。此外,我国太阳能光伏生产与需求之间存在 很大差距,加之整个产业缺乏核心技术,也导致我国太阳能光伏产业对外依赖度过高。 为解决一系列潜在问题,应尽快出台相关法规,将有助于光伏产业健康发展。 光伏技术基于其技术先 进性、 资源无限性和绿色环保性等特征,无疑是未来产业技术革命的核心。 美国奥巴马政府提出的 7O00 亿美元经济刺激计划中,把发展太阳能光伏产业作为摆脱经济衰退、创造就业机会、抢占未来发展制高 点的重要国家战略。我国也迅速制定上网电价补贴细则 ,启动“上网电价法” 。只有在市场形成的初期 打破市场规律,积极对并网电价进行补贴,对国内太阳能企业给予实质性的激励,才能迅速培育市场,形成 有自我完善机制的国内太阳能市场。这不论从我国光伏产业的长远战略考虑,还是从顺利渡过全球金融 危机的短期策略考虑,都是科学、可行的。因此,相关法规的出台在当前尤其显得必要和迫切。 启动国内市场,尽快摆脱困境。 我国必须实现从光伏制造大国向应用大国的战略转变,但这对目前的 中国来说并非易事。庆幸的是,我国出台的一系列提振新能源产业的政策都让光伏产业从中受益。其中 最为直接的是“太阳能屋顶计划”的实施。太阳能光电建筑作为整个光伏产业终端环节,一旦大规模启 动,也将直接影响产业链上游的多晶硅生产企业。 规划、管理、技术急需强化。首先,应提高《可再生能源中长期发展规划》中有关光伏产业的发展 目标规划;其次,应组建更高级别的政府专门管理机构加强规划和管理;最后,应在“973” 和“863” 等 科研项目计划中给予光伏产业更多的资金投人,迅速建立产、学、研紧密结合的国家光伏研发体系。但 要短时间在国内市场立刻启动也是不太可能的,需要不断地努力。 包括提高其在发电总量中的指标比重, 同时通过采取补贴政策支持、鼓励太阳能发电并网,以及鼓励企业开展技术创新等。 3 BMPV 的实现形式以及各自特点 根据不同建筑的特点以及同一建筑的安装部位、使用功能,我们目前将 BMPV 分为六大类: 3.1 水平屋顶(BAPV) 这种形式是将光伏组件,以合适的角度阵列式安装在水平屋顶上。 从发电角度看,这种方式的经济性 最好,这是因为: (1)它可以根据不同地理位置所接受太阳光的高度角和方位角的不同 ,进行针对性的最佳角度安装, 从而获得最大的发电量。 (2) 由于面板布置形式比较规整,所以可以采用标准光伏组件,从而减少成本,提高稳定性,获取最佳 性能。 (3)屋顶为最不影响视觉的部位,在水平屋顶安装光伏组件,能把对建筑物外观和功能的影响降到最 低。 AAAAAA (4)正是由于这种安装方式的高发电效率、安装简便以及发电成本低 ,所以从发电经济性考虑来说, 水平屋顶是 BMPV 的最佳选择。 3.2 斜屋顶(BAPV) 在雨水比较丰富的地域 ,许多老式建筑都采用斜屋顶的做法,一般斜屋顶都一面朝南或偏南,在此面 上安装光伏组件具有较好的经济性,而且由于老式建筑同新式太阳能发电具有强烈对比 ,能使建筑更具 魅力。它的特点在于: (1)安装前先考察建筑是否有朝南或偏南的斜屋面,从而获得最大或者较大的发电量。 (2)和水平屋顶一样,由于面板布置形式比较规整,所以可以采用标准光伏组件,从而减少成本,提高稳 定性,获取最佳性能。 (3)和水平屋顶一样,屋顶为最不影响视觉的部位,在水平屋顶安装光伏组件,能把对建筑物外观和功 能的影响降到最低。 (4)正是由于这种安装方式的较高发电效率、 安装简便以及发电成本低,所以从发电经济性考虑来说, 斜屋顶是光伏发电系统的较佳选择。 不过也由于它的局限性,只能安装在朝南或者偏南的斜屋面,所以实 际选用时也要综合考虑。 AAAAAA 3.3 采光天棚(BIPV) 在现代的大型建筑中,特别是机场、火车站、汽车站、大型室内广场等有采光需要的大型的公共活 动场所,都需要布置大面积的采光天棚。 