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浅议太阳能技术在建筑设计中的应用工学论文
浅议太阳能技术在建筑设计中的应用工学论文
摘要: 能源是人类社会求生存和发展的物质基础，而以石油、煤炭等为基础的常规能源体系曾经极大程度的推动并促进了人类社会的发展，但这些常规的能源体系的过度开发直接导致了环境污染，为了可持续发展，我们应该充分开发和利用洁净能源。
关键词: 太阳能 建筑 能源
一、可持续发展太阳能在未来能源结构中的地位
国际能源机构预测，经济的发展离不开资源，目前全世界最常用的还是化石类能源，但随着经济的发展，煤炭和石油需求量越来越大，终有一天会枯竭。不同能源机构对世界能源供应情况的预测数据各有所不同，但基本结论都是相似的。即全世界的煤炭只能用220年，在未来短时期内化石类能源在能源供给结构站占据很大的比例，但随着科学技术的发展，可再生能源将逐渐替代化石类能源，并在2030之后开始逐渐进入大规模应用，随着经济的持续发展，可再生能源将在能源资源中占据越来越大的比例。与有限的化石燃料能源相比，太阳能堪称最为理想的可再生能源之一。随着太阳的辐射输出，光子能量完全可以转换成各种人类需要的能源。尤其是光能转换为最常见也是最高级的电能，而电能则可以转化为动能、热能等其它形式的能源。也就是我们只要充分利用自然界中最丰富的'太阳能，完全可以满足人类的生活和生产需求。
二、太阳能被充分利用的必然性
现代工业革命开创了现代文明，然而它都是建立在大规模开采和使用化石燃料的基础上的。“石油是工业的血液，煤是工业的粮食”是这一现状的最好诠释。化石燃料作为不可再生能源，之前的大规模开采和使用，已使化石资源日益枯竭，它已逐渐不能满足日益增长的经济需求，还诱发了不少国家之间、区域之间的政治经济纠纷，甚至引起冲突和局部战争。虽然我国矿物能源资源的储量是比较丰富，然而人均能源资源只有世界人均能源资源的二分之一左右。从能源消费结构来看，我国是世界上最大的煤炭消费国，而根据大概的估计，我国的煤炭资源只能开采80年，而石油资源只能开采20年。1997年我国正式成为了《京都议定书》签约国，但其影响和约束，限排压力很大。我国的火力发电，尤其是煤炭发电极大程度的受到了限制。随后我国也正式加入WTO，我国的经济迎来了一个新的机遇，同时我国也正式步入了工业化中期，即重化工业阶段，其能源需求量和消耗量也将快速的增长。从环境保护方面来讲，化石能源的利用已造成了严重的环境污染，温室效应、酸雨等环境问题接踵而来，尤其是温室效应是全人类所面临的环境问题。为了可持续发展我们必须寻求新的可再生的绿色能源，太阳能作为自然界最丰富的洁净能源，而我国全年辐射总量为917—2333kW·h/m2，是世界上太阳能资源丰富的国家之一，因此太阳能是我国可再生能源的首选。
三、太阳能的利用方式
目前太阳能的利用方式可分为光-热转换、光-电转换、光-化学转换。其中最成熟的就是光-热转化和光-电转化。而光-化学转换尚处于研究开发阶段，这种技术包括半导体电极产生电而电解水产生氧，利用氢氧化钙或重金属氢化物热分解储能形式。太阳能制氢问题解决了，才有真正意义上的氢利用，这将是引起时代的变革。 四、太阳能在建筑设计中的应用
目前建筑业是经济发展的重要产业，也是消耗能源较多的行业。尤其是现在住宅不仅仅是一个遮风避雨的场所，人们所追求的是建立在自然环境持续和谐发展基础上的优越的生活环境，即建筑中充分利用绿色能源、尽可能的减少建筑的能源消耗，在保护环境的根本前提下尽可能的因地制宜，合理利用当地的优势条件发展合宜建筑。太阳能作为绿色洁净能源的使用对建筑行业来说是一种全新的发展思路。目前太阳能在建筑设计中的应用主要有太阳能发电、太阳能热水器、太阳能空调及太阳能暖气等，至于太阳能发电在建筑中的应用因其技术限制，导致造价太高，不太适合广泛的推广。下面我们将着重论述太阳能热水系统。太阳能热水器是太阳能技术在建筑设计中应用的最广泛的绿色能源。太阳能热水系统主要是由太阳能集热系统和热水供应系统构成，包括了太阳集热器、贮水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器、水泵设备和福建。其中太阳能集热系统又是太阳能热水系统特有的组成部分，是太阳能是否能得到合理利用的关键。那么怎样充分利用太阳能，充分发挥太阳能热水系统的功效呢？
第一，首先我们在思维上要接受绿色建筑的概念，在建筑设计阶段就要把洁净能源的创意和思维与建筑的设计相结合。
第二，前面提到太阳能集热系统是太阳能利用的关键，因此我们在建筑设计中要运用太阳能热水系统的话，我们首先要做的就是尊重权威的质检部门出局的检测报告，在结合数据中的性能参数，再根据建筑物所在地的太阳能资源与气象条件进行优化设计，确保太阳能集热系统的长期稳定运行。
