北苑太陽能應(yīng)用示范工程摘要：北苑太陽能應(yīng)用示范工程集太陽能空調(diào)制冷、采暖、熱水工程、太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電和獨立發(fā)電于一身，是我國到目前為止太陽能利用最全的一個示范工程，在規(guī)模上也堪稱一流，故而稱之為中國太陽能第一樓。在中華人民共和國可再生能源法通過的今天，這個項目更具有現(xiàn)實的意義。

關(guān)鍵詞：太陽能應(yīng)用能源電力供應(yīng)

一、前言

穩(wěn)定可靠的能源和電力供應(yīng)是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)條件，是關(guān)系社會安定、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。

北京市委八屆四次會議提出了要“加強環(huán)境保護領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新”，“擴大環(huán)保產(chǎn)業(yè)規(guī)模，把北京建設(shè)成為環(huán)境保護模范城市和節(jié)能型城市，實現(xiàn)首都的可持續(xù)發(fā)展”。

在2000年北京市申辦2008年夏季奧運會的過程中，北京市太陽能研究所積極支持申辦行動，向北京奧申委捐資了五個太陽能電話亭和五個太陽能庭院燈，分別安裝在奧體中心、首都體育館和工人體育場，在國際奧委會的官員訪問北京時，對這些太陽能利用的產(chǎn)品特別感興趣，中央電視臺的轉(zhuǎn)播節(jié)目中也給予了特別的關(guān)注。

為了響應(yīng)北京市委八屆四次會議的號召，特別是為2008年北京奧運會的“綠色奧運、科技奧運和人文奧運”提供一個良好的范例，北京市太陽能研究所根據(jù)北京市發(fā)改委的安排，先期啟動了“北苑太陽能應(yīng)用示范工程”。該工程正好處于設(shè)計中的2008年北京奧運會奧運公園的東側(cè)，重點安排了可安裝在奧運村、奧運場館和奧運公園的太陽能利用系統(tǒng)，解決太陽能利用同建筑物結(jié)合，有效地利用建筑物和裝飾建筑物的課題，為在奧運場館和奧運村中使用太陽能光伏發(fā)電和光熱綜合利用積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，同時也為我國今后推廣應(yīng)用太陽能于建筑做出示范。太陽能應(yīng)用示范工程項目主要包括100千瓦太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和360千瓦太陽能空調(diào)制冷、采暖和熱水綜合系統(tǒng)。示范項目的實施充分可靠地展現(xiàn)了太陽能利用的魅力，為把首都建設(shè)成為環(huán)境保護模范城市和節(jié)能型城市，實現(xiàn)首都的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

與此同時，該示范基地也將建成我國最大的太陽能專業(yè)孵化基地，配備各種先進的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化設(shè)備，為使我國太陽能利用更上一層樓作出更大的貢獻。

二、項目的意義及必要性

1．意義和重要性

常規(guī)化石燃料的無節(jié)制使用和二十世紀七十年代發(fā)生的兩次石油危機，使得人們越來越清醒地認識到化石燃料資源遲早會枯竭耗荊根據(jù)我國現(xiàn)已探明可丌采的化石能源儲量的統(tǒng)計和使用這些能源的速度，可以預(yù)計，煤可以應(yīng)用的時間約為54-81年，石油為15-20年，天然氣的時間28-58年，核燃料使用的時間也不會超過百年，前一個數(shù)字是預(yù)測的估計，后一個數(shù)字是保守的估計。因此找到一條可持續(xù)發(fā)展的包括太陽能在內(nèi)的可再生能源等的新出路，將是我們避免人類能源短缺與枯竭的緊迫任務(wù)。

八十年代人們進一步認識到，化石燃料對環(huán)境的嚴重污染所導(dǎo)致的生態(tài)破壞、地球溫室效應(yīng)等正日趨嚴重地威脅著人類的生存。能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展面臨的兩大問題，制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展。

太陽能作為新能源和可再生能源的一種，是取之不勁用之不竭的潔凈能源。開發(fā)利用太陽能，對于節(jié)約常規(guī)能源、保護自然環(huán)境、促進經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活都有極為重要的意義。

2．國內(nèi)外發(fā)展概況

在太陽能熱利用方面，太陽熱水器技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域已從生活熱水?dāng)U大到泵水、采暖、制冷空調(diào)、海水淡化、工業(yè)加熱、熱發(fā)電等。上述諸多應(yīng)用中，又以太陽能采暖、空調(diào)以及生活熱水這樣的綜合應(yīng)用系統(tǒng)最具潛在的價值；它可以更為充分地利用太陽能，更為充分地實現(xiàn)建筑節(jié)能，更為充分地體現(xiàn)與建筑相結(jié)合。