现在将光伏组件合成到玻璃中去的技术已经非常成熟,不但可以 发电,同时由于太阳能电池板独特的纹理、弱透光性(非晶薄膜),也为建筑增添一点色彩。它的特点在于: (1)由于有采光要求,一般都需要透光组件,虽然可以通过加大透明间隙或者采用 透光率高的非晶硅 电池板来实现,但是都会影响发电效率,导致整体组件的发电效率较低。 (2)除了要求发电和透光外,采光天棚还要满足大跨度的受力、结构密封防水、二次排水、排冷凝水 等建筑方面的要求,功能越复杂,集成度越高的组件相对的成本也会更高。 (3)正因为发电效率低,组件成本高,导致了整体的发电成本偏高,因此不适合大面积的铺设。 (4)它能为建筑带来额外的 “绿色概念” ,从而提高建筑本身的社会价值,推动构建资源节约型和环境 友好型社会。 3.4 垂直幕墙(BIPV ) 当光伏组件作为外幕墙的一部分,除了功能性能达到自身的要求外,外观整体协调,是否与建筑统一 也显得额外重要。针对光电板的特殊的表面形态,设计师们一般将其用于幕墙的不透明部位以替代传统 的幕墙面板材料。它的特点在于: (1)在垂直幕墙上集成光伏组件,是最能体现 BIPV 的一种形式,它首要前提是满足幕墙所需要的基 本要求:外观和功能,然后再满足自身的发电功能要求. AAAAAA (2)由于这个做法跟幕墙施工关系非常密切,要与建筑物同时设计、 同时施工和安装,所以光伏系统工 程进度会受建筑总体进度制约。 (3)由于光伏阵列安装在垂直幕墙面上,偏离了最佳安装角度,所以太阳能电池板的输出功率偏低。 (4)正因为发电效率低,组件成本高,导致了整体的发电成本偏高,因此不适合大面积的铺设。 (5)它能为建筑带来额外的 “绿色概念” ,从而提高建筑本身的社会价值,推动构建资源节约型和环境 友好型社会。 3.5 外遮阳板(BIPV) 作为 BIPV 更高级的形式,它不但肩负了遮阳板的的所有功能,还巧妙的利用遮阳板最大限度的遮挡 阳光这一特点,在上面集成高转换率的太阳能面板,从而达到幕墙功能和发电功能最完美的统一。 外遮阳 板分为自动跟踪和固定两种类型 ,自动跟踪就是可以根据太阳高度角方位角的变化自动跟踪 ,实现最大 化的发电功率,但是技术也更复杂;固定就是根据建筑地理位置设计好它的最佳朝阳角度 ,以达到最大的 平均发电功率,从而获得更加高的性价比。 AAAAAA 3.6 其他 其他的建筑光伏系统包括上述以外的所有建筑光伏系统 ,如公交站棚顶、收费站棚高速公路音障 等。其经济性与屋顶的接近。 4 外遮阳系统的发展 遮阳从古到今一直是建筑物的重要组成部分,特别是 21 世纪的今天,玻璃幕墙成为了主流建筑的亮 丽外衣,由于玻璃表面换热性强、热透射率高 ,对室内热条件有极大的影响,所以遮阳特别是外遮阳所起 到的节能作用,显得越来越突出。 建筑遮阳与建筑所在的地理位置的气候和日照状况密不可分,日照变化 和日温差变化的存在,使建筑室内在午间需要遮阳,而早晚需要接受阳光照射。 来自太阳的热辐射作用主 要从两个途径进入室内影响我们的热舒适 :一是透过窗户进入室内并被室内表面所吸收 ,产生了加热的 效果;二是被建筑的外围护结构表面吸收,其中又有一部分热量通过建筑围护结构的 热传导逐渐进入室 内。即使建筑外墙、屋顶和门窗的隔热和蓄热作用在一定程度上稳定了室内的温度变化,但透过窗户进 入室内的日照还是对室温有直接而重要的影响。所以,建筑遮阳的目的在于阻断直射阳光透过玻璃进入 室内,防止阳光过分照射和加热建筑围护结构,防止直射阳光造成的强烈眩光。 在所有的被动式节能措施 中,建筑遮阳也许是最为立竿见影的有效方法。传统的建筑遮阳构造,一般都安装在侧窗、屋顶天窗、中 庭玻璃顶,类型有平板式遮阳板(木质、布帘、百叶等)、布幔、格栅、绿化植被等,随着建筑的发展,幕墙 产品的更新换代,外遮阳系统也在功能上和外观上不断的创新 ,从形式上划分为:水平式遮阳、垂直式遮 阳、综合式遮阳和挡板式遮阳四类: AAAAAA 4.1 水平式遮阳 在玻璃前采用伸出重叠的平板这种形式的遮阳 ,能有效地遮挡太阳高度角较大的 ,从玻璃幕墙上方 投射下来的阳光。