太陽能應用示范分析論文

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摘要：北苑太陽能應用示范工程集太陽能空調制冷、采暖、熱水工程、太陽能光伏并網發電和獨立發電于一身，是我國到目前為止太陽能利用最全的一個示范工程，在規模上也堪稱一流，故而稱之為中國太陽能第一樓。在中華人民共和國可再生能源法通過的今天，這個項目更具有現實的意義。

關鍵詞：太陽能應用能源電力供應

一、前言

穩定可靠的能源和電力供應是關系國計民生的基礎條件，是關系社會安定、經濟可持續發展的重大戰略問題。

北京市委八屆四次會議提出了要“加強環境保護領域的技術創新”，“擴大環保產業規模，把北京建設成為環境保護模范城市和節能型城市，實現首都的可持續發展”。

在2000年北京市申辦2008年夏季奧運會的過程中，北京市太陽能研究所積極支持申辦行動，向北京奧申委捐資了五個太陽能電話亭和五個太陽能庭院燈，分別安裝在奧體中心、首都體育館和工人體育場，在國際奧委會的官員訪問北京時，對這些太陽能利用的產品特別感興趣，中央電視臺的轉播節目中也給予了特別的關注。

為了響應北京市委八屆四次會議的號召，特別是為2008年北京奧運會的“綠色奧運、科技奧運和人文奧運”提供一個良好的范例，北京市太陽能研究所根據北京市發改委的安排，先期啟動了“北苑太陽能應用示范工程”。該工程正好處于設計中的2008年北京奧運會奧運公園的東側，重點安排了可安裝在奧運村、奧運場館和奧運公園的太陽能利用系統，解決太陽能利用同建筑物結合，有效地利用建筑物和裝飾建筑物的課題，為在奧運場館和奧運村中使用太陽能光伏發電和光熱綜合利用積累經驗和數據，同時也為我國今后推廣應用太陽能于建筑做出示范。太陽能應用示范工程項目主要包括100千瓦太陽能光伏并網發電系統和360千瓦太陽能空調制冷、采暖和熱水綜合系統。示范項目的實施充分可靠地展現了太陽能利用的魅力，為把首都建設成為環境保護模范城市和節能型城市，實現首都的可持續發展做出貢獻。

與此同時，該示范基地也將建成我國最大的太陽能專業孵化基地，配備各種先進的研究、開發和產業化設備，為使我國太陽能利用更上一層樓作出更大的貢獻。

二、項目的意義及必要性

1．意義和重要性

常規化石燃料的無節制使用和二十世紀七十年生的兩次石油危機，使得人們越來越清醒地認識到化石燃料資源遲早會枯竭耗盡。根據我國現已探明可丌采的化石能源儲量的統計和使用這些能源的速度，可以預計，煤可以應用的時間約為54-81年，石油為15-20年，天然氣的時間28-58年，核燃料使用的時間也不會超過百年，前一個數字是預測的估計，后一個數字是保守的估計。因此找到一條可持續發展的包括太陽能在內的可再生能源等的新出路，將是我們避免人類能源短缺與枯竭的緊迫任務。

八十年代人們進一步認識到，化石燃料對環境的嚴重污染所導致的生態破壞、地球溫室效應等正日趨嚴重地威脅著人類的生存。能源短缺和環境污染是當前經濟發展面臨的兩大問題，制約著經濟和社會的發展。

太陽能作為新能源和可再生能源的一種，是取之不盡、用之不竭的潔凈能源。開發利用太陽能，對于節約常規能源、保護自然環境、促進經濟發展和提高人民生活都有極為重要的意義。

2．國內外發展概況

在太陽能熱利用方面，太陽熱水器技術日趨成熟，應用領域已從生活熱水擴大到泵水、采暖、制冷空調、海水淡化、工業加熱、熱發電等。上述諸多應用中，又以太陽能采暖、空調以及生活熱水這樣的綜合應用系統最具潛在的價值；它可以更為充分地利用太陽能，更為充分地實現建筑節能，更為充分地體現與建筑相結合。

利用太陽能提供采暖和生活熱水的技術已經相當成熟。利用太陽能提供空調，目前采用的主要技術方案則是太陽能吸收式空調系統；．太陽能吸收式空調系統主要由太陽能集熱器和吸收式制冷機兩大部分組成。隨著溴化鋰吸收式制冷機的商品化，太陽能吸收式空調技術得到了相應的發展，意大利、西班牙、美國、德國、日本等國都相繼建立起不同規模的太陽能空調示范系統。

