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北苑太阳能应用示范工程

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摘要:北苑太阳能应用示范工程集太阳能空调制冷、采暖、热水工程、太阳能光伏并网发电和独立发电于一身,是我国到目前为止太阳能利用最全的一个示范工程,在规模上也堪称一流,故而称之为中国太阳能第一楼。在中华人民共和国可再生能源法通过的今天,这个项目更具有现实的意义。
关键词:太阳能应用能源电力供应
一、前言
稳定可靠的能源和电力供应是关系国计民生的基础条件,是关系社会安定、经济可持续发展的重大战略问题。
北京市委八届四次会议提出了要“加强环境保护领域的技术创新”,“扩大环保产业规模,把北京建设成为环境保护模范城市和节能型城市,实现首都的可持续发展”。
在2000年北京市申办2008年夏季奥运会的过程中,北京市太阳能研究所积极支持申办行动,向北京奥申委捐资了五个太阳能电话亭和五个太阳能庭院灯,分别安装在奥体中心、首都体育馆和工人体育场,在国际奥委会的官员访问北京时,对这些太阳能利用的产品特别感兴趣,中央电视台的转播节目中也给予了特别的关注。
为了响应北京市委八届四次会议的号召,特别是为2008年北京奥运会的“绿色奥运、科技奥运和人文奥运”提供一个良好的范例,北京市太阳能研究所根据北京市发改委的安排,先期启动了“北苑太阳能应用示范工程”。该工程正好处于设计中的2008年北京奥运会奥运公园的东侧,重点安排了可安装在奥运村、奥运场馆和奥运公园的太阳能利用系统,解决太阳能利用同建筑物结合,有效地利用建筑物和装饰建筑物的课题,为在奥运场馆和奥运村中使用太阳能光伏发电和光热综合利用积累经验和数据,同时也为我国今后推广应用太阳能于建筑做出示范。太阳能应用示范工程项目主要包括100千瓦太阳能光伏并网发电系统和360千瓦太阳能空调制冷、采暖和热水综合系统。示范项目的实施充分可靠地展现了太阳能利用的魅力,为把首都建设成为环境保护模范城市和节能型城市,实现首都的可持续发展做出贡献。
与此同时,该示范基地也将建成我国最大的太阳能专业孵化基地,配备各种先进的研究、开发和产业化设备,为使我国太阳能利用更上一层楼作出更大的贡献。
二、项目的意义及必要性
1.意义和重要性
常规化石燃料的无节制使用和二十世纪七十年代发生的两次石油危机,使得人们越来越清醒地认识到化石燃料资源迟早会枯竭耗尽。根据我国现已探明可丌采的化石能源储量的统计和使用这些能源的速度,可以预计,煤可以应用的时间约为54-81年,石油为15-20年,天然气的时间28-58年,核燃料使用的时间也不会超过百年,前一个数字是预测的估计,后一个数字是保守的估计。因此找到一条可持续发展的包括太阳能在内的可再生能源等的新出路,将是我们避免人类能源短缺与枯竭的紧迫任务。
八十年代人们进一步认识到,化石燃料对环境的严重污染所导致的生态破坏、地球温室效应等正日趋严重地威胁着人类的生存。能源短缺和环境污染是当前经济发展面临的两大问题,制约着经济和社会的发展。
太阳能作为新能源和可再生能源的一种,是取之不尽、用之不竭的洁净能源。开发利用太阳能,对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展和提高人民生活都有极为重要的意义。
2.国内外发展概况
在太阳能热利用方面,太阳热水器技术日趋成熟,应用领域已从生活热水扩大到泵水、采暖、制冷空调、海水淡化、工业加热、热发电等。上述诸多应用中,又以太阳能采暖、空调以及生活热水这样的综合应用系统最具潜在的价值;它可以更为充分地利用太阳能,更为充分地实现建筑节能,更为充分地体现与建筑相结合。
利用太阳能提供采暖和生活热水的技术已经相当成熟。利用太阳能提供空调,目前采用的主要技术方案则是太阳能吸收式空调系统;.太阳能吸收式空调系统主要由太阳能集热器和吸收式制冷机两大部分组成。随着溴化锂吸收式制冷机的商品化,太阳能吸收式空调技术得到了相应的发展,意大利、西班牙、美国、德国、日本等国都相继建立起不同规模的太阳能空调示范系统。
国内在“九五”期间根据国家科委的安排,由北京市太阳能研究所承担了“九五”国家科技攻关项目——山东省乳山太阳能吸收式空调及供热综合示范系统。该系统采用540平米的热管式真空管太阳集热器,空调、采暖面积为1200平米。该综合示范系统为本太阳能采暖、空调以及生活热水示范项目的实施,积累了宝贵的经验。
在太阳能光伏利用方面,近年来光伏技术一直保持着快速发展。从1998年开始,世界光伏市场更是出现了供不应求的局面,年增长率保持在30~40%,2004年更是创造历史的新高,增长率达到67%,年产量达到1253兆瓦。在各国减排行动和优惠政策的拉动下,产业发展将进一步加快。.