第三，太阳能热水系统已形成了成熟的理论系统和实际构照，但很多传统的建筑没有给太阳能热水器预留空间。这会阻碍太阳能热水器的推广和发展，因此在设计建筑时要充分考虑到太阳能热水器预留空间。第四，为保证太阳能热水系统的设计合理，建筑设计单位和太阳能热水系统设计单位都应共同参与设计。同时太阳能热水器的安装应该要满足建筑功能和建筑防护要求，做到太阳能热水器和建筑有机结合，与周围环境想协调。总结：建筑是国民经济的主要支柱，而能源也是国民经济的命脉。随着常规能源的日益枯竭和因过度开发带来的系列环境问题，我们应该坚持走可持续发展道路，加快技术研究，充分开发和利用太阳能。
参考文献：
[1]李向军.节能技术在绿色建筑设计中的应用.建筑环境与设备,第38期
[2]崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统.化学工业出版社
[3]秦永丽.太阳能利用在绿色建筑设计中的应用.襄阳市水利规划设计院
;题目是：光伏发电系统中 DC——AC 逆变，，，这毕业设计论文题目实在太高端了，求各位大神赐教。
摘 要合理、高效地利用太阳能是绿色建筑能源来源的最佳选择。太阳能光伏玻璃幕墙是传统玻璃幕墙与太阳能电池光电转换技术相结合，既能保证建筑物幕墙安全性能，也能够利用太阳能源，具有隔热、隔音、安全、环保的功能，成为目前利用太阳能的光伏发电工程中重要产品之一，具有广阔的应用价值和发展前景。
关键词太阳能；光伏玻璃幕墙；绿色建筑；光伏发电
随着人口的增加、经济的发展，传统的石化能源逐渐减少，并造成环境污染和生态恶化现象，于是人们开始寻找新能源。与风电、水电、核电相比，太阳能具有源源不断、范围广泛、洁净的特点，成为绿色建筑能源来源的最佳选择。而太阳能光伏技术具有不消耗矿物燃料、使用安全、没有污染等优点，成为利用太阳能的主要发展方向。其中，光伏玻璃幕墙技术将太阳能光伏产品集成在建筑上，形成光伏建筑一体化，广泛应用于绿色建筑。
1 光伏玻璃幕墙原理
光伏玻璃幕墙是在两片玻璃之间利用特殊树脂粘贴太阳能光伏电池，通过电池将太阳光能量转化为电能。通俗地讲，光伏玻璃幕墙就是能够发电的玻璃幕墙，主要包括光伏电池组件、蓄电池、控制器、逆变器等几个重要部分。
1.1 光伏电池原理
光伏电池能够通过光电效应直接把光能转化成电能，是光伏玻璃幕墙的重要组成部分。阳光照射到电池表面，电池内部的硅材料吸收一部分光子的能量，硅原子内部的电子发生跃迁，在p-n结两侧聚集形成电位差。接通外部电路，就会产生电流，形成光伏发电。
1.2 光伏电池组件
光伏电池是光伏发电系统的关键元件。主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅三种类型，其中非晶硅光伏电池正成为光伏电池发展的方向和主流。
一是单晶硅光伏电池，利用高纯的单晶硅棒作为原料切成薄片，经过加工制成单体片，按照需要进行组合构成光伏电池板，多块光伏电池板构成光伏电池阵列，转换效率在15%左右，具有技术成熟、转换率较高、产量较大的特点。
二是多晶硅光伏电池，利用浇筑的硅块切割而成。转换效率在12%左右，具有生产过程简单、价格较低、寿命较短的特点。
三是非晶硅光伏电池，即薄膜式光伏电池，是由一层极薄硅片汽化到载体上而制成。具有重量轻、工艺简单、耗能少、弱光发电、转换效率较低的特点。
1.3 蓄电池
光伏电池在不同的季节、气候、太阳照射角度等因素影响下，会产生大小不均的电流，当生产的电能超过使用量时，蓄电池可以把多余的电能储存起来，在电池生产电能不能满足使用量时释放电能，起到平衡系统供电的作用。
1.4 控制器与逆变器
光伏电池产生的电能是直流电，需要通过控制器将直流电能转换成符合蓄电池要求的充电电流和电压，达到存储电能的目的。另外，如果是并网运行，控制器还将控制蓄电池提供给控制器所需电能。光伏电池产生的电能是直流电，为了实现并网运行，需要利用逆变器将直流电能转变成交流电源。
2 光伏玻璃幕墙结构
光伏玻璃幕墙包括内外两片钢化玻璃，中间是PVB胶片复合薄膜式光伏电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集到引线端，将电流引出，形成光伏玻璃幕墙单元。多个光伏玻璃幕墙单元构成光伏玻璃幕墙，把各个光伏玻璃幕墙单元的电流通过集电器进行汇总，最终组成了光伏玻璃幕墙发电系统。幕墙外部采用超白玻璃，幕墙内部采用热反射镀膜玻璃，光伏太阳能电池片呈百叶状态安装在内外玻璃之间。
3 光伏玻璃幕墙的角度
光伏玻璃幕墙的角度问题涉及二个方面：一是幕墙的朝向，通过实验和分析，在冬天太阳初升的位置大概是正南偏东南30度，日落的时候在西南偏30度，在此范围内光伏玻璃幕墙的转换效率不会有太多的差别，在此范围内都可以设置光伏玻璃幕墙；二是光伏太阳能电池片的角度，通过实验和分析，结合本地纬度和上下叶片的遮挡情况，可以确定最佳的倾斜角度是45度左右。
4 光伏玻璃幕墙特点
4.1 不影响建筑物美观
