论文总字数：26677字

摘 要

本文首先对目前能源危机以及环境污染进行讨论并引出太阳能应用的话题，太阳能的应用之一就是太阳能与建筑的结合。然后对太阳能与建筑一体化的定义，意义以及研究重点，目前国内外的研究现状做了介绍。重点研究了太阳能光热与光伏耦合的PV/T系统，它是太阳能建筑领域最新的研究重点。对PV/T系统中的主要部件：PV/T集热器和光伏组件——太阳能电池也进行了详细介绍。核心部分开发了热管冷却式CPC聚光PV/T系统和窗式PV/T系统联合应用于住宅的方案。分别对两种系统的原理，组成部分进行阐述，对其中涉及到的热管，CPC聚光，薄膜电池等进行介绍。最后介绍了南京某地区的住宅，包括户型，房屋面积大小以及能耗，并将联合系统与住宅进行耦合，计算了住宅的能耗等，分析方案的可行性。

关键词：太阳能与建筑一体化 PV/T集热器 热管冷却式 CPC聚光器 窗式PV/T

The development of the application of building integrated solar energy technology

Abstract

First,the paper introduces the current energy crisis and environmental pollution.The topic of solar applications is brought about and one of the application is building integrated with solar energy.Then,the definition,significance and research priorities are introduced.We focus on The solar photovolatic combined with solar thermal system,which is the latest research of this field.The main components of PV/T system,PV/T collectors and PV modules(PV cells ) are also described in detail.The key point of this paper is two systems.One is heat pipe cooled CPC concentrator PV/T system and the other one is window-type PV/T system.Respectively,the principles of the two systems are talked about and elaborate part which include the heat pipe,CPC concentrator,thin film batteries,etc are introduced.Finally,we apply the two systems into a certain area of Nanjing and analyze the feasibility.The units,size of the house and power consumption are described in detail.

Key Words: Building integrated with Solar energy;PV/T collector;Heat pipe cooled-type; CPC concentrator;Window-type PV/T system

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 能源危机 1

1.2 太阳能利用 1

1.3 太阳能与建筑一体化 2

1.4 国内外发展现状 2

第二章 建筑耗能与绿色建筑 8

2.1建筑耗能定义及我国情况 8

2.2建筑节能与绿色建筑 9

第三章 光伏光热一体化 12

3.1 BIPV原理 12

3.2 PV/T系统的类型以及研究成果 14

3.3 与建筑物结合的集热器 16

3.3.1 与建筑物结合的集热器基本概念 17

3.3.3太阳能热集热器 20

第四章 一种新型聚光PV/T和窗式PV/T组合系统的开发 24

4.1 系统的开发 26

4.2 复合抛物面聚光器 28

第五章 系统与南京某地区住宅的耦合 30

5.1 住宅的基本情况 30

5.2 住宅耗能 30

5.3 太阳能电池发电功率 32

第六章 结论与展望 34

6.1 结论 34

6.2 展望 34

致谢 36

第一章 绪 论

1.1 能源危机

能源危机随着煤，石油，天然气等化石燃料的大量使用，能源危机与环境污染成为21世纪人类面临的共同挑战。全世界每年消耗的能源总共约折合1.2亿吨标准煤， 而石油、天然气和煤是主要的消费对象。对于化石燃料来说是非常大的浪费。而且，按照目前的能源消耗速度，专家预测化石燃料的储量不到300年。

城市人口激增，热水供暖需求增大。同时，城市新建了许多建筑，高层居多，这些新建的建筑增加了耗能。在欧洲的能源消费结构中，建筑耗能占了将近一半，而交通运输耗能仅为1/4。因此，开发既环保又节能的建筑产品成为关注话题的重中之重。居民不满足闷晒式和紧凑式，各方面的需求都越来越高。

1.2 太阳能利用

相比与风能、生物质能等等一些被称为可再生能源的新能源，太阳能更被广大民众熟知和利用。在中国，无论是大城市、小城市还是乡下农村，无论是商品楼、居民楼还是乡下小别墅，都能见到太阳能热水器的身影。正因为太阳能取之不尽用之不竭，是专家们认为的未来最理想的替代能源。目前太阳能的转化率为10%到20%。在这一领域我国取得了不俗的成绩。根据国际性调研组织发布的资料可知，在我国光热应用面积要比欧洲多一倍，比北美多四倍，占全球光热应用总面积的70%之多。如今太阳能已经成为我国人们生活中不可或缺的一部分，人们除了将太阳能转化为热能之外，还将太阳能广泛用于制冷，发电、蓄电、淡化海水、制造光伏电池的等各个领域，可见研究太阳能的应该有着十分重要的意义，是改善人们生活环境，解决全球性能源问题，创造绿色生活的重要举措。