人类早已发现太阳的运行有规律可循,太阳高度角和方位角在一年四季循环往复地变 化着,建筑遮阳也由此产生。在不同的太阳方位角和高度角状况下,遮阳构件产生的阴影区也随之改变。 因此,水平遮阳时要仔细考虑不同季节、 不同时间的阴影变化。 在低纬地区或夏季,由于太阳高度角很大, 建筑的阴影很短,水平遮阳就足以达到很好的遮阳效果。那么 ,遮阳板的尺寸如何确定呢?在中国大陆的 广大地区,夏季遮挡炙热的阳光是必要的,而在多数季节中,充分吸收阳光中的热量则更加关键。因而,最 简单也最有效的方式就是利用冬季、夏季太阳高度角的差异来确定合适的出檐距离,使得屋檐在遮挡住 夏季灼热阳光的同时又不会阻隔冬季温暖的阳光。水平遮阳的使用最为广泛 ,柏林的北欧 5 国大使馆 (Nordic Embassies,5 个斯堪的纳维亚国家:丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典共享一座综合建筑)采用了水 平遮阳板,绿色流线型截面的遮阳板密密覆盖在窗户外侧,与整个墙面融为一体。 AAAAAA 4.2 垂直式遮阳 设于玻璃前之凸出板的垂直式遮阳,能有效地遮挡角度较小的,从玻璃窗侧斜射进来的阳光。 但对于 角度较大的,从玻璃窗上面射下来的阳光,或接近日出、日没时平射的阳光,它不起遮挡作用。 决定垂直遮阳效果的因素是太阳方位角 ,由于它能够有效地遮挡高度角很低的斜射光线 ,因此适合 AAAAAA 用于东南西北四个斜角方向。柏林的墨西哥大使馆主立面和入口朝东南,垂直遮阳能够最有效地发挥作 用,18m 高的主立面上,最为突出的是从上到下贯穿整个高度的垂直遮阳构件 ,这些混凝土遮阳板位于玻 璃幕墙之外,不仅能够有效遮挡阳光,而且倾斜角度逐渐加大,给人一种韵律感。同样,在柏林奔驰公司总 部大楼上,作为垂直遮阳板的竖向黄色线条使人眼前一亮 ,成为一种标志或者装饰,营造出丰富多彩的几 何形体,成为建筑不可分割的有机组成部分,体现了垂直遮阳所具有的艺术感染力。 4.3 综合式遮阳 综合式遮阳能有效地遮挡高角度中等的,从玻璃窗前射下来的阳光。 遮阳效果比较均匀,故它在玻璃 幕墙建筑中的适用性比较广泛。综合式遮阳兼有水平遮阳和垂直遮阳的优点,对于各种朝向和高度角的 阳光都比较有效。 在这一方面,柯布西耶设计的昌迪加尔议会大厦及高等法院是当之无愧的典范,其风格 粗犷的混凝土面层、奇特形体和遮阳格栅独树一帜,影响深远。今天,其追随者仍然在使用混凝土设计以 遮阳格栅为主要建筑语汇的现代主义作品。 4.4 挡板式遮阳 这种式的遮阳,能有效地遮挡高度角较小的,正射窗口的阳光。故它主要用于东西向的玻璃幕墙建 筑。 挡板式遮阳能够最有效地遮挡整个窗户部分的阳光 ,为了兼顾采光和通风,这种遮阳板往往需要移 动和开启,进行适当的调节。对此,不同的建筑师往往有与众不同的处理手法。邻近柏林英国大使馆的威 廉老年之家(William Eck Old peoples home)采用的是移动平板遮阳,在外墙上安装导轨,平面遮阳板用推 动的方式根据需要达到遮阳目的。安装在玻璃建筑内部或者外部的布帘不仅能够有效遮阳,而且开启方 便,使用自如,折叠之后基本不占据空间,在遮阳的同时满足室内的采光需要。 AAAAAA 5 智能光伏外遮阳系统的设计原理分析 现在国家大力提倡全民构建“资源节约型,环境友好型”社会,创造低能耗和人性化的生活空间与环 境,已成为目前建筑行业生产力与经济效益以外的另一项重要规划设计课题。 