光伏建筑中的能源管理.pdf
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1、国际电气工程先进技术译丛光伏建筑中的能源管理希埃琳娜帕帕佐普洛卢(Elena V.M.Papadopoulou)著 孙江宏 等译机 械 工 业 出 版 社本书讲述了在能源管理与定价过程中如何采取最优方法减少建筑中不必要的发电设备。本书采用了数据、表格及附图进行说明,并逐步介绍了规划设计光伏系统的方法和能源政策,使其可在住宅建筑和工业建筑中使用。特别关注了欧洲工业所提供的实例,探讨了创建能源系统所包括的:零能耗建筑;光伏发电技术;电网间的连接。本书通过从基础介绍到深层次的技术分析来探讨这一话题,不仅可为光伏系统领域的技术人员和研究者提供参考,同时也可以作为高校相关专业研究生的参考用书。Trans
2、lation from English language edition:Energy Management in BuildingsUsing Photovoltaics by Elena Papadopoulou.Copyright 2012 Springer London.Springer London is a part of SpringerScience Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社独家出版。版权所有,侵权必究。北京市版权局著作权合同登记 图字:01-2013-4243 号图书在版编目
3、(CIP)数据光伏建筑中的能源管理/(希)帕帕佐普洛卢著;孙江宏等译.北京:机械工业出版社,2015.9(国际电气工程先进技术译丛)书名原文:Energy Management in Buildings Using PhotovoltaicsISBN 978-7-111-50751-2.光.帕孙.太阳能建筑-能源管理.TU18中国版本图书馆 CIP 数据核字(2015)第 150045 号机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037)策划编辑:闾洪庆 责任编辑:闾洪庆 责任校对:陈 越封面设计:李 洋马精明 责任印制2015 年 8 月第 1 版第 1 次印刷169mm
4、239mm6.75 印张130 千字0001 2500册标准书号:ISBN 978-7-111-50751-2定价:58.00元凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换电话服务服务咨询热线:010-88361066读者购书热线:010-68326294010-88379203封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网:机 工 官 博: 者 序 新能源是当前能源领域最热门的话题之一,也是国家重要的战略组成部分。它是解决能源危机的重要手段,正在成为高速发展的产业。我国在该领域的发展投入巨大,但是尚缺乏系列化、科学化的引进,而且此方面的人才较少,所以国际上相关技术著作就成为此方面的最佳参考。
5、本书主要从建筑中的光伏能源管理出发,注重太阳能光伏技术的高效应用和环境保护,探讨了光伏产业的发展现状,针对光伏系统的技术转换、安装、设计与并网等,建立了一条线性产业链模型,对我国的建筑光伏管理可以起到很好的启迪作用。本书语言简练,思路清晰,技术应用与理论模型之间有很好的相互支撑,是不可多得的专业著作之一。本书在内容安排上由理论起,至并网结束,内容全面,实例丰富。其中,第1 章首先概述了能源管理基本情况;第 2 章简述了能源效率和能源存储;第 3 章引入了零能耗建筑概念;第 4 章分析了建筑集成光伏系统及控制单元;第 5 章介绍了建筑中的光伏系统;第 6 章开始探讨具体光伏技术,如硅光伏电池、系
6、统组件、建筑划分、并网规划等;第 7 章介绍光伏系统安装;第 8 章介绍了如何设计光伏系统;第 9 章介绍了电网间的连接。本书由孙江宏、王茂、李乐、牛晓辉、成佳蕾共同翻译,全书由孙江宏统稿整理,王茂完成技术审校。本书可作为新能源方向的工程研发人员的工具书,也可为高校相关专业研究生以及政策决策者提供参考。限于译者经验和水平,书中难免存在疏忽和错误,敬请广大读者批评指正。译 者原 书 前 言 建筑中的能源管理与能源效率优化的重要性日益提高。在当今电气时代,正面临着巨大的能源危机,电能需求和供给之间的差距也在日益扩大。当世界各国发现由于很难满足能源需求而导致减载或者其他能源质量问题很难处理时,能源管
