进来握个手吧,太阳

把阳光“装”进建筑来发电

能源, 是人类社会赖以生存和发展的基础, 对它的科学开发和合理利用, 是人类文明与进步的重要标志之一。利用能源, 又不污染环境, 是人类在社会发展长河中, 不断追求的目标, 大规模开发利用太阳能, 则是实现这一目标的重要一环。

太阳能, 因为它是一种辐射能, 不带任何化学物质, 是最洁净, 最可靠的巨大能源宝库。经测算表明, 太阳能释放出相当于10万亿千瓦的能量, 而辐射到地球表面的能量, 虽然只有它22亿分之一, 但也相当于全世界目前发电总量的八万倍。因此专家们认为, 用太阳能代替所有潜在的矿物资源, 是21世纪发展的方向, 其发展速度, 很可能像计算机产业一样, 将得到迅猛发展。

那就进来握个手吧, 太阳!

把阳光“装”在建筑上来发电

中国2010年上海世界博览会中国馆, 是一座“中国红”为主基调的宏伟建筑。在高达68米的屋顶平台上, 装有无数如“马赛克”一般密密麻麻的片状组件。这些片状组件叫“光伏组件”, 组成18个菱形、12个三角形的巨大光伏组件群, 宛如镶嵌在中国馆顶部的巨型“宝石”, 在阳光下熠熠生辉。

这就是上海世博会太阳能光伏建筑一体化工程, 它使黄浦江两岸的美景与太阳能转化为电能的神奇程相辉映, 将成为动人的景观。

按照设计方案, 中国馆利用68米屋顶平台和60米观景平台铺设单晶光伏组件, 其中60米观景平台四周采用的是一种特殊规格的透光型“双玻组件”, 替代了原设计方案中的幕墙玻璃。中国馆的太阳能装机容量可达302千瓦。

主题馆采用与建筑肌理相吻合的大菱形设计方案, 铺设多晶光伏组件, 替代了原设计方案中的屋面装饰材料。光伏组件铺设面积约2.6万平方米, 太阳能装机容量可达2825千瓦。这种“装”在上海世博会主题馆屋顶的太阳能设施, 有望成为中国乃至亚洲单体建筑最大的光伏建筑一体化电站。

根据规划设计, 上述两大展馆累计的太阳能装机容量可达3127千瓦, 一年提供并网发电的电量可达284万千瓦时, 每年可节约标准煤约1000吨。相当于年均减排二氧化碳2500吨、二氧化硫84吨、氮氧化物42吨、烟尘762吨。

以两大展馆为基础, 加上世博浦西园区南市发电厂的太阳能项目等, 整个世博园区的太阳能总装机容量有望达到4700千瓦。

屋面一体化设计铺设太阳能板, 总发电量2.5兆瓦, 是座名副其实的兆瓦级的清洁能源发电站。

那么, 这些叫“光伏组件”的“宝石”到底是什么?它为什么会为建筑提供电能呢?

原来, 光伏组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置, 它借助于一种能量转换器可将太阳光能转换成为电能。这种把光能转换成为电能的能量转换器, 就是太阳能电池。太阳能电池的主要材料是半导体硅, 也有一些其他合金。它只要受到阳光或灯光的照射, 就能够把光能转变为电能, 使电流从一方流向另一方, 从而产生直流电。这种将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏效应。一般就可发出相当于所接收光能大于10%~20%的电来。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射, 将光能转变为电能, 一般在它的上面都蒙上一层防止光反射的膜, 使这种光伏组件板的表面呈紫色。

光伏发电就是根据光生伏打效应原理, 利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时, 物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时, 就会在PN结的两边出现电压, 叫做光生电压。使PN结短路, 就会产生电流。

因此, 不论是独立使用还是并网发电, 光伏发电系统主要由太阳电池板 (组件) 、控制器和逆变器三大部分组成, 它们主要由电子元器件构成, 不涉及机械部件, 由于没有活动的部分, 所以, 光伏发电设备极为精炼, 可靠稳定、寿命长、安装维护简便。目前, 光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场合提供电源, 主要为广大无电地区居民生活生产提供电力, 还有微波中继电源等, 另外, 还包括一些移动电源和备用电源;二是太阳能日用电子产品, 如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地厂各种灯具等;三是并网发电, 这在发达国家已经大面积推广实施。

由于光伏板组件可以制成不同形状, 而组件又可连接, 以产生更多电力。因此近年来, 天台和建筑物表面都可使用光伏板组件, 甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分, 这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

这种光伏与建筑一体化提出了“建筑物产生能源”的新概念, 即通过建筑物, 主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来, 使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。

装在屋顶上的太阳能电池板

光伏与建筑一体化系统可以划分为光伏屋顶结构和光伏墙结构两种形式。光伏与建筑的结合有两种方式:一种是建筑与光伏系统相结合;另外一种是建筑与光伏器件相结合。

建筑与光伏系统相结合, 是把封装好的的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上, 再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置组成一个发电系统。

而建筑与光伏器件相结合, 则是将光伏器件与建筑材料集成一体, 用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙, 形成光伏与建筑材料集成产品, 既可以当建材, 又能利用绿色太阳能资源发电, 可谓两全其美, 而且可以降低光伏与建筑一体化系统的造价。

