建筑节能风光储发电技术运用

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1概述

建筑作为人类日常生活必须的物质载体，每年消耗着大量的能源，在城市化程度高的国家，建筑能耗约占总能耗的30％～40％…。在目前能源Et益短缺的情况下，不断提高建筑物的能源利用率就显得十分必要。而在建筑节能中融入新能源发电技术，是实现新建筑技术与生态能源发展的重要途径。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：①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；②独立的发配电系统的运行减少了线路传输损耗；③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、Et照充足，特别适合风光储技术的应用。

2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。

2．1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。图1为美国某火车站光电屋面工程，其总面积7060．63m，光电板使用面积为4645．15m，发电峰值功率为250kW；图2为中国某办公楼光电幕墙，光伏电池板面积3228．8m，发电功率为161kW。图1美国某火车站光电屋面图2中国某办公楼光电幂墙在光伏建筑一体化设计上应综合考虑以下因素。

(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。

2．2风能建筑一体化设计

风能与建筑一体化的结合分为直接结合和间接结合两种形式。间接结合主要指风电机组融于建筑绿地、建筑物附近有较大的空地；直接结合一般指将风电机组直接集成到建筑物中。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”，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。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75t的跨越桥梁，3个直径达29m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110万一130万kW•h，堪称风能建筑一体化的典范之作(图3)。图3巴林世贸中心风能建筑一体化美国迈哈密COR环保大厦则是风能和太阳能与建筑结合的典型案例，见图4。在这栋大楼上用最新的风力涡轮机、光电板和太阳能热水器来提供大楼所需的一部分能源；建筑顶部四面墙上安装多个固定式水平轴风力机；大楼外立面骨骼状的壳体，不仅是大楼的支撑结构，而且它还有隔热，遮阳的作用。

2．3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200kW×4h柜式储能电站和1MW×4h储能示范站(目前实际投入运行的容量为330kW×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。

2．4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：①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；②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；③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。

2．5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。

(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。

(1)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。

(2)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。

(3)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。

3工程应用举例

美国明尼苏达州风能资源丰富、太阳能资源较丰富。明尼苏达州的明尼阿波利斯市在2009年美国环保署公布的节能建筑城市排名第8位。以明尼阿波利斯市某金融中心大楼为例，在考虑该大楼建筑设计方案时，为充分利用当地的太阳能资源，并考虑大楼的用电负荷需求，太阳能电池瓦的容量拟为200kWp。储能单元的容量以能满足大楼保安负荷需求为原则，初拟为300kW•h。该金融中心位于市区中心，前后遮挡影响较大，太阳能与建筑的结合可考虑采用太阳能电池瓦。太阳能电池瓦组件的安装角度受建筑约束小，可以采用最佳倾角安装。一般而言，光伏组件获得最大太阳能资源的最佳倾角与当地的纬度相当。据此，大楼屋顶倾角设为45。。按光伏屋顶布置约为50Wp／m的太阳能电池瓦，200kWp的太阳能电池瓦的屋顶利用面积约为4000m。风能发电与建筑结合设计，拟采用风电机组直接集成到建筑物中的方案。综合考虑屋顶太阳能电池瓦占用面积及3～5倍风轮直径的机组间距，拟在楼顶设置50kW风电机组6台。该机组风轮直径18In，机组重量(不含塔筒)约2t，额定风速13m／s。300kW•h储能单元电池总数量为520节，型号拟为FV200铁电池；放电1h，放电功率0．3MW，充电2h，充电功率0．15MW；电池架占地面积(包括过道)约60nl。能量型FV200A铁电池的额定电压3．25V，容量200Ah。根据风光储的容量配比，换流器的容量拟选为500kW，输出电压为380V，直流侧电压为380V。据上述设计，太阳能电池瓦及风电机组发出的电能可供大楼的部分负荷需求，300kW•h的储能单元可满足电网失电时的保安负荷需求。