利用太陽能提供采暖和生活熱水的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。利用太陽能提供空調(diào)，目前采用的主要技術(shù)方案則是太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)；．太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽能集熱器和吸收式制冷機兩大部分組成。隨著溴化鋰吸收式制冷機的商品化，太陽能吸收式空調(diào)技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展，意大利、西班牙、美國、德國、日本等國都相繼建立起不同規(guī)模的太陽能空調(diào)示范系統(tǒng)。

國內(nèi)在“九五”期間根據(jù)國家科委的安排，由北京市太陽能研究所承擔(dān)了“九五”國家科技攻關(guān)項目——山東省乳山太陽能吸收式空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用540平米的熱管式真空管太陽集熱器，空調(diào)、采暖面積為1200平米。該綜合示范系統(tǒng)為本太陽能采暖、空調(diào)以及生活熱水示范項目的實施，積累了寶貴的經(jīng)驗。

在太陽能光伏利用方面，近年來光伏技術(shù)一直保持著快速發(fā)展。從1998年開始，世界光伏市場更是出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面，年增長率保持在30～40％，2004年更是創(chuàng)造歷史的新高，增長率達到67％，年產(chǎn)量達到1253兆瓦。在各國減排行動和優(yōu)惠政策的拉動下，產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進一步加快。．

國際上各國都紛紛制定了光伏產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展的未來規(guī)劃。美國“百萬屋頂計劃”，德國政府在順利完成十萬天棚計劃之后，2003年又通過了新的光伏法案，日本的70萬戶并網(wǎng)發(fā)電計劃。除政府計劃外，各大公司業(yè)紛紛擴大產(chǎn)量，太陽能光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)正在騰飛，預(yù)測卸明年將達到年產(chǎn)量5300兆瓦。

光伏電池的應(yīng)用正在逐步從解決邊遠地區(qū)和農(nóng)村用電向全社會的替代能源過渡。國際上，光伏應(yīng)用的發(fā)展主要向兩個方向發(fā)展，一方面是以戶為單元的屋頂計劃，每戶安裝3—5千瓦的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。另一方面是向大型光伏電站發(fā)展。后者也『F在改變已往在戈壁、沙漠建設(shè)大型光伏系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念，丌始在都市的公益建筑物興建大型并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)，如在2000年悉尼奧運會使用了900多千瓦的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。在并網(wǎng)發(fā)電的同時，還要同建筑體融合，起到很多附加功能的作用。

從2001年開始，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)首次占據(jù)全球光伏累積裝機容量的一半以上，達到57％。2002年、2003年持續(xù)增長，2003年的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容量更占到當(dāng)年光伏應(yīng)用的87％。上述數(shù)字表明，在世界范圍內(nèi)太陽能光，伏應(yīng)用已經(jīng)從邊遠無電地區(qū)轉(zhuǎn)向都市的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

2004年是世界太陽能光伏發(fā)展關(guān)鍵的一年，我國的光伏產(chǎn)業(yè)也有了長足的發(fā)展。到2004年底為止，國內(nèi)太陽電池的生產(chǎn)能力已經(jīng)達到60兆瓦，光伏組件封裝能力超過100兆瓦。預(yù)計到2005年底，太陽電池的生產(chǎn)能力將達到180兆瓦，組件封裝能力將超過200兆瓦。這些都為國內(nèi)的太陽能光伏利用做好了基礎(chǔ)準備。

由于世界各國對環(huán)境和能源短缺的日益關(guān)注，持續(xù)發(fā)展必將成為今后建筑設(shè)計的重要指導(dǎo)思想。當(dāng)前，將太陽能熱水、空調(diào)和光伏發(fā)電應(yīng)用于建筑，并與建筑一體化的新型太陽能建筑已在歐、美和日本等國進行示范，公眾反響強烈?？梢灶A(yù)見，21世紀太陽能建筑在能源、環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展進程中將起重要的作用。我國有豐富的太陽能資源，在國家發(fā)展可再生能源戰(zhàn)略的指引下，太陽能在我國建筑中的應(yīng)用將成為建筑節(jié)能的重要組成部分。

三、項目內(nèi)容

光伏發(fā)電部分

1．引言

太陽能光伏發(fā)電由于資源無限、無污染和能把太陽光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽到y(tǒng)無運動部件、運行可靠、少維護、壽命長，且電能有宣于輸送、儲存的特點，因此它是太陽能應(yīng)用工業(yè)中最有前途的產(chǎn)品。

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力除供給負載外，若有多余，可反饋給電網(wǎng)。在陰雨天或在夜晚，負載可隨時由電網(wǎng)供電。因此，光伏系統(tǒng)不必配備蓄電池作為儲能裝置。這樣，可以降低系統(tǒng)造價，也可免除維護和定期更換蓄電池的麻煩。