近年来, 国外推行的光伏与建筑相结合, 极大地推动了光伏并网系统的发展。在城镇建筑物上安装的光伏系统, 通常采用与公共电网并网的形式。并网光伏系统不需要配备蓄电池, 既节省投资, 又不受蓄电池荷电状态的限制, 可以充分利用光伏系统所发出的电力;光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上, 无需额外占用土地, 这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要;夏天是用电高峰的季节, 也正好是日照量最大, 光伏系统发电量最多时期, 对电网可以起到调峰作用;光伏阵列吸收太阳能转化为电能, 大大降低了室外综合温度, 减少了墙体得热和室内空调冷负荷, 所以也可以起到建筑节能作用。

太阳能住宅与太阳能社区

在上海, 不久前提出了一种试验型的太阳能住宅建筑, 它的雏形是一幢“魔幻小屋”。这种小屋的屋顶上有个“大天窗”, 左侧“天窗”是太阳能电池方阵, 右侧就是太阳能集热器方阵。这是一种与建筑融为一体的太阳能集热器, 一改传统集热管的“粗犷形象”, 平面设计, 轻薄光滑, 与现代屋顶结合得严丝合缝。

目前, 就太阳能热水器而言, 在我国住宅中的安装和利用并不普遍。这主要是人们大都认为太阳能热水器只是“顶层”住宅的专利。但随着太阳能技术的不断发展, 现有技术已可以让任何楼层的住宅享用热水器带来的便捷。据报道, 新型太阳能集热器的试制成功, 使太阳能热水器可直接作为建筑构件, 在屋顶、墙面和阳台应用, 斜坡和平顶镶嵌式太阳能热水器集热板均可紧贴屋面或作为屋面组成部分。加之先进的电子自控应用, 还能使太阳能热水器具有调节水量、流量、补充冷水、平衡自来水和热水流量等功能。因此, 太阳能已不再只是“顶层”专利。

太阳能社区

在南京, 有开发商新开发的小区采用的是一排排的真空集热管, 屋面看不见水箱和支架, 外观整齐、美观, 真正做到了太阳能与建筑融为一体。另外, 建筑内部铺设有专门的热水管道, 这些管道像自来水管一样, 接入各家各户, 这对居民来说, 使用热水就显得十分方便;而对整个小区来说, 环境不但没有受到破坏, 而且还为其开发的楼盘增加了一大卖点。这标志着我国太阳能热水器与建筑一体的技术逐渐成熟。

如今, 上海市提出的新建住宅要应用十项“四新”技术要求, 营造太阳能住宅将是大势所趋。上海的湘江大厦商住楼中, 便应用了由英国一家公司开发设计的大型太阳能集热系统工程, 集热面积90平方米, 向住户全天候供应热水。该工程采用该公司专业工程配套设计的空热式集热器, 平铺或嵌在坡屋顶上, 既不影响建筑物外立面的美观, 又与建筑同步设计和施工, 克服了普通太阳能热水器后置安装所带来的诸多问题。

已经在国外出现的太阳能屋顶也许能让我们看到我国应用太阳能的未来。在日本, 一个装有100多平米太阳能屋顶的家庭, 就相当于拥有了一套3.7千瓦功率的发电机。这样的家庭装有两个电表, 白天, 太阳能屋顶发电, 除了供自家使用, 多余的电输送给大电网;晚上, 家里的各种电器启动, 电网向家庭供电, 最后按照两个电表的差值计算这个家庭的电费。

一般而言, 100~150平米的太阳能屋顶产生的电, 对于一个四口之家是有盈余的, 到那时, 每一个家庭就是一个“微型发电厂”了。

在荷兰中部城市阿姆斯弗特附近, 1994年开始建设了一座有600多座房屋及几十栋附属建筑的居住社区, 计划发电量1.5兆瓦。目前社区的日常用电基本上达到自给自足, 它靠的就是太阳能住宅。为避免在太阳照射不够的时候住户没有电用, 社区绝大部分房屋的太阳能光板采集的电能都统一输进当地的普通电网, 这样也防止了绿色能源的流失。用户只需交纳一般电网的电费, 无须担心太阳能发电的高成本。这就是目前世界上最大的太阳能居住型社区。

在英国伦敦附近的萨敦镇也有个这样的社区, 翻译成中文就是“伯丁敦零用电发展社区”。其实它不是真的不用电, 而是不用电网供应的电, 或者说, 居民不用给电力公司交电费, 因为这里的建筑可以自己发电。

那里住宅所用的砖木并不多, 整个建筑看起来几乎是个玻璃房, 落地的大玻璃窗构成了南向朝阳的这面“墙”。走近仔细看, 可不是普通的玻璃窗, 玻璃上都有光电板, 是用来搞太阳能发电的。墙尚且如此, 房顶就更不必说了。据介绍, 这里的太阳能发电设备是英国BP公司提供的, 白天阳光好的时候发的电可以储存在一个类似蓄电池的设施里, 用不完的电甚至可以卖给电网。这个“蓄电池”及其与电网的连接都有相当高的科技含量。

在这个社区里, 连交通工具都尽量不烧油, 太阳能充电站可以为40辆专门制造的车辆提供每年跑2万千米的电力, 居民们日常购物什么的, 开这种车去足够了。

根据建筑所在地资源的不同, 除了太阳能, 小的风力发电设备、小的水力发电设备、生物能发电设备、清洁能源电池等都可以用在住宅上。这样, 我们可以把明天的社区建设成真正的环保社区。

太阳能住宅