国际上各国都纷纷制定了光伏产业和市场发展的未来规划。美国“百万屋顶计划”,德国政府在顺利完成十万天棚计划之后,2003年又通过了新的光伏法案,日本的70万户并网发电计划。除政府计划外,各大公司业纷纷扩大产量,太阳能光伏发电的产业正在腾飞,预测卸明年将达到年产量5300兆瓦。
光伏电池的应用正在逐步从解决边远地区和农村用电向全社会的替代能源过渡。国际上,光伏应用的发展主要向两个方向发展,一方面是以户为单元的屋顶计划,每户安装3—5千瓦的光伏并网发电系统。另一方面是向大型光伏电站发展。后者也『F在改变已往在戈壁、沙漠建设大型光伏系统的传统观念,丌始在都市的公益建筑物兴建大型并网发电光伏系统,如在2000年悉尼奥运会使用了900多千瓦的光伏并网发电系统。在并网发电的同时,还要同建筑体融合,起到很多附加功能的作用。
从2001年开始,太阳能光伏并网发电系统首次占据全球光伏累积装机容量的一半以上,达到57%。2002年、2003年持续增长,2003年的太阳能光伏并网发电系统容量更占到当年光伏应用的87%。上述数字表明,在世界范围内太阳能光,伏应用已经从边远无电地区转向都市的并网发电系统。
2004年是世界太阳能光伏发展关键的一年,我国的光伏产业也有了长足的发展。到2004年底为止,国内太阳电池的生产能力已经达到60兆瓦,光伏组件封装能力超过100兆瓦。预计到2005年底,太阳电池的生产能力将达到180兆瓦,组件封装能力将超过200兆瓦。这些都为国内的太阳能光伏利用做好了基础准备。
由于世界各国对环境和能源短缺的日益关注,持续发展必将成为今后建筑设计的重要指导思想。当前,将太阳能热水、空调和光伏发电应用于建筑,并与建筑一体化的新型太阳能建筑已在欧、美和日本等国进行示范,公众反响强烈。可以预见,21世纪太阳能建筑在能源、环境和经济的可持续性发展进程中将起重要的作用。我国有丰富的太阳能资源,在国家发展可再生能源战略的指引下,太阳能在我国建筑中的应用将成为建筑节能的重要组成部分。
三、项目内容
光伏发电部分
1.引言
太阳能光伏发电由于资源无限、无污染和能把太阳光直接转变为电能,系统无运动部件、运行可靠、少维护、寿命长,且电能有宣于输送、储存的特点,因此它是太阳能应用工业中最有前途的产品。
太阳能光伏并网发电系统所发电力除供给负载外,若有多余,可反馈给电网。在阴雨天或在夜晚,负载可随时由电网供电。因此,光伏系统不必配备蓄电池作为储能装置。这样,可以降低系统造价,也可免除维护和定期更换蓄电池的麻烦。
由于有光伏系统和公共电网同时给负载供应电力,两路供电增加了供电的可靠性。夏季,由于空调、制冷、电扇等设备的丌动,形成用电高峰,而这时也是光伏系统发电最多的时侯,光伏并网发电系统可以对公共电网起到一定的调峰作用。
光伏与建筑相结合的进一步目标是将光伏器件与建筑材料集成化。建筑物的墙采用涂料、马赛克等材料,甚至为了美观,有的还采用价格不菲的幕培玻璃,其功能仅起到保护内部和装饰的作用。若能将屋顶及向阳的外墙甚至窗户材料都用光伏器件来代替,则既能作为建材又能发电,可谓一举两得。当然,对光伏器件来说,同时还具有建材所要求的绝热保温、电气绝缘、防水防潮、且有一定强度及刚度、不易破裂等性能。
2.前期的准备工作
为了使100千瓦太阳能光伏供电项目能够顺利实施,在北京市科委的支持下,先期安排了lO千瓦光伏并网发电系统的研制。通过10千瓦光伏并网系统的研制和示范,掌握了光伏并网发电的关键技术,特别是以逆变器为核心的逆变技术、最大功率点跟踪技术、并网同步控制技术、并网安全技术及光伏系统的设计和安装等,这些拥有自主知识产权的关键技术为进一步扩大光伏并网发电的应用打下了坚实的技术基础。该项目于2003年通过了北京市科委组织的验收和鉴定,并获得了2003年北京市科技进步三等奖。
3.100千瓦太阳能光伏发电系统