智能化绿色建筑的架构是 基于对可再生能源的综合利用和对室内环境的智能化、自动化控制,从而使建筑物更节能、安全、健康、 舒适和高效率,智能化绿色建筑不仅需要令各种设各系统的效能均处于最适化的运转 ,更需要使各设各 系统之间有机的连成一个整体循环系统。而智能光伏外遮阳系统作为外幕墙系统的一部分,除了肩负着 改善室内环境,减低幕墙能耗等作用,还要负责提供洁净的、无污染的太阳能,从而使幕墙系统和电力系 统有机的结合在一起。所以智能光伏外遮阳系统是绿色建筑智能化系统不可或缺的一部分,相信越来越 多的现代建筑将采用,并在设计阶段就应被集成进去。光伏外遮阳系统为改善室内环境和提供可再生能 源而设,光伏外遮阳系统的智能化将是绿色建筑智能化系统最新和最有潜力的一个发展分支。 AAAAAA 5.1 智能光伏外遮阳系统的组成 智能光伏外遮阳系统一般由遮阳系统、传动机构系统、光伏发电系统、智能控制系统四部分组成。 遮阳系统是与幕墙结合最紧密的部分 ,它一般固定在幕墙的表面,除了功能上要满足遮阳和发电的需要 外,还要考虑与幕墙相协调、一致、美观。传动机构系统是智能光伏外遮阳系统的机械运动部分,它的稳 定和低能耗是整个系统运转得顺畅的前提。光伏发电系统包括前端的 太阳能电池组件,和后端的控制 器、逆变器等,它是串联起整个智能光伏外遮阳系统的关键。智能控制系统则是负责一切控制的中枢 , 不同产品的优劣也集中体现在这一点上。 5.2 遮阳系统设计 我们前面说了遮阳系统的一些理论知识 ,从现在开始深入研究探讨遮阳系统和光伏组件如何有机 结合。 首先大家要清醒的认识到,整个遮阳系统的设计基础是光伏组件,在面对种类繁多的太阳能面板材 料中,我们如何根据它们各自的特点去设计遮阳系统,成为了遮阳系统成败的关键。 (1)我们在设计光伏遮阳系统的最初,要根据发电功率要求,建筑师的外观要求,以及幕墙本身的结构 要求去选定一种太阳能电池面板。 例如发电要求高的,我们就要选用晶体硅的面板;如果建筑师要求遮阳 构件异形,我们可以用柔性薄膜的面板;如果幕墙本身比较轻巧,要求遮阳构件也比较轻巧,我们可以利用 一些最新的太阳能技术使其在最小的面积下产生最太的电能。 (2)太阳能电池板一般有固定的模数,而且根据整体的发电需求,在设计初期就能确定是几并几串的 电池组阵列,所以外遮阳构件的外观尺寸在选定面板后就能基本确定下来。由于光伏遮阳构件除了负责 遮阳功能外,还肩负着承托太阳能电池组件的重要责任 ,所以在设计的时候要充分考虑最大发电功率的 要求。一般来说,设计的光伏遮阳构件比一般的遮阳构件更大,间距更宽松,这样才能够集中获得更高的 发电功率和减少遮挡。 (3)由于光伏组件的颜色较深,属于吸热材料,所以光伏遮阳构件比一般遮阳构件更需要考虑合理的 散热。我们可以利用热压、风压的压力差来形成快速的气体流动 ,从而解决散热问题。在具体设计中 , 应使遮阳构件与幕墙表面留有足够的距离;遮阳构件应该采用开放式设计,例如鱼骨式;遮阳构件的非光 伏部位建议采用穿孔构造,以达到最大的散热面积。只有保证散热 ,才能保证幕墙本身的节能,不至于弄 巧反拙。 5.3 传动机构系统设计 传动机构系统是指带动遮阳构件转动或移动的电动系统,主要由传动构件和电机组成。传动构件要 求有超高的耐候耐腐蚀性,而且要足够结实,从而保证推力的稳定。 电机根据安装于室内室外来决定防水 等级,一般来说都采用推杆电机,因为其具有较好的防水性能,而且成本上比较节省。管状转动电机的优 点是隐蔽性好、安静快速,缺点是在做大型遮阳百叶的时候每扇百叶都要设置电机,造价太高。传动机构 系统随着科技水平的发展势必越来越复杂和灵活 ,但需要时刻注意的是一切以低能耗出发 ,尽量挑选低 能耗的电动 i 方式。 5.4 光伏发电系统设计 光伏发电系统是整个系统的核心,它串联起各个组成部分,使系统成为一个有机的整体。 