由于有光伏系統(tǒng)和公共電網(wǎng)同時給負載供應(yīng)電力，兩路供電增加了供電的可靠性。夏季，由于空調(diào)、制冷、電扇等設(shè)備的丌動，形成用電高峰，而這時也是光伏系統(tǒng)發(fā)電最多的時侯，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以對公共電網(wǎng)起到一定的調(diào)峰作用。

光伏與建筑相結(jié)合的進一步目標是將光伏器件與建筑材料集成化。建筑物的墻采用涂料、馬賽克等材料，甚至為了美觀，有的還采用價格不菲的幕培玻璃，其功能僅起到保護內(nèi)部和裝飾的作用。若能將屋頂及向陽的外墻甚至窗戶材料都用光伏器件來代替，則既能作為建材又能發(fā)電，可謂一舉兩得。當(dāng)然，對光伏器件來說，同時還具有建材所要求的絕熱保溫、電氣絕緣、防水防潮、且有一定強度及剛度、不易破裂等性能。

2．前期的準備工作

為了使100千瓦太陽能光伏供電項目能夠順利實施，在北京市科委的支持下，先期安排了lO千瓦光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研制。通過10千瓦光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研制和示范，掌握了光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，特別是以逆變器為核心的逆變技術(shù)、最大功率點跟蹤技術(shù)、并網(wǎng)同步控制技術(shù)、并網(wǎng)安全技術(shù)及光伏系統(tǒng)的設(shè)計和安裝等，這些擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)為進一步擴大光伏并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用打下了堅實的技術(shù)基矗該項目于2003年通過了北京市科委組織的驗收和鑒定，并獲得了2003年北京市科技進步三等獎。

3．100千瓦太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

100千瓦太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所采用的太陽電池組件包括單晶硅、多晶硅和CIS薄膜太陽電池以進行對比性實驗。

光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，有著巨大的市場潛力。太陽電池組件的成本也在不斷地下降，與光伏稍結(jié)合的建筑物會如雨后春筍般地出現(xiàn)在我們的身邊，光伏發(fā)電也必將在藩斃源結(jié)捅牛占有相當(dāng)重要的地位。在太陽電池的應(yīng)用中，太陽電池的成本約占系統(tǒng)成本的一半，其他部分包括逆變器、控制器、蓄電池等占據(jù)了另一半。為了進一步降低成本，以達到太陽電池的地面大規(guī)模應(yīng)用目標，進行應(yīng)用研究變得十分重要。特別是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究將使控制部分變得簡單，省去了大量的蓄電池(同太陽電池20-25年的壽命相比，蓄電池的壽命約為5-8年，在太陽電池的使用過程中需要多次更換和修理)的費用，因此可以使太陽電池的應(yīng)用成本進一步降低。本項目主要研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和戶用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，同時適當(dāng)?shù)剡M行獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究。整個的光伏發(fā)電系統(tǒng)由四部分組成：

80千瓦并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要是為在奧運場館中使用做準備：

lO千瓦并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要是為在奧運村的別墅中使用做準備：

4．5千瓦．戶用并網(wǎng)系統(tǒng)，主要是為太陽能光伏屋頂項目做準備；

6千瓦獨立和并網(wǎng)發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)，為在西部無電村光明工程弱雌備。

2)研究內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵

·并網(wǎng)逆變器是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此主要研究內(nèi)容也將主要圍繞電力電子逆變技術(shù)進行。

·80千瓦、10千瓦和4．5干瓦太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究：

·太陽電池方陣的組合優(yōu)化研究；

·不同規(guī)模的戶用獨立電源系統(tǒng)

·太陽電池組件和方陣的運行特性研究：

·在建筑物的南側(cè)布置50千瓦太陽電池組件，樓頂布置50千瓦太陽電池組件，與建筑物結(jié)合的研究；

·計算機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

一為確保光伏電站長期穩(wěn)定工作并進行科學(xué)管理，配備微機監(jiān)控系統(tǒng)對光伏電站各種工作參數(shù)和運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，并對各個設(shè)備環(huán)節(jié)進行協(xié)調(diào)控制。

·配置顯示板，顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括整個系統(tǒng)的瞬時功率、工作總時數(shù)、累計發(fā)電量等參數(shù)。

太陽能熱利用部分

太陽能熱利用部分包括太陽能空調(diào)制冷、采暖和熱水工程綜合系統(tǒng)，戶式中央空調(diào)采暖和熱水系統(tǒng)，以及地板采暖系統(tǒng)。

1．太陽能空調(diào)制冷、采暖和熱水工程綜合系統(tǒng)