建筑是凝固的艺术，光伏玻璃幕墙的使用不应该影响到影响建筑物的外观效果。因此，光伏玻璃幕墙的设计、施工中将线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中，这样做的好处是防止风吹、雨淋、日晒，既延长了器件的寿命，又没有影响建筑物的外观。太阳能电池片的表面可以制成蓝色、绿色、**、黑色等多种颜色，可以很好地配合建筑幕墙的颜色，保证了建筑的绿色和美观。
4.2 不影响建筑物采光
光线是建筑艺术的灵魂，光伏玻璃幕墙采用光面超白钢化玻璃和热反射镀膜玻璃双层玻璃，中间是倾斜排列的太阳能电池片，幕墙的采光度是由太阳能电池片的排列间隙来控制，完全能够满足建筑物的采光需要。
4.3 不影响建筑物安全
光伏玻璃幕墙不仅需要满足光伏发电的需要，还要满足幕墙风压变形性能、雨水渗漏性能、空气渗透性能，以及建筑物安全性能。针对这些需要，在不同地区、不同的建筑高度、不同的安装方式，都需要不同力学性能的光伏玻璃幕墙。要依照国家建筑规范和幕墙规范，经过科学计算出钢化玻璃的厚度，组件中间的PVB胶片有良好的粘结性、韧性、弹性，具有一定的吸能作用和粘结作用。当玻璃破损时，碎片会被粘附在胶片上，不会散落，减少了伤人的可能性，进一步提高了幕墙的安全性能。
4.4 安装方便
玻璃幕墙的设计和安装技术都比较成熟，使光伏玻璃幕墙的安装同样方便、快捷。构件式幕墙是当前采用最多的结构形式，工艺成熟，主体结构适应能力强，施工手段灵活；单元式幕墙，是工业化加工成型，质量有保证，人工费用低，施工周期短，能够带来较大的经济效益；双层通风幕墙，能够换气通风、隔声隔热、有效解决了电池组件的散热问题，延长了电池组件的寿命，降低了组件向室内散发的热量。
4.5 绿色环保
光伏玻璃幕墙兼顾光伏发电与普通幕墙两种功能，不需要额外占用建筑面积，节省了光伏系统的支撑结构。不仅具有阻燃、隔热、消音等节能作用，还具有不消耗石化能源、水资源，无污染，没有温室气体排放，降低光污染的绿色环保特性。
5 小结
太阳能是分布最广泛的可再生能源资源，具有广阔地发展前景。光伏玻璃幕墙技术应用于绿色建筑，可以使光伏玻璃幕墙与建筑物完美、和谐地结合在一起，能够智能化地生产能量，同时具有隔音、隔热、安全、装饰、和谐环境的功能，成为当今太阳能利用与建筑行业相结合的发展趋势，具有广阔的应用价值和发展前景。
参考文献
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[5]梁锐,张群,刘加平.结合太阳能应用技术的绿色建筑设计[J].陕西建筑,2010,(6):4-7.
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[7]李水生,何韶瑶,张敬农.太阳能光伏电池在建筑幕墙上的应用研究[J].华中建筑,2009,(1):115-117.
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光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。
光伏系统具有以下的特点：
- 没有转动部件，不产生噪音；
- 没有空气污染、不排放废水；
- 没有燃烧过程，不需要燃料；
- 维修保养简单，维护费用低；
- 运行可靠性、稳定性好；
- 作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上；
- 根据需要很容易扩大发电规模。
光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。
光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。图4-1是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。其中包含了光伏系统中的几个主要部件：
光伏组件方阵：由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。 蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。 控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。 逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的光伏系统进行详细地描述。
什么是太阳能光伏
太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。
太阳能电池发电历史
自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下：
1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。
1876年 亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。
