第1章　绪　论

1.1　绿色能源

1.1.1　可再生能源介绍

1.1.1.1　太阳能

太阳是一个巨大的能源，其总辐射能量约为3.75×1020MW。虽然太阳辐射到地球大气层的能量仅为总辐射能的22亿分之一，但却高达1.73×1011MW，相当于每秒5×106t标准煤燃烧产生的热量。我国太阳能资源非常丰富，各地太阳年辐射总量在3340～8400MJ/m2。

太阳能有光电和光热两种利用形式。

（1）太阳能光电

太阳能板利用光电转换单元将光能转换为电能并向用电负荷供电，太阳能电池板产生的直流电通过逆变器转变为交流电，然后向用电负荷供电，同时多余的电量又通过控制器向蓄电池组充电，如图1-1、图1-2所示。太阳能发电可应用于单户或大型公共建筑。过去，光电技术费用较高，然而2012年10月26日，国家电网发布了《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》。自2012年11月1日起，国内分布式光伏发电项目可享受全程免费的并网服务。该服务的适用范围包括位于用户附近、所发电能就地利用、余量上网、以10kV及以下电压等级接入电网且单个并网点总装机容量不超过6MW的情况。

图1-1　太阳能光电利用原理

图1-2　太阳能光电利用系统

以德国的Helitrope为例，如图1-3所示，该项目的最大特点为房子自身可以绕中轴随太阳旋转360°，采用太阳能光电系统，在正常的太阳日下，该住宅自身每天能产生120kW·h的电能，而维持住宅运行每天所需的能耗仅为20kW·h，这远远低于住宅所产生的能源。Schlierberg的能源过剩住宅（图1-4）距Helitrope不远，该建筑中太阳能光电系统的模块铺满朝南的每一寸屋顶，住宅每年能制造5700kW·h的能源，远远超出了住宅自身的能耗。尽管太阳能光电系统造价很高，但从长远看，它的经济效益是可观的。在一个4口之家，一年的基本能耗，包括基本的供暖、热水和用电为3400kW·h，而用太阳能光电系统每年制造5700kW·h的能源，这样，每年就有2300kW·h的过剩能源。

图1-3　Helitrope

图1-4　Schlierberg

（2）太阳能光热技术

太阳能光热技术分为太阳能热水（如图1-5所示）和太阳能供暖，其中太阳能供暖也可分为主动式和被动式。太阳能光热技术利用集热器充分收集太阳能加热循环管路中的水进而进入用户用水口，集热器包括不同的结构形式。目前集热器包括平板型太阳集热器（如图1-6所示）、真空管太阳集热器（如图1-7所示）等。

图1-5　太阳能热水系统

图1-6　平板型太阳集热器

图1-7　真空管太阳集热器

采用太阳能热水器可节约煤、电等能源，并能相应减少以上商品所带来的直接或间接的CO2排放量，通过计算可得，集热器面积为8960m2，其年减排量达到13000t CO2，该数据充分反映了利用太阳能所带来的生态效益。

利用太阳能供暖的主要形式包括主动式和被动式。被动式太阳房常见类型：直接受益式［图1-8（a），图1-8（b）］；集热蓄热墙式［图1-8（c），图1-8（d）］；附加阳光间式［图1-8（e），图1-8（f）］；屋顶集热蓄热式［图1-8（g）］；热虹吸式［图1-8（h）］。

图1-8　被动式太阳房常见类型

①直接受益式　直接受益式是被动式太阳房中最简单也是最常用的一种。它是利用南窗直接接受太阳能辐射。太阳辐射通过窗户直接射到室内地面、墙壁及其他物体上，使它们表面温度升高，通过自然对流换热，用部分能量加热室内空气，另一部分能量则储存在地面、墙壁等物体内部，使室内温度维持在一定水平（如图1-9所示）。

图1-9　直接受益式太阳房

为了使采暖房间在冬季有较高的室内平均温度和较小的气温波动，采用这种方法时，房屋南向安装较大面积的玻璃窗，同时要求门窗密封性能较好并配有保温窗帘。另外，外窗结构选用具有较大热阻、蓄热性能较好的材料，方便收集太阳能并减少热损失。

②集热蓄热墙式　集热蓄热墙式被动太阳房是利用南向垂直集热蓄热墙吸收透过玻璃的太阳辐射热，并通过传导、对流及辐射等方式，将热量传入室内。集热蓄热墙通常是由蓄热性能好的混凝土、砖、土坯等装置构成。墙的外表面一般有一层黑色或某种暗颜色材料，以便有效地吸收太阳光。集热蓄热墙的形式有很多，有实体式、花格式、水墙式以及相变材料集热蓄热墙式等（如图1-10所示）。

图1-10　集热蓄热墙式——特朗布墙

有的蓄热墙体上、下两侧分别开有通风孔。集热蓄热墙通过两种途径将太阳辐射热传入室内：其一是通过墙体热传导，热量从墙体外表面传入墙体内表面，然后通过墙体内表面与室内空气的对流换热把热量传给室内空气；其二是由被加热后的夹层空气通过和房间空气之间的对流，把热量传给房间。两种途径都可以达到采暖的目的。

③附加阳光间式　附加阳光间式被动太阳房是直接受益式和集热墙式太阳房技术的混合变形。其建筑的基本结构是将阳光间附建在房间南侧，因此称为“附加阳光间式被动太阳房”。它由两部分组成，即阳光间和主体房间，中间隔墙为蓄热墙。白天，太阳辐射透过阳光间的玻璃，一部分直接透过隔墙上的门窗开口进入主体房间，另一部分照射到墙上存储起来以热传导和对流换热的方式将热量传递到相邻的房间；晚上，关闭门窗或者孔洞、拉上窗帘后，热量传递方式就仅有热传导。附加阳光间如图1-11所示。

图1-11　附加阳光间

主动式太阳能系统是靠常能（泵、鼓风机）运行的系统，由集热器、蓄热器、收集回路、分配回路组成，通过平板集热器，以水为介质收集太阳热。吸热升温的水，储存于地下水柜内，柜外围以石块，通过石块将空气加热后送至室内，用以供暖。如将蓄热器埋于地层深处，把夏季过剩的热能储存起来，则可供其他季节使用，如图1-12所示。

图1-12　太阳能与地源热泵结合采暖系统

太阳能溴锂真空超导系统是利用太阳能为热源，以溴锂真空超导暖气片、溴锂超导空调为散热体，其工作原理是太阳能集热管把水加热，热水进入超导暖气片内激发超导暖气片内的超导介质气化，以声速传递热能，3～5min即可将整个系统加热到80℃以上（温度可自控），同时可提供生活热水，节省能源，使用寿命可长达50年，如图1-13所示。

图1-13　真空超导（太阳能）采暖、冷暖空调、生活热水系统

1.1.1.2　风能

风能（Wind Energy）是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能源，属于可再生能源（可再生能源包括水能、生物能等）。风能资源取决于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。

大连地区地处第三类风功率密度，风能密度在100～150W/m2，大于等于3m/s和6m/s的风速全年累积时数分别为5000～7000h和3000h。以辽宁地区风资源最差的明阳为例，若在当地沿海使用支架高10m、直径10m的小型风力机作为工农业生产的动力，假设每台风力机对风能的利用率为0.3，则每台风力机产生的电量将为16658.3（kW·h）/a。因此在辽宁地区利用风能的潜力是巨大的。