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太阳能与建筑相结合的技术设计

信息来源:nooeoo.com  时间:2007-03-16  浏览次数:280

  1.技术思想概述
  SCClll,系统在大幅度完善太阳能系统性能和降低整个系统造价方面有很大潜力。它既能产生电力,也可产生高温热媒用于建筑物的供暖、制冷机的驱动及提供生活用水。满足建筑物的电和热负荷的需求。该系统的组成可以是小面积分步式的,也可以是大面积集中式的。分步式装置产生的能量可以现场使用,减缓及避免了电力及热力的远程输送。
  SCCHP技术包括以下内容,多塔式太阳能聚焦器(Multi-Tower Solar Concentraion),太阳能光伏电池Solar photographic Voltage),强迫冷却回路(Enhanced Cooling Circuit),吸收或吸附式制冷机(Absorption Refrigeration),热能储存(Thermal Storage),系统控制技术(System  Controller)。
  该技术体系强调以太阳能为核心的多项技术综合利用,从整体上多方位满足建筑物的需求并大幅度降低建筑绿色供能体系的设备成本和运行成本。
  SCCHP的核心技术是多塔式太阳能聚焦系统。它的出现使低成本太阳能发电和高温热媒的高效生产成为可能。也使得中小面积的太阳能聚焦系统经济性大幅度提高。
  主动供能装置能力选型必须与建筑室内能量负荷平衡计算一同考虑,这是设备与建筑结合的灵魂。
  太阳能主动供能与被动供能技术相结合,太阳能与常规能源相结合是实现建筑绿色供能可商业化的发展方向。
  下面我们对几个重点问题进行阐述。
  2.太阳能聚焦的多塔式方案
  太阳能聚焦方法通常是用于高温热发电的。太阳能热发电瓶颈在于其经济性。在目前温度可能高于300度C的三种聚焦式热发电(Concentrating Solar Power-CSP)方法中,发电成本各不相同,但均只有在热场面积足够大的情况下才有可能使发电的成本降低到可商业化的水平。这使得CSP方案的实用性受到致命的影响,也是目前太阳能热发电在世界范围内没有推广的发展主要原因。
  目前世界各国的太阳能高温热发电的研究一般均是针对以上问题而开展的。我们认为,为与常规能源发电方式竟争,有前景的太阳热发电技术方案应当满足以下几点要求,
  1)既可实现小规模分步式发电,也可实现大面积集中式发电;
  2)发电方式的设备成本,运行成本和均较低;
  3)可实现一机多用。
  我们认为“模块化”是解决以上问题的一个较优方案。模块化可实现系统任意大小的组合,对系统集热实现高的地面利用率。
  1)聚焦方法
  拟采用成本较低的高排列密度的多塔式太阳能聚焦(Multi-Tower  Solar Energy Concentration,MTSEC)方案。塔式方案(Tower Solar Energy Concentration,TSEC)的特点聚光镜和接受器均固定,系统无转动件和真空部件,可靠性高,聚光比大(可达300到1500)。MTSEC是指在一个聚光阵列中,为提高地面利用率,接受塔的数目为多个,而非常规的单个。该聚光方案可使土地利用率提高到普通CSP方式的约1.8倍,为在城市的空地和楼顶上建造该装置提供了可能性。该方案集热系统的成本约是碟式聚焦方案的l/3,槽式聚焦方案2/5。
  2)接受器及输出
  安置在塔聚焦面上的接受器是可选的。可同时输出电能和热能,也可以仅仅输出热能。传热技术的突破和新材料的使用使吸热装置的小型化和降低成本变为可能。
  对中小型系统,接受器采用光伏电池加换热装置,实现电能与热能的同时输出。发电可选用光电转换效率约31%,可在较高温度下正常工作的GaAs电池,也可选在环境温度下工作的普通硅电池。电池工作的环境温度可由不同的冷却方式保障,是可选的。但这需要较高的强化冷却技术作保障。
  若聚光镜的光反射率为80%,那么该装置的发电效率就约为25%。该方案在北京地区可能实现的发电指标约为250kWh.m-2.yr-1。由于高倍聚焦,单位输出功率的电池用量比普通PV发电的要小得多,故该系统的成本比普通PV发电的要低得多。
  装置的热能输出是由于从焦点平面上带走高密度能量而引起的。为保证电池的正常高效工作,电池表面应保持一个不高的温度。我们拟用强化冷却措施,维持电池正常的工作温度。从电池表面可能带走的热量约为投射到焦面上能量的70%。系统中输出的该部分热量可供其它使用,如供暖、驱动制冷机及其它生活或工业用热水等。由于塔式系统的聚焦比大,故该部分热量是相当可观的。
  由原来的太阳能单独供热,变为热电连供。系统的功能和经济性大大提高。占地面积比其它高温系统缩小一半多,为在城市建筑上的应用提供了可能性。实现模块化,根据用户的要求,系统可大可小。使太阳能发电供热系统无论在大规模集中式,还是在小规模分布式上均具有了较高的商业价值。
  3.建筑室内能量平衡是设备能力确定的依据
  太阳能供能设备的非定常性,对气象条件和辐照条件的依赖性等特点要求我们必须对建筑用能负荷进行准确的预测才能够在设备与建筑的匹配上做出设备投资和节能效益最佳的选择。
  建筑室内温度及气流的预测方法和预测软件CFD/NHT是太阳能与建筑结合的理论和应用基础。也是世界目前建筑空气调节的又一大方面。但我国目前在该方面的水平和从事人数还远落后于世界先进国家。
  4.被动与主动相结合是太阳能与建筑结合的发展方向
  目前建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国,它要占到建筑物总能耗的约70%。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量,带来外界的环境污染,而且并不能给室内人员带来健康的环境(虽然暂时它是舒适的)。在太阳能用于采暖方面,除造价较高的被动式太阳房有一些示范型建筑外,还没有大规模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高,与我国的经济发展也是远不相适应。因此,建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想。按照房间的功能,采用不同方案的配合及交叉,这样可以大大降低太阳能用于建筑供能的一次投资和运行成本,使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。
  被动采暖与降温的意义在于使建筑本身能量负荷大大降低(节能率约70%),使其所要求主动供能装置提供的能量大大降低。也就是说,它将对昂贵装置的要求降低。另外,被动供能是巧妙利用自然条件的变化来调节室内温度。我们认为,建筑物内空气温度调节技术发展方向不应当是改变自然环境来满足人的要求,而是应当尽量巧妙地利用并顺应自然界来满足人们对健康和舒适的要求。研究空调的目的应当是尽量减少人工环境,而不是相反。
  主动供能的意义在于保障建筑室内的舒适性增加。
  在主动与被动供能相互配合组成供能系统的情况下,整套建筑供能系统的设备性能将会提高,而尺寸和造价将会降低。

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