1.3 太阳能与建筑一体化

太阳能与建筑一体化并不是简单的在人们的生活建筑、办公建筑里外安装太阳能热水器，太阳能电池等设备，而是要通过将太阳能的应用和建筑有机结合，不断优化，最终整合出一个太阳能与建筑和谐共生的新方案。从建筑设计的最开始就要考虑到太阳能系统涵盖的一切并把他们完美的融入到建筑当中。因为太阳能的利用以光热和光伏利用为主，所以，一体化的方式也以这两者为主，这就是我们平常所说的光伏建筑和光热建筑。这其中涉及到换热器等热能与动力工程，机械设计，美学等学科的知识，因此，需要各个面的人才互相合作才能达到一体化的效果。同时，由于将太阳能集热器或光伏部件用于建筑中，既省去了建筑材料，又降低了太阳能的应用成本，可谓获得了经济效益。

1.4 国内外发展现状

通过集热器将太阳辐射相对集中达到加热效果，这种将太阳能转化为热能的技术便是光热利用技术，该技术在太阳能建筑一体化领域中得到最为广泛的应用，较为常见而且成熟的是太阳能热水器。比较常见的两种太阳能热水器是分体式和壁挂式。这二者都是热水器与住宅的完美结合。在我国大部分地区，特别是在乡下农村，百分之九十的居民用户会选择安装太阳能热水器作为主要的供热设备，相比之下，只有百分之二的用户选择燃气热水器和百分之七的用户选择电热水器。

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图1-1 壁挂式太阳能集热器

图1-2 分体式太阳能集热器

图1-3 无水箱太阳能热水器

除了被人们广泛应用于太阳能与建筑一体化的太阳能热水系统之外，另一个与我国建筑有机结合的极具中国特色的太阳能与建筑一体化系统便是太阳能坑系统，该系统将新型百叶集热墙与新型节能坑创新性地有机耦合起来。因为太阳能坑能够蓄热，在北方居住的人们晚上睡觉就比较舒服。白天的时候太阳辐射被百叶集热墙吸取，这样房间就不会那么热，也就是说热负荷下降。在农村地区，如果就单单使用火坑的话，效果没有这种新型太阳能坑系统效果好。尽管在建设该系统是所需投入的成本要比传统的高出10%，但是由于其使用的是可再生的太阳能清洁能源，不但能节省50%左右用于冬季供暖的耗煤量，而且更干净清洁。

此外，太阳能制冷在建筑中的运用我们也取得了一定的成就。1997年， 中科院广州能源所为国家“ 九五” 科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了一台or 0 KW 的双级太阳能吸收式制冷机，并成功地在2 4 层的建筑上安装了该系统。

光伏利用指的是通过太阳能电池也称光伏电池将太阳能直接转换为电能的方式。光伏与建筑一体化简称BIPV(building integrated PV)，比较常见的是光伏屋顶（图4）。虽然我国太阳能光伏建筑没有别的国家起步早，但是发展的速度惊人。通过政府的一系列鼓励政策，光伏产业得到了快速发展。其中几个典型建筑有：1.鸟巢--世界上最大环保型体育馆，它是08年北京奥运会主场馆。整个馆的供电全部都来自于太阳能光伏发电系统（安装于鸟巢的12 个主通道）2.上海世博会场馆。光伏建筑一体化应用总容量约4.5MW，中国馆应用的最多。我们可以在建筑的最高处看到光伏面板,这些建筑里面的太阳能应用主要都是用来展示的。总装机容量约0.4 MW。

国外的太阳能建筑一体化系统追溯到20世纪90年代初。美国，德国，日本在该方面的技术已经相当成熟。美国能耗量世界第一，美国政府制定了诸如“百万太阳能屋顶计划”，“光伏建筑良机计划”等政策来缓解能耗量第一的局面，同时也为了节约能源。德国在太阳能的应用领域当属领头羊。“屋顶计划”是其中的代表。1999年开始实施“10万太阳能屋顶计划”。单是在2003年就安装了120 MW。2006年德国当年光电安装75万kW，累计装机253万kW。像日本，美国，欧洲，奥地利等发达国家，太阳能光热利用技术相当成熟。可再生能源得到大力应用，尤其是建筑领域，其中对于可再生能源利用项目进行经济激励政策，政府返还投资成本的15% ～ 30%， 希腊和西班牙在建筑规范方面做得比较好，基本上每一个建筑都必须要具有太阳能测试程序和标志证书。除了可以用于家庭用水和热水工程外，还可以应用于采暖，空调，工业用水，泳池加热等。以下是几个比较新的研究成果：

Helm等人研究了一种可靠的太阳能光热制冷和制热系统。该系统具有高太阳能保证率和季节能效比（SEER）Sultana等研究了一种新的低成本微型聚光集电极（图5），设计在温度高达220度的情况下运行，并且无缝集成到建筑物。Chemises等提出了用于构建集成太阳能应用聚光光学系统并研究固定的广角菲涅耳透镜与太阳跟踪移动复合抛物面聚光器。Jie等研究了使用R22作为制冷剂的新型光伏太阳能热泵（PV-SAHP）系统。Kandilli等引入和实验测试基于所述频谱分解方法的新颖聚光光伏组合系统（CPVCS）。Rosli 等人研究了一种新型PV/T设备，它能够同时产生热能与光能。

参考文献：

[1] 孟德龙. 太阳能与建筑一体化[J].1672-3791(2011)11(c)-0057-02

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