100千瓦太阳能光伏发电系统所采用的太阳电池组件包括单晶硅、多晶硅和CIS薄膜太阳电池以进行对比性实验。
光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一,有着巨大的市场潜力。太阳电池组件的成本也在不断地下降,与光伏稍结合的建筑物会如雨后春笋般地出现在我们的身边,光伏发电也必将在藩毙源结捅牛占有相当重要的地位。在太阳电池的应用中,太阳电池的成本约占系统成本的一半,其他部分包括逆变器、控制器、蓄电池等占据了另一半。为了进一步降低成本,以达到太阳电池的地面大规模应用目标,进行应用研究变得十分重要。特别是并网发电系统的研究将使控制部分变得简单,省去了大量的蓄电池(同太阳电池20-25年的寿命相比,蓄电池的寿命约为5-8年,在太阳电池的使用过程中需要多次更换和修理)的费用,因此可以使太阳电池的应用成本进一步降低。本项目主要研究光伏并网发电系统,包括大规模并网发电系统和户用并网发电系统,同时适当地进行独立光伏发电系统的研究。整个的光伏发电系统由四部分组成:
80千瓦并网发电系统,主要是为在奥运场馆中使用做准备:
lO千瓦并网发电系统,主要是为在奥运村的别墅中使用做准备:
4.5千瓦.户用并网系统,主要是为太阳能光伏屋顶项目做准备;
6千瓦独立和并网发电复合系统,为在西部无电村光明工程弱雌备。
2)研究内容和技术关键
·并网逆变器是太阳能光伏并网发电系统的关键,因此主要研究内容也将主要围绕电力电子逆变技术进行。
·80千瓦、10千瓦和4.5干瓦太阳能光伏并网发电系统的优化设计研究:
·太阳电池方阵的组合优化研究;
·不同规模的户用独立电源系统;
·太阳电池组件和方阵的运行特性研究:
·在建筑物的南侧布置50千瓦太阳电池组件,楼顶布置50千瓦太阳电池组件,与建筑物结合的研究;
·计算机数据采集与监控系统
一为确保光伏电站长期稳定工作并进行科学管理,配备微机监控系统对光伏电站各种工作参数和运行状态进行数据采集监测,并对各个设备环节进行协调控制。
·配置显示板,显示系统的运行状态,包括整个系统的瞬时功率、工作总时数、累计发电量等参数。
太阳能热利用部分
太阳能热利用部分包括太阳能空调制冷、采暖和热水工程综合系统,户式中央空调采暖和热水系统,以及地板采暖系统。
1.太阳能空调制冷、采暖和热水工程综合系统
1)概述
随着生活水平的不断提高,人们对生活环境舒适程度的要求越来越高,其中空调、采暖和热水是三个主要方面。而这三方面目前均消耗着大量的常规能源,而且严重地污染着环境。因此利用取之不尽而又清洁无污染的太阳能来提供或部分提供空调、采暖和热水所需的能源,不仅可以大大节省常规能源的消耗,同时又非常有利于环境保护。同时山于城市中采用常规空调越来越多,排出了大量的热气而形成热岛效应,不仅严重污染环境,而且对城市的气候也产生了不良的影响。
2)技术方案
系统采用了热管式真空管太阳能集热器与热水型溴化锂吸收式制冷机相结合的技术方案。系统主要由热管式真空管集热器、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活用热水箱、丌水箱、冷却塔、风机盘管、辅助燃油锅炉、自动控制系统等几大部分组成。
夏季,山太阳能集热器向溴化钝制冷机提供高达88℃左右的热水,通过制冷机产升8℃左右的冷水,并通过风机盘管向房问提供冷风:冬季,由太阳能集热器加热成40~60℃左右的热水,直接通过风机盘管向房间提供热风:过渡季节,本系统作为太阳热水器,可提供大量科研和生活用热水:同时本系统还可全年提供丌水。
3)项目内容和技术关键
示范系统的主要研究内容:
(1)对太阳能空调综合系统进行总体优化设计,包括可供体育场馆大型系统和可供奥运村使用的中小型系统:
(2)研冗太阳能与建筑的结合方式,尤其是与建筑物屋顶和墙面的结合:
(3)研究真空管太阳能集热器与溴化锂吸收式制冷机的合理参数匹配;