國內在“九五”期間根據國家科委的安排，由北京市太陽能研究所承擔了“九五”國家科技攻關項目——山東省乳山太陽能吸收式空調及供熱綜合示范系統。該系統采用540平米的熱管式真空管太陽集熱器，空調、采暖面積為1200平米。該綜合示范系統為本太陽能采暖、空調以及生活熱水示范項目的實施，積累了寶貴的經驗。

在太陽能光伏利用方面，近年來光伏技術一直保持著快速發展。從1998年開始，世界光伏市場更是出現了供不應求的局面，年增長率保持在30～40％，2004年更是創造歷史的新高，增長率達到67％，年產量達到1253兆瓦。在各國減排行動和優惠政策的拉動下，產業發展將進一步加快。．

國際上各國都紛紛制定了光伏產業和市場發展的未來規劃。美國“百萬屋頂計劃”，德國政府在順利完成十萬天棚計劃之后，2003年又通過了新的光伏法案，日本的70萬戶并網發電計劃。除政府計劃外，各大公司業紛紛擴大產量，太陽能光伏發電的產業正在騰飛，預測卸明年將達到年產量5300兆瓦。

光伏電池的應用正在逐步從解決邊遠地區和農村用電向全社會的替代能源過渡。國際上，光伏應用的發展主要向兩個方向發展，一方面是以戶為單元的屋頂計劃，每戶安裝3—5千瓦的光伏并網發電系統。另一方面是向大型光伏電站發展。后者也『F在改變已往在戈壁、沙漠建設大型光伏系統的傳統觀念，丌始在都市的公益建筑物興建大型并網發電光伏系統，如在2000年悉尼奧運會使用了900多千瓦的光伏并網發電系統。在并網發電的同時，還要同建筑體融合，起到很多附加功能的作用。

從2001年開始，太陽能光伏并網發電系統首次占據全球光伏累積裝機容量的一半以上，達到57％。2002年、2003年持續增長，2003年的太陽能光伏并網發電系統容量更占到當年光伏應用的87％。上述數字表明，在世界范圍內太陽能光，伏應用已經從邊遠無電地區轉向都市的并網發電系統。

2004年是世界太陽能光伏發展關鍵的一年，我國的光伏產業也有了長足的發展。到2004年底為止，國內太陽電池的生產能力已經達到60兆瓦，光伏組件封裝能力超過100兆瓦。預計到2005年底，太陽電池的生產能力將達到180兆瓦，組件封裝能力將超過200兆瓦。這些都為國內的太陽能光伏利用做好了基礎準備。

由于世界各國對環境和能源短缺的日益關注，持續發展必將成為今后建筑設計的重要指導思想。當前，將太陽能熱水、空調和光伏發電應用于建筑，并與建筑一體化的新型太陽能建筑已在歐、美和日本等國進行示范，公眾反響強烈。可以預見，21世紀太陽能建筑在能源、環境和經濟的可持續性發展進程中將起重要的作用。我國有豐富的太陽能資源，在國家發展可再生能源戰略的指引下，太陽能在我國建筑中的應用將成為建筑節能的重要組成部分。

三、項目內容

光伏發電部分

1．引言

太陽能光伏發電由于資源無限、無污染和能把太陽光直接轉變為電能，系統無運動部件、運行可靠、少維護、壽命長，且電能有宣于輸送、儲存的特點，因此它是太陽能應用工業中最有前途的產品。

太陽能光伏并網發電系統所發電力除供給負載外，若有多余，可反饋給電網。在陰雨天或在夜晚，負載可隨時由電網供電。因此，光伏系統不必配備蓄電池作為儲能裝置。這樣，可以降低系統造價，也可免除維護和定期更換蓄電池的麻煩。

由于有光伏系統和公共電網同時給負載供應電力，兩路供電增加了供電的可靠性。夏季，由于空調、制冷、電扇等設備的丌動，形成用電高峰，而這時也是光伏系統發電最多的時侯，光伏并網發電系統可以對公共電網起到一定的調峰作用。

光伏與建筑相結合的進一步目標是將光伏器件與建筑材料集成化。建筑物的墻采用涂料、馬賽克等材料，甚至為了美觀，有的還采用價格不菲的幕培玻璃，其功能僅起到保護內部和裝飾的作用。若能將屋頂及向陽的外墻甚至窗戶材料都用光伏器件來代替，則既能作為建材又能發電，可謂一舉兩得。當然，對光伏器件來說，同時還具有建材所要求的絕熱保溫、電氣絕緣、防水防潮、且有一定強度及剛度、不易破裂等性能。