7、理便成为一个重要议题。住宅区、商业区和工业区的高效能源需求可以减少能耗需求,这样不仅可以节省能源消耗费用,而且对保护环境也有着正面影响。能源管理对配电系统和发电系统有着同等重要的作用。智能电网管理和可再生能源集成正在成为高效能源管理的重要组成部分。写作本书的目的是通过关注这些问题、提升方法和技术来提高建筑中的能源利用效率,并减少能源消耗和使用光伏能源系统。减少能源消耗不仅对减排式的环境保护方式至关重要(例如减少温室气体的排放),而且对建筑能源监控问题也相当有利。可再生能源在居民区的快速发展以及负载管理的投入开启了为拥有大能源的并网多源系统中的终端用户提供能源管理的新型可能。这些问题具有高不确定
8、度和计算速度限制,而且需要新工具。此外,本书将探讨住宅区光伏系统的应用,并重点关注基本应用范围(经济上、技术上和管理上)和相关的能源管理模型。这就提出了一个问题:这种措施是否可以促进建筑中能源管理模式的发展。本书的结构安排在内容与设置上非常灵活。它既可以用于工程人员了解和掌握能源管理及光伏系统运行技术,也可以作为学生的教科书。本书叙述的初级能源管理系统和光伏系统运行已基本满足光伏系统基础课程的教学要求。同时,对于讨论特定主题的高级研修课程也具有足够的广度和深度。此外,本书既可用于本科教学,也适用于研究生教学。为清晰阐述主题,本书具有以下特色:1)数据和图表:用于深入阐述本书所介绍的概念和技术。
9、2)问题:每章结尾处的问题总结并且回顾了本章的内容要点。大多数情况下,这些问题都需要定性回答,同时提示读者重视需要仔细考虑的主要内容。3)设计和计算:用于屋顶光伏系统的安装操作。4)术语表:与光伏技术有关的专业术语。我要诚挚感谢 Springer 出版公司,同时特别感谢 Anthony Doyle、Claire Pro-therough 以及 Grace Quinn 的编辑工作。目录译者序原书前言引言1第 1 章 能源管理3第 2 章 能源效率和能源节约10 2.1 温室气体效益12 2.2 照明和机械系统14 2.3 HVAC 系统15 2.4 BMS 在住宅中的应用16第 3 章 零能耗建
10、筑18第 4 章 太阳能28 4.1 光伏技术30 4.2 薄膜组件特征31 4.3 光伏建筑一体化系统31 4.4 控制单元35第 5 章 建筑中的光伏系统36第 6 章 光伏技术41 6.1 硅光伏电池42 6.2 晶体硅和非晶硅43 6.3 主要系统元件45 6.4 连接建筑的光伏系统的分类46 6.5 建筑光伏系统离网发电46 6.6 光伏系统最大功率决定的连接结构46 6.7 环境问题47 6.8 电力回馈到电网48第 7 章 光伏系统的安装51 7.1 光伏电池板的定位54 7.2 遮挡调查56 7.3 遮光问题58 7.4 静力学材料和支撑材料58 7.5 电力变换器的放置区域5
11、9第 8 章 光伏系统的设计60 8.1 典型的光伏系统电气值60 8.2 温度60 8.3 光伏系统与逆变器之间的协作60 8.4 系统安装63 8.4.1 错误调查64 8.4.2 保护64 8.5 逆变器的接地65 8.6 接线66 8.6.1 交流侧68 8.6.2 标识68 8.7 建立光伏组件对高压和雷击的保护68第 9 章 电网间的连接70 9.1 建筑光伏系统的连接配置 电网70 9.2 安全须知73 9.3 光伏系统安装过程中降低触电危险的措施73 9.4 注意事项74 9.5 太阳能光伏系统容量75第 10 章 后记78附录81 附录 A 屋顶类型81 附录 B 术语表85
12、参考文献101光伏建筑中的能源管理引言能源管理为工业化国家和发展中国家提供了前所未有的减少由使用化石燃料带来的财政、健康和环境成本的机会。每年,全球范围内可利用的相关投资可达数十亿欧元。然而,实际投资却远远低于这个水平。这反映了当前节能投资环境缺乏经济上的吸引力。尤其对于经济迅速发展、能源消耗与日俱增的发展中国家来说,节水和节能设计一方面可以有效地控制日益增长的电厂和水处理厂的建设成本,另一方面也减少了未来的能源进口需求和化石燃料燃烧带来的健康与环境问题。光伏能源园区(juwi 集团)在过去的十余年中,欧盟国家对于可再生能源技术的热情不断增长。这带来了广泛的影响,包括:法律和财政方面的优惠措施