(4)研究太阳能集热器阵列的优化布置:
(5)研究太阳能空调综合系统中的辅助能源设备和储能设施:
(6)研制运行可靠、操作简便的自动控制系统,并进行智能化:
(7)研究太阳能空调综合系统的长期运行性能;
(8)对综合系统与常规空调系统的技术经济性进行比较:
(9)研究开发太阳能空调综合系统的设计软件包。
本项目的技术关键:一是研究确定太阳能空调系统的最佳运行工况,以最大的太阳能收益及最经济的投资,获得最满意的运行效果;二是研究开发太阳能空调系统的设计软件包,在输入当地气象资料、太阳能集热器性能参数以及制冷采暖负荷等数据之后,就可以计算出所需太阳能集热器面积、制冷机和辅助锅炉额定参数、制冷采暖性能预示以及投资回收期等。
4)主要技术指标
(1)太阳能集热器采光面积850平米
(2)制冷、采暖功率360千瓦
(3)热水供应能力(非空调采暖季节)50吨
(4)空调采暖面积3000多平米
(5)太阳能保证率全年≥70%
通过近半年的试运行,各系统运行正常。2004年冬季的室温保持在22″C左右,满足规定的采暖高于18℃的要求。
在太阳能空调制冷、采暖和热水工程综合系统中特别安装了控制系统和数据采集系统,系统能够自动运行,时时采集数据。通过数据的积累来确定系统的最佳运行工况,以最大的太阳能收益及最经济的投资,获得最满意的运行效果:同时研究丌发了太阳能空调采暖系统的设计软件包,根据气象资料、太阳能集热器性能参数以及制冷采暖负荷等数据之后,优化太阳能集热器的面积、制冷机和辅助锅炉等额定参数,进行空调制冷、采暖性能预示以及确定投资回收期。
2.户式中央采暖空调热水系统
针对独立分散式化宅对采用空调越米越迫切的需求,采用太阳能吸收式空调系统在夏季作为空调用的冷源,冬季作为采暖用的热源,全年提供生活热水的模式,与现有的常舰系统相比可明显减少运行费用。利用太阳能的二级水环复合热泵驱动,户式中央采暖空调热水系统项目是与大连冰山集团联合开发的。利热泵技术,从太阳、空气和电热中获取清洁能源,作到多能优势互补,从而达到减少常规能源费用的l/3,满足人们对采暖、空调、热水的普遍需求。同时,该系统实现太阳能、空气、电热等能源互补运行。系统节能且减轻环境空气热污染,降低城订了“热岛”效应。本项目为多利一高新技术的有机结合.其中包括:二级热泵技术、复合热泵技术、太阳能集热技术、小温差换热技术、变流技术、等压比运行技术等13项高新技术。系统具有显著的先进性和可靠性。该系统是特别为可供运动员居住的单元、会议室没计的太阳能热利用系统。
3.地板采暖系统
在三河生产基地进行了火量的太阳能地板采暖试验工作.也成功地为北苑示范基地的太阳能采暖进行了先期预研。系统采用了新型的直流式真空管集热器产生的热水,直接流经预置在地板下的管路,采用较少的能源即能使建筑物达到取暖的温度。通过各种测试,积累数据,使太阳能更有效地同节能技术相结合。
北京市太阳能研究所有限公司(原北京市太阳能研究所)将不断加强同国内外的合作,引进先进的技术和设备,以2008年北京奥运会为契机,加强太阳能利用项目。根据科技部、北京市等十部门共同推出的“奥运科技(2008)行动计划”,将太阳能光伏技术应用于奥运村、奥运公同、奥运场馆的用电、路灯、草坪灯、公共照明、绿地灌溉等,在奥运村和部分场馆使用太阳能空调和热水供应。
开发利用太阳能是一项远有前景、近在实效的事业。目前大多数太15fl能利用技术尚处于发展阶段,同其他能源建设相比,产业规模小且经济效益低,但其对。-J:改善能源短缺和环境污染的社会效益确是巨大的,因此需要各级政府给予更多的支持和宏观凋控政策的保护,根据各项技术的类型特点、应应用前景和获利能力,分门别类地研究和制定出棚应的财政、投资、信贷和价格补贴等方而的优惠政策。豇需要得到全体市民的认知、理解和支持。
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