2．前期的準備工作

為了使100千瓦太陽能光伏供電項目能夠順利實施，在北京市科委的支持下，先期安排了lO千瓦光伏并網發電系統的研制。通過10千瓦光伏并網系統的研制和示范，掌握了光伏并網發電的關鍵技術，特別是以逆變器為核心的逆變技術、最大功率點跟蹤技術、并網同步控制技術、并網安全技術及光伏系統的設計和安裝等，這些擁有自主知識產權的關鍵技術為進一步擴大光伏并網發電的應用打下了堅實的技術基礎。該項目于2003年通過了北京市科委組織的驗收和鑒定，并獲得了2003年北京市科技進步三等獎。

3．100千瓦太陽能光伏發電系統

100千瓦太陽能光伏發電系統所采用的太陽電池組件包括單晶硅、多晶硅和CIS薄膜太陽電池以進行對比性實驗。

光伏與建筑相結合是未來光伏應用中最重要的領域之一，有著巨大的市場潛力。太陽電池組件的成本也在不斷地下降，與光伏稍結合的建筑物會如雨后春筍般地出現在我們的身邊，光伏發電也必將在藩斃源結捅牛占有相當重要的地位。在太陽電池的應用中，太陽電池的成本約占系統成本的一半，其他部分包括逆變器、控制器、蓄電池等占據了另一半。為了進一步降低成本，以達到太陽電池的地面大規模應用目標，進行應用研究變得十分重要。特別是并網發電系統的研究將使控制部分變得簡單，省去了大量的蓄電池(同太陽電池20-25年的壽命相比，蓄電池的壽命約為5-8年，在太陽電池的使用過程中需要多次更換和修理)的費用，因此可以使太陽電池的應用成本進一步降低。本項目主要研究光伏并網發電系統，包括大規模并網發電系統和戶用并網發電系統，同時適當地進行獨立光伏發電系統的研究。整個的光伏發電系統由四部分組成：

80千瓦并網發電系統，主要是為在奧運場館中使用做準備：

lO千瓦并網發電系統，主要是為在奧運村的別墅中使用做準備：

4．5千瓦．戶用并網系統，主要是為太陽能光伏屋頂項目做準備；

6千瓦獨立和并網發電復合系統，為在西部無電村光明工程弱雌備。

2)研究內容和技術關鍵

·并網逆變器是太陽能光伏并網發電系統的關鍵，因此主要研究內容也將主要圍繞電力電子逆變技術進行。

·80千瓦、10千瓦和4．5干瓦太陽能光伏并網發電系統的優化設計研究：

·太陽電池方陣的組合優化研究；

·不同規模的戶用獨立電源系統；

·太陽電池組件和方陣的運行特性研究：

·在建筑物的南側布置50千瓦太陽電池組件，樓頂布置50千瓦太陽電池組件，與建筑物結合的研究；

·計算機數據采集與監控系統

一為確保光伏電站長期穩定工作并進行科學管理，配備微機監控系統對光伏電站各種工作參數和運行狀態進行數據采集監測，并對各個設備環節進行協調控制。

·配置顯示板，顯示系統的運行狀態，包括整個系統的瞬時功率、工作總時數、累計發電量等參數。

太陽能熱利用部分

太陽能熱利用部分包括太陽能空調制冷、采暖和熱水工程綜合系統，戶式中央空調采暖和熱水系統，以及地板采暖系統。

1．太陽能空調制冷、采暖和熱水工程綜合系統

1)概述

隨著生活水平的不斷提高，人們對生活環境舒適程度的要求越來越高，其中空調、采暖和熱水是三個主要方面。而這三方面目前均消耗著大量的常規能源，而且嚴重地污染著環境。因此利用取之不盡而又清潔無污染的太陽能來提供或部分提供空調、采暖和熱水所需的能源，不僅可以大大節省常規能源的消耗，同時又非常有利于環境保護。同時山于城市中采用常規空調越來越多，排出了大量的熱氣而形成熱島效應，不僅嚴重污染環境，而且對城市的氣候也產生了不良的影響。

2)技術方案

系統采用了熱管式真空管太陽能集熱器與熱水型溴化鋰吸收式制冷機相結合的技術方案。系統主要由熱管式真空管集熱器、溴化鋰吸收式制冷機、儲熱水箱、儲冷水箱、生活用熱水箱、丌水箱、冷卻塔、風機盤管、輔助燃油鍋爐、自動控制系統等幾大部分組成。

夏季，山太陽能集熱器向溴化鈍制冷機提供高達88℃左右的熱水，通過制冷機產升8℃左右的冷水，并通過風機盤管向房問提供冷風：冬季，由太陽能集熱器加熱成40～60℃左右的熱水，直接通過風機盤管向房間提供熱風：過渡季節，本系統作為太陽熱水器，可提供大量科研和生活用熱水：同時本系統還可全年提供丌水。