它包括四个 组成部分你:依附在遮阳百叶上面的光伏电池组件,负责保证太阳能阵列全天时、全天候最大效率工作 以及蓄电池充放电控制的光伏控制器,负责提供稳定的交流输出以及并网的逆变器,负责提供控制器、 逆 变器等设各的用电和其他紧急用电的蓄电池。由于此系统多数情况下需要无人值守自动工作,所以系统 的每一个部分都需要有超强的稳定性和容错能力。 (1)光伏电池组件 光伏电池组件是太阳能光伏发电系统的核心部件,直接将太阳能转化成电能。 我们前面已经介绍过 光伏电池组件的多种类型,这里主要说说不同类型的固定方法。 对于平板玻璃合片加工工艺的光伏电池 组件,我们通常采用幕墙常用的隐框结构胶粘接的方法固定在遮阳百叶上,但要注意日常更换维护方便, AAAAAA 以及整体造型轻巧美观。对于柔性薄膜光伏电池组件,我们通常采用直接粘接在金属板或者玻璃上的方 法固定在遮阳百叶上,此种做法较能适应遮阳百叶的形体要求,但要注意对于边部位置的保护处理,防止 脱胶。 另外,由于室外环境条件复杂,我们一定要根据地区的环境气候特点采用相应防水等级的接线方法, 以保证整体的稳定性。 (2)光伏控制器 控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制,并按照负荷的电源需求控制太阳能电池板和蓄电 池对负荷的电能输出,它是整个系统的核心控制部分,保证系统能正常、可靠地工作,延长系统部件(特别 是蓄电池)的使用寿命。它必须包含蓄电池过充、过放、负荷过流各防反充等保护电路。随着光伏产业 的发展,控制器的功能越来越强大,有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。 光伏控制器是用于太阳能发电系统中 ,控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳 能逆变器负载供电的自动控制设各。光伏控制器采用高速 CPU 微处理器和高精度 A/D 模数转换器,是 一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态,随时获得 PV 站的工 作信息,又可详细积累 PⅤ 站的历史数据,为评估 PV 系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性 提供了准确而充分的依据。 此外,光伏控制器还具有串行通信数据传输功能,可将多个光伏系统子站进行 集中管理和远距离控制。 光伏控制器通常有 6 个标称电压等级:12V 、24V、48V、110V、220V 、 500V 通过使用创新性的最大功率追踪技术,光伏控制器能保证太阳能阵列全天时、全天候的最大效率 的工作。可以将光伏组件工作效率提高⒛%(平均可提高效率为 10%-25%)。还包含搜索功能,它在整个 太阳能板工作电压范围内每 2 个小时搜寻一次绝对最大功率输出点。带温度补偿的三级 I-U 曲线充电 控制可以显著地延长蓄电池的寿命。 开路电压高达 95V 的使用于并网系统中的较低成本的太阳能电池板可以通过光伏控制器使用于独 立 12V 或 24V 系统中,这可以极大的降低整个系统的成本。 (3)光伏逆变器 在光伏供电系统中,如用户终端为交流负荷,则须使用逆变器设各,将太阳能电池板产生的直流电,或 蓄电池释放的直流电转化为负荷需要的交流电。如为直流负荷,则不需逆变器转换。 在光伏发电系统中, 在逆变器中增加了若干保护功能的整体又叫功率调节器 ,不仅可以直接转化成 交流,也具有是太能电池最大限度的发挥其性能,以及出现异常和故障时保护系统的功能。 通常具各以下 三种功能: 1)为有效地取出受天气变化影响的太阳能电池板的输出功率,具有自动运行定制功能及最大功率跟 踪控制功能(MPPT 控制)。 2)为保护系统,具有单独(孤岛)运行防止功能及自动电压调整功能。 3)当系统和功率调节器出现异常时,可以安全地分离或使逆变器停止工作。 