13、;多种潜在可再生能源并存;对环境问题的重视。节能改造远远比加装太阳能板更加有效。已经或者即将进行节能改造的建筑将在可再生能源装置安装时具有明显的优势。然而,对于可持续性/绿色建筑,人们仍然存在误解。人们认为可持续性建筑必然包含了一系列昂贵的高科技。现在的确有一些这样的试点。它们实际上导致更多的资金投入、能源消耗和对环境的影响。绿色建筑(可持续性建筑)指的是在建筑的整个生命周期过程中均使用节能环保措施:从设计、建设、运营,到维护、翻新、拆除。这大大拓宽了常规建筑设计中对于经济、能耗、耐久性和舒适度的考虑。虽然新技术的不断发展已有效帮助人们建设更加绿色的建筑,但是常见的绿色建筑的目标依然是减少建筑
14、对于人体健康和自然环境的整体影响。主要通过以下三点实现:节约使用能源、水资源和其他资源。保护住户健康并提高劳动生产率。减少浪费、污染和环境破坏。一个与绿色建筑相似的概念是自然建筑。自然建筑一般规模更小,并且通常就地取材。另一个相关话题是可持续设计和绿色结构。可持续性指的是在满足当代需求的同时又不破坏下一代满足需求的能力。但是,绿色建筑并不强调改造现存的建筑。然而,现代可持续性理念提倡对新建筑和改造建筑的综合化、系统化建设。同时,可持续设计需要将房屋的生命周期与设计过程中的每个绿色建筑实践相结合,以实现协同效应。绿色建筑使用了一系列的措施和技术来减少并最终消除建筑对于环境和人类健康的影响。通常,
15、对可再生能源的使用是关注的重点。比如,通过阳光获得主动和被动的太阳能及光伏技术,利用花草树木制造绿色屋顶、雨水花园,以减少雨水的流失。其他的一些技术也被用来调整对地下水的补给,如采用砾石填充或透水地坪来代替传统的混凝土或沥青等方法。在审美方面,绿色建筑的可持续设计讲求的是与周围的自然环境和景观融为一体。可持续建筑的建设有几个关键步骤:使用当地可得资源、减少负荷、优化系统、现场产生可再生能源。绿色建筑通常还包含了减少能源消耗的方法,既包括开掘、处理、运送和安装建材过程中的能源需求,也包括设备热电服务中的运营能耗需求。由于高效能建筑通常需要更低的运营能耗,使用的能源通常可以占到建筑生命周期能耗的
16、30%以上,也显得更加重要。为了减少运营能源使用,节能门窗和隔音装置通常被安装在墙壁、天花板和地板上来提升房屋的围护结构效果。另一种策略是被动太阳能建筑设计,通常使用在低能耗家庭。设计师将窗户、墙壁等准确定位,并利用树木遮挡窗户和屋顶,使建筑冬暖夏凉。此外,窗户位置的设计可以在白天增加室内亮度,减少对电灯的使用。太阳能热水器进一步减少了能源消耗。通过太阳能、风能、水能和生物能在现场产生可再生能源,可以显著减少建筑对于环境的影响。发电通常是房屋设计上最昂贵的部分。2光伏建筑中的能源管理第 1 章能 源 管 理全球能源和金融危机带来的衰退使得对能耗的有效管理更加重要。当然,对于建筑节能的关注还有其
17、他的原因,全球能源原材料储备正在枯竭。同时国际范围内为了防止气候变化而进行的减少能源浪费的努力也在不断升级。商业建筑和民用住宅是最大的电力消耗者以及温室气体排放者。因此,人们正在开展建筑能源管理计划以减少建筑能源使用,在节约用电的同时提高住户舒适感和生产率,以及在不影响人们生活水平的基础上改善环境管理。这些能源管理的目标对于家用设备的使用模式、每一种设备的能源使用,以及智能设备的运行和使用都有很高的要求(见图 1.1)。图 1.1 能源管理系统工作站设计国际能源机构(International Energy Association,IEA)预测,到2020 年,世界范围内家用设备的用电量将会增
18、长 25%。房屋所有者非常了解有效保护环境的重要性。他们更希望使用环境友好型的产品和服务,并为稀缺能源的保护做出贡献。能源是现代工业化社会的支柱。如今,欧洲的基础设施基本上还都在使用化石燃料。能源消耗按照用途不同可以分为三类:交通、建筑和工业。每一种基本占到世界总能源消耗的 1/3。同时,建筑领域的能源消耗约占欧洲总能源消耗的40%,并排放了大量的温室气体。另一方面,世界范围内对于气候变化的关注日益增加。欧盟也在京都议定书框架下批准了温室气体减排目标。现代建筑使用的复杂系统要求必须优化控制系统。在过去几年,情报学、微电子学和控制系统相关技术的趋同为能源和建筑自动化相关问题提供了创新型解决方案。
19、随着智能建筑进入其成熟期,一大批厂商正在为客户提供综合解决方案。故障检测与诊断(Fault Detection and Diagnosis,FDD)技术使得对多种系统不间断运行中产生的问题进行处理成为可能。建筑的能源管理是对能源的审慎和有效的利用。最重要的目标是节约能源,降低能源成本,在保证生活质量的情况下节约能源,并将对环境的影响最小化。能源管理系统通过控制能源消耗设备使其更加有效。能源管理系统可以减少10%的年均建筑总能耗。能源管理系统(Energy Management System,EMS)管理着建筑消耗能源以及建筑设备运转方式。从简单的设备开关定时器到复杂的计算机化中心设备管理控制系