3)項目內容和技術關鍵

示范系統的主要研究內容：

(1)對太陽能空調綜合系統進行總體優化設計，包括可供體育場館大型系統和可供奧運村使用的中小型系統：

(2)研冗太陽能與建筑的結合方式，尤其是與建筑物屋頂和墻面的結合：

(3)研究真空管太陽能集熱器與溴化鋰吸收式制冷機的合理參數匹配；

(4)研究太陽能集熱器陣列的優化布置：

(5)研究太陽能空調綜合系統中的輔助能源設備和儲能設施：

(6)研制運行可靠、操作簡便的自動控制系統，并進行智能化：

(7)研究太陽能空調綜合系統的長期運行性能；

(8)對綜合系統與常規空調系統的技術經濟性進行比較：

(9)研究開發太陽能空調綜合系統的設計軟件包。

本項目的技術關鍵：一是研究確定太陽能空調系統的最佳運行工況，以最大的太陽能收益及最經濟的投資，獲得最滿意的運行效果；二是研究開發太陽能空調系統的設計軟件包，在輸入當地氣象資料、太陽能集熱器性能參數以及制冷采暖負荷等數據之后，就可以計算出所需太陽能集熱器面積、制冷機和輔助鍋爐額定參數、制冷采暖性能預示以及投資回收期等。

4)主要技術指標

(1)太陽能集熱器采光面積850平米

(2)制冷、采暖功率360千瓦

(3)熱水供應能力(非空調采暖季節)50噸

(4)空調采暖面積3000多平米

(5)太陽能保證率全年≥70％

通過近半年的試運行，各系統運行正常。2004年冬季的室溫保持在22"C左右，滿足規定的采暖高于18℃的要求。

在太陽能空調制冷、采暖和熱水工程綜合系統中特別安裝了控制系統和數據采集系統，系統能夠自動運行，時時采集數據。通過數據的積累來確定系統的最佳運行工況，以最大的太陽能收益及最經濟的投資，獲得最滿意的運行效果：同時研究丌發了太陽能空調采暖系統的設計軟件包，根據氣象資料、太陽能集熱器性能參數以及制冷采暖負荷等數據之后，優化太陽能集熱器的面積、制冷機和輔助鍋爐等額定參數，進行空調制冷、采暖性能預示以及確定投資回收期。

2．戶式中央采暖空調熱水系統

針對獨立分散式化宅對采用空調越米越迫切的需求，采用太陽能吸收式空調系統在夏季作為空調用的冷源，冬季作為采暖用的熱源，全年提供生活熱水的模式，與現有的常艦系統相比可明顯減少運行費用。利用太陽能的二級水環復合熱泵驅動，戶式中央采暖空調熱水系統項目是與大連冰山集團聯合開發的。利熱泵技術，從太陽、空氣和電熱中獲取清潔能源，作到多能優勢互補，從而達到減少常規能源費用的l／3，滿足人們對采暖、空調、熱水的普遍需求。同時，該系統實現太陽能、空氣、電熱等能源互補運行。系統節能且減輕環境空氣熱污染，降低城訂了“熱島”效應。本項目為多利一高新技術的有機結合．其中包括：二級熱泵技術、復合熱泵技術、太陽能集熱技術、小溫差換熱技術、變流技術、等壓比運行技術等13項高新技術。系統具有顯著的先進性和可靠性。該系統是特別為可供運動員居住的單元、會議室沒計的太陽能熱利用系統。

3．地板采暖系統

在三河生產基地進行了火量的太陽能地板采暖試驗工作．也成功地為北苑示范基地的太陽能采暖進行了先期預研。系統采用了新型的直流式真空管集熱器產生的熱水，直接流經預置在地板下的管路，采用較少的能源即能使建筑物達到取暖的溫度。通過各種測試，積累數據，使太陽能更有效地同節能技術相結合。

北京市太陽能研究所有限公司(原北京市太陽能研究所)將不斷加強同國內外的合作，引進先進的技術和設備，以2008年北京奧運會為契機，加強太陽能利用項目。根據科技部、北京市等十部門共同推出的“奧運科技(2008)行動計劃”，將太陽能光伏技術應用于奧運村、奧運公同、奧運場館的用電、路燈、草坪燈、公共照明、綠地灌溉等，在奧運村和部分場館使用太陽能空調和熱水供應。

開發利用太陽能是一項遠有前景、近在實效的事業。目前大多數太15fl能利用技術尚處于發展階段，同其他能源建設相比，產業規模小且經濟效益低，但其對。-J：改善能源短缺和環境污染的社會效益確是巨大的，因此需要各級政府給予更多的支持和宏觀凋控政策的保護，根據各項技術的類型特點、應應用前景和獲利能力，分門別類地研究和制定出棚應的財政、投資、信貸和價格補貼等方而的優惠政策。豇需要得到全體市民的認知、理解和支持。