功率调节器是把太阳能电池输出的直流电转换成交流电并向与交流系统连接的负载供给电力的同 时,把剩余电力逆潮流送人系统的装置。 这种就是具有并网功能的系统,功率调节器还可以把太阳能电池 发出的电能最大限度地取出的同时,为了各普通的配电系统并网运行,具有依据《并网技术要求准则》运 行的功能。 并网技术要求准则,使功率调节器各与其并网系统的电气方式基本上保持一致,电气方式有单 相二线制、单相三线制及三相三线制(△ 形联结或者 Y 形联结)等。功率调节器一般也分为单相用和三 相用。 5.4 蓄电池 蓄电池将太阳能电池板产生的电能储存起来 ,当光照不足或晚上,负荷需求大于太阳能电池板所发 的电量时,将存储的电能释放以满足负荷的能量需求,它是太阳能光伏系统的储能部件。 目前光伏系统常 用的是铅酸蓄电池,对于较高要求的系统,通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、 深放电吸液式铅酸蓄 电池等。 AAAAAA 5.5 控制系统原理 建筑幕墙的智能光伏外遮阳系统的基本原理是根据对太阳、风、温湿度等环境因素和气候条件的 观测或监控,通过计算机的智能化自动控制程序,对光伏遮阳构件的角度进行自动调节 ,以获得最大的太 阳能发电功率和最合理的遮阳效果。目前国内外常见以下几种控制系统: (1)时间电机控制系统 这种时间控制器储存了太阳升降过程的记录 ,而且,已经事先根据太阳在不同季节的不同起落时间 作了调整。因此,在任何地方,控制器都能很准确地使电机在设定的时间进行遮阳构件角度调节。并且还 能利用阳光热量感应器(热量可调整),来进一步自动控制遮阳构件的高度或角度,使太阳能发电功率达到 最优化,同时房间不被太强烈的阳光所照射。 (2)气候电机控制系统 这种控制器是一个完整的气候站系统,装置有太阳/风速/雨量/温度感应器。此控制器在厂里已经输 入基本程序包括光强弱/风力/延长反应时间的数据。这些数据可以根据地方和所需而随时更换。而“延 长反应时间”这一功能使遮阳构件不会因为太阳光的小小改变而立刻作出反应。 光伏外遮阳系统要实现真正意义上的节能 ,核心就是它的智能控制系统,这种智能化控制系统是∵ 套较为复杂的系统工程 , 是从功能要求到控制模式到信息采集到执行命令到传动机构的全过程控制系 统。它涉及到气候测量、光伏组件运行状况的信息采集、电力系统配置、楼宇控制、计算机控制、外 立面构造等多方面的因素。智能光伏外遮阳系统的能功效可以在设计阶段就能被计算机推导软件容易 并可靠地计算出来。 5.6 智能光伏外遮阳系统设计中的注意事项 智能光伏外遮阳系统实际设计中困难的部分是控制和检测部分,主要有以下几点细节要求: (1)光伏遮阳板(百叶)运转角度的控制。 (2)光伏太阳能电池板电压及电流的测量。 (3)根据负载的电气特性选择太阳能控制器及蓄电池组。 (4)智能光伏外遮阳系统的配电及安装。 (5)智能光伏外遮阳系统的系统集成 6 智能光伏外遮阳系统的实际构建探讨 为了更好的了解此系统的实际运作,我们通过实验来探讨一下智能外遮阳系统的构建流程。本实验 系统主要的特点就是遮阳板除了满足遮阳要求外还能够产生电能 ,同时本身又作为负载消耗电能,多余 电量可以灵活供给其他负载。 本实验系统采用了独立型(离网型)发电系统。主要负载为直流电机,用于外遮阳板的转动及幕墙通 风百叶的开关驱动,以及一些直流的照明灯具的使用。 6.1 系统主要组成部分: (1)光伏遮阳板的组成设计。 (2)太阳能控制器的功能与设计 (3)蓄电池系统设计 (4)接线 整个系统组成基本框图 AAAAAA 6.3 光伏遮阳板的组成设计 实验根据外遮阳百叶数量及尺寸,采用了 8 块柔性薄膜太阳能电池组件。 结合外遮阳板的结构特点, 粘贴固定在遮阳板上。此部分需要遮阳板厂家与薄膜太阳能电池板商一起完成。 