20、统,符合这种定义的控制系统的复杂度各异(见图 1.2)。图 1.2 EMS 插件EMS 是一个由计算机辅助工具组成的系统。输电系统网络的操作员通过能源管理系统监视、控制以及优化发电机和传输系统的性能。监视和控制的功能被称为监控与数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA);优化的一系列功能则是“高级应用”。4光伏建筑中的能源管理这样的信息技术称为 SCADA/EMS 或者 EMS/SCADA。在这种叫法中,EMS并不包括监视和控制的功能,而是更强调能源网络应用的整套系统和发电装置控制以及规划应用。EMS 的生产商通常也提供相应的调度员
21、培训仿真(Dispatcher Training Simu-lator,DTS)系统。这项技术利用 SCADA 和 EMS 中的组件作为控制中心操作员的训练工具。当然,也可以通过非 EMS 的其他方式获得一套独立的 DTS 系统。自动的建筑控制系统的发展开始于 19 世纪 80 年代。最初的创新是配有手绕式弹簧驱动电动机的双金属恒温器。这种恒温器可以通过调整燃煤加热炉或锅炉的气流阀来控制环境温度。1890 年第一次出现了气动控制技术。现在,自动化节能控制已经成为标准惯例。事实上,所有的非居民住宅都使用了以计算机为中心处理器的自动控制器。这样的系统叫作能源管理控制系统(Energy Manage
22、ment Control System,EMCS)或楼宇自动化系统(Building Auto-mation System,BAS)。建筑所有者和设备管理者必须定期关注用计算机控制的能源管理,包括评价现行的系统、提出并使用新系统、评价服务合同条款或优化EMS 操作。EMS 也包含了为电动机械设备的自动控制和监视而设计的计算机系统。这些电动机械设备通常能源消耗很大,比如供热系统、通风系统和照明装置。使用范围可以从独栋建筑到建筑群,比如大学校园、办公楼、零售商店网络和工厂。多数 EMS 也提供水电气表的读表装置。得到的数据可以用于常规的自我诊断和优化,也可以用于产生趋势分析或年度消耗预测。EMS
23、平均可以节约 10%的每年建筑能源消耗。通常,能源管理系统通过控制设备来节省和管理能源,带来的结果包括:设备只在需要时运转。设备在最小需要能量上运转。峰值电力需求最小化。EMS 也可以通过监视设备运行数据来节能。这些数据可以被用来诊断、发现并处理故障。建筑管理系统(Building Management System,BMS)是基于计算机的控制系统装置。它可以用来控制和监视建筑中的机械和电气系统,比如通风系统、照明系统、能源系统、消防系统和安全系统。BMS 包含一系列的硬件和软件;软件程序通常以分级的方式组合起来,可以通过 C-bus 和 Profibus 等协议方式来实现专有方案。建筑能源管
24、理系统(Building Energy Management System,BEMS)市场,是发展中的大型建筑效能工业市场的一部分,也作为终端用户进行能源效能应用的一种廉价选择而蓄势待发。鉴于市场对于更轻、更便宜、也更严格的能源相关自动化和管理系统的需求,BEMS 市场既包括专用解决方案也包括通用解决5第 1 章 能源管理方案。这样的解决方案涵盖了从互动能源效率优化软件到预测需求侧和供给侧的能源管理构架等多个方面。BEMS 市场将在接下来的若干年继续保持强劲增长。与此同时,相关市场的投资商也不断向 BEMS 市场投资。这些投资商包括 IT 供应商、BMS 供应商、负荷缩减服务提供商(Curta
25、ilment Service Provider,CSP)和其他能源效率公司。在市场趋同的作用下,BEMS 提供的解决方案将变得更加复杂。在提供能源节约给终端用户的同时,这些用户也会再对能源效率应用进行进一步投资。此外,在 BEMS 上的投资收益也将变得更加有吸引力,因为成本在不断降低 在 BEMS 供应商为更多的建筑提供服务时,相关的执行模板会应运而生。展望 2016 年,许多需要进行组合管理的终端用户将会选择 BEMS 而不是更新BMS,因为这个选择更省钱,并且 BEMS 在技术上是有无限可能的(见图 1.3)。图 1.3 BEMS 控制BMS 在大型建筑中是最常见的。其核心功能是建筑内的环
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- 建筑 中的 能源 管理