1883年 制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。
1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提 出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。
1931年 布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。
1932年 奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。
1941年 奥尔在硅上发现光伏效应。
1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。
1955年 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。
1957年 硅太阳电池效率达8%。
1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。
1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。
1960年 硅太阳电池首次实现并网运行。
1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。
1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。
1972年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。
1972年 美国宇航公司背场电池问世。
1973年 砷化镓太阳电池效率达15%。
1974年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。
1975年 非晶硅太阳电池问世。同年，带硅电池效率达6%~%。
1976年 多晶硅太阳电池效率达10%。
1978年 美国建成100kWp太阳地面光伏电站。
1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。
1983年 美国建成1MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8%。
1986年 美国建成6.5MWp光伏电站。
1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWp光伏电池。
1995年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。
1997年 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3~5kWp。光伏电池。有太阳时光伏屋顶向电网供电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。
1997年 日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。
1997年 欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池。
1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。
中国光伏发电产业的发展
中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。
2007年，中国光伏电池产量首次超过德国和日本，居世界第一位。2008年的产量继续提高，达到了200万千瓦。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07％增长到2008年的近15％。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13％-14％提高到16％-17％。
因美国次贷问题而引发的金融危机，从华尔街迅速向全球蔓延，致使部分金融机构轰然倒塌，证券市场持续低迷，石油价格大幅下滑。中国光伏发电产业近年发展迅速，成为政府重视、股市活跃、风投青睐、各行各业蜂涌相聚的世界太阳谷。由于设备、原料和市场三头在外，它对美国、欧洲和日本等国际市场存在很大依存度。随着这场金融危机特别是国际油价的大幅下挫，对中国光伏发电业的投资资金、出口订单等方面产生重大影响，但金融危机对光伏产业的巨大影响一定会在未来的某个时间得到消化。长远来看，世界光伏市场的政策推动力依然存在，光伏产业的市场成长依然强劲。
注：更多资料，请参考光电新闻网，里面有太阳能光伏频道专讲的