柔性薄膜太阳能电池组件采用了美国 uni-solarPV-68 太阳能电池板,具有特性: ●高温和低光照表现。(能够在南方多雨和阴天天气上尽可能产生多的电量) ●20 年保单电力输出在 8O%(在保证一定的发电量情况下,寿命较长) ●旁路二极管为阴影容忍(防反充保护) ●快速连接终端(施工接线方便) ●UL 产品认证 600VDC ●符合 IEC61646 要求 PV -68 太阳能电池板性能参数: 光伏遮阳板发电阵列的设计 本系统太阳能电池板串并联方式应结合太阳能控制器的型号和负载的工作电压 24VDC 等因素来 确定。特别是要与太阳能控制器相匹配。综上因素,太阳能电池组件阵列的设计采用了 2 串 4 并得连接 方式。(在日照强度为 1kW/m、单元温度为 25C 的标准条件下)输出的直流功率 541.2W;电流 16.4A;电 压为 33VDC。 6.4 太阳能控制器的功能与设计 德国 phocos 太阳能控制器 CⅩN20(带附件 CXM),新一代的 CⅩN 系列太阳能充放电控制器,是 phocos 公司经典的 CX 系列控制器的共负极版本。CXN 除具有带温度补偿的 3 阶段(强充/吸收充/浮 充)PWM 串联调节充电方式外,还具有液晶显示,可编程的负载控制功能以及完善的保护功能。CXN 的 液晶显示器出了可以显示蓄电池的剩余电量外,还可以显示系统的充、放电状态及负载的状态(如:过载, 短路,低压断开等)。 AAAAAA CXN 控制器的蓄电池低压保护有五种模式可选:电压控制(两种),SOC 控制(两种),自适应 SOC 控制 模式。CXN 控制器还具有声音告警功能,以及灵活可编程的负载控制功能 6.5 蓄电池系统设计及计算 蓄电池的设计思想史保证太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍然可以正常工作 ,是独立型光 AAAAAA 伏发电系统的一个重要的组成部分。根据负载的用电量、太阳能控制器的发电量,本系统采用了鹰特阀 控式密封铅酸蓄电池 FM200。 由于主要负载为 2 台⒛W 的直流电动机每天工作 9 个小时,且考虑到实验 系统的可扩充性 , 为了更好地吸收太阳能电池发电量 , 预留多 24VDC30W, 运行狃小时的直流负载用电 量。那么可以估算每天所需的直 流负载需求为:1152Wh÷ 0.9÷ 24V =53.3Ah,采用 3 天的自给天数,并使用深循环电池,放电深度为 SO%, 那么 : 蓄电池容量 =3 天× 53.3Ah/0.8 ≈ 200A h, 串联蓄电池数量 =24V/12V =2( 个 ), 并联蓄电池数量 =zO0/200=1(个),所以系统蓄电池采用 2 只 12V20OAH 串联的形式。 6.6 接线箱配电系统设计: 接线箱是将太阳能阵列和太阳能控制器之间的的一个保护设各和检测设各 ,也是发电系统设计的 一个重要环节和特点。接线箱里面主要的设各元件有:接线端子板、直流保护开关、防止逆流二极管、 避雷浪涌保护器等等回路保护设各收集其内 ,电池组件的配线延长到连接器 ,与连接器内的接线端子板 连接,组件间的串联和并联在接线端子里面通过跳线统一完成接线。主要的作用是能使组成太阳能电池 阵列的每个组件的连接井然有序,维护、检查时将线路分离,使操作容易进行。并可以使系统对每一串组 件的工作状态的检测提供一个好的设各平台。 6.7 防雷接地系统设计 防雷接地系统设计主要设计规范要求,参考相关书籍和规程。太阳能光伏发电系统(BIPV )接地与 建筑物公网电气共用接地系统,接地电阻≤1 欧姆。 利用遮阳百叶本身的金属外框和支撑钢构骨架或其他金属物与建筑物防雷接地系统融为一体。利 用屋顶玻璃幕墙金属外框和金属钢构骨架连接成避雷网格。 保护接地-光伏电池组件机架、 接线箱(连接 器)、太阳能控制器、配电屏外壳、电缆外皮、穿线金属管道外皮接地。 屏蔽接地-电子设各的金属屏蔽接地。 防感应雷-在主要的线路上安装浪涌保护器。直流线路采用了共模保护和差模保护。太阳能组件出 线回路安装浪涌保护器;太阳能阵列主回路安装浪涌保护器。保护器其测试波形为 8/20uS,极限容量为 20kA,残压小于±950V。线路敷设的金属导管、金属线槽应可靠接地。金属电缆桥架(线槽)接地措施说 明: 金属电缆桥架(线槽)及其支架和引人或引出的金属电缆导管必须接地 (PE) 可靠,且必须符合下列规 定:(1)金属电缆桥架(线槽)及其支架全长应不少于 2 处与接地(PE)干线)非镀锌电缆桥架(线槽) 间连接板的两端跨接铜芯接地线,接地线最小允许截面积不小于 4mm 平方;(3)镀锌电缆桥架(线槽)间连 接板的两端不跨接接地线,但连接板两端不少于 2 个有防松螺帽或防松垫圈的连接固定螺栓。 凡正常不带电,而当绝缘破坏有可能呈现电压的一切电气设各金属外壳均应可靠接地。 本实验系统的发电效率估算: 根据技术文件资料。广州地区年日照总时数为约为 1840.9 时,考虑高温降低因子=0.85,尘灰降低因 子=0.9。太阳能电池组件阵列的设计采用了 2 串 4 并得连接方式。(在日照强度为 1kW/m、单元温度为 25C 的标准条件下)输出的直流功率 541.2W;电流 16.4A;电压为 33VDC。 结合厂家提供电能转化效率=0.8。估算全年的发电量为 600 度(kW· h)。 7 智能光伏外遮阳系统的应用前景 智能光伏外遮阳发电系统的应用,是建筑光伏建筑一体化的一种创新,是一种非常节能的措施。 可以 帮助到其他建筑空间及设各的节能,比如,像建筑材料节能及通风空调系统的节能。 智能光伏外遮阳发电系统也可以广泛应用在各种建筑物 ,小型离网独立发电系统,大型并网发电系 统。可以运用在高档别墅,洋楼。办公楼,酒店等。具有非常广泛的运用空间。 智能光伏外遮阳发电系统也非常灵活 ,既可以供给直流负载也可以加逆变器供给交流负载 ,既可以 为建筑智能弱电系统提供电力也可以为强电照明、插座等提供电力,供电负载类型也非常广泛。 AAAAAA 8 结论 在世界各国领导人云集哥本哈根出席《联合国气候变化框架公约》,全球共同倡导节能减排的大环 境下,建筑节能将会越来越受到社会各界的重视,政府也将继续加大力度支持科学的创新的环保节能产 品。行业对于智能光伏外遮阳系统的研究只是刚刚起步,这系统融合了太阳能产业、建筑幕墙产业和机 电自动化产业,同时又涉及到天文地理等科学,可谓集百家之长。随着相应产业的不断发展 ,必然能使这 个系统更加智能化和人性化,成为未来建筑革命的先驱! 兰亭序 永和九年,岁在癸丑,暮春之初,会于会稽山阴之兰亭,修禊事 也。群贤毕至,少长咸集。此地有崇山峻岭,茂林修竹;又有清 流激湍,映带左右,引以为流觞曲水,列坐其次。虽无丝竹管弦 之盛,一觞一咏,亦足以畅叙幽情。是日也,天朗气清,惠风和 畅,仰观宇宙之大,俯察品类之盛,所以游目骋怀,足以极视听 之娱,信可乐也。 夫人之相与,俯仰一世,或取诸怀抱,晤言一室之内;或因寄 所托,放浪形骸之外。虽取舍万殊,静躁不同,当其欣于所遇, 暂得于己, 快然自足, 不知老之将至。 及其所之既倦, 情随事迁, 感慨系之矣。向之所欣,俯仰之间,已为陈迹,犹不能不以之兴 怀。况修短随化,终期于尽。古人云: “死生亦大矣。 ”岂不痛哉! 每览昔人兴感之由,若合一契,未尝不临文嗟悼,不能喻之于 怀。固知一死生为虚诞,齐彭殇为妄作。后之视今,亦犹今之视 昔。悲夫!故列叙时人,录其所述,虽世殊事异,所以兴怀,其 致一也。后之览者,亦将有感于斯文。 AAAAAA AAAAAA


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