1)概述

隨著生活水平的不斷提高，人們對生活環(huán)境舒適程度的要求越來越高，其中空調(diào)、采暖和熱水是三個主要方面。而這三方面目前均消耗著大量的常規(guī)能源，而且嚴重地污染著環(huán)境。因此利用取之不盡而又清潔無污染的太陽能來提供或部分提供空調(diào)、采暖和熱水所需的能源，不僅可以大大節(jié)省常規(guī)能源的消耗，同時又非常有利于環(huán)境保護。同時山于城市中采用常規(guī)空調(diào)越來越多，排出了大量的熱氣而形成熱島效應(yīng)，不僅嚴重污染環(huán)境，而且對城市的氣候也產(chǎn)生了不良的影響。

2)技術(shù)方案

系統(tǒng)采用了熱管式真空管太陽能集熱器與熱水型溴化鋰吸收式制冷機相結(jié)合的技術(shù)方案。系統(tǒng)主要由熱管式真空管集熱器、溴化鋰吸收式制冷機、儲熱水箱、儲冷水箱、生活用熱水箱、丌水箱、冷卻塔、風(fēng)機盤管、輔助燃油鍋爐、自動控制系統(tǒng)等幾大部分組成。

夏季，山太陽能集熱器向溴化鈍制冷機提供高達88℃左右的熱水，通過制冷機產(chǎn)升8℃左右的冷水，并通過風(fēng)機盤管向房問提供冷風(fēng)：冬季，由太陽能集熱器加熱成40～60℃左右的熱水，直接通過風(fēng)機盤管向房間提供熱風(fēng)：過渡季節(jié)，本系統(tǒng)作為太陽熱水器，可提供大量科研和生活用熱水：同時本系統(tǒng)還可全年提供丌水。

3)項目內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵

示范系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容：

(1)對太陽能空調(diào)綜合系統(tǒng)進行總體優(yōu)化設(shè)計，包括可供體育場館大型系統(tǒng)和可供奧運村使用的中小型系統(tǒng)：

(2)研冗太陽能與建筑的結(jié)合方式，尤其是與建筑物屋頂和墻面的結(jié)合：

(3)研究真空管太陽能集熱器與溴化鋰吸收式制冷機的合理參數(shù)匹配；

(4)研究太陽能集熱器陣列的優(yōu)化布置：

(5)研究太陽能空調(diào)綜合系統(tǒng)中的輔助能源設(shè)備和儲能設(shè)施：

(6)研制運行可靠、操作簡便的自動控制系統(tǒng)，并進行智能化：

(7)研究太陽能空調(diào)綜合系統(tǒng)的長期運行性能；

(8)對綜合系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性進行比較：

(9)研究開發(fā)太陽能空調(diào)綜合系統(tǒng)的設(shè)計軟件包。

本項目的技術(shù)關(guān)鍵：一是研究確定太陽能空調(diào)系統(tǒng)的最佳運行工況，以最大的太陽能收益及最經(jīng)濟的投資，獲得最滿意的運行效果；二是研究開發(fā)太陽能空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計軟件包，在輸入當(dāng)?shù)貧庀筚Y料、太陽能集熱器性能參數(shù)以及制冷采暖負荷等數(shù)據(jù)之后，就可以計算出所需太陽能集熱器面積、制冷機和輔助鍋爐額定參數(shù)、制冷采暖性能預(yù)示以及投資回收期等。

4)主要技術(shù)指標

(1)太陽能集熱器采光面積850平米

(2)制冷、采暖功率360千瓦

(3)熱水供應(yīng)能力(非空調(diào)采暖季節(jié))50噸

(4)空調(diào)采暖面積3000多平米

(5)太陽能保證率全年≥70％

通過近半年的試運行，各系統(tǒng)運行正常。2004年冬季的室溫保持在22C左右，滿足規(guī)定的采暖高于18℃的要求。

在太陽能空調(diào)制冷、采暖和熱水工程綜合系統(tǒng)中特別安裝了控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠自動運行，時時采集數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)的積累來確定系統(tǒng)的最佳運行工況，以最大的太陽能收益及最經(jīng)濟的投資，獲得最滿意的運行效果：同時研究丌發(fā)了太陽能空調(diào)采暖系統(tǒng)的設(shè)計軟件包，根據(jù)氣象資料、太陽能集熱器性能參數(shù)以及制冷采暖負荷等數(shù)據(jù)之后，優(yōu)化太陽能集熱器的面積、制冷機和輔助鍋爐等額定參數(shù)，進行空調(diào)制冷、采暖性能預(yù)示以及確定投資回收期。

2．戶式中央采暖空調(diào)熱水系統(tǒng)

針對獨立分散式化宅對采用空調(diào)越米越迫切的需求，采用太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)在夏季作為空調(diào)用的冷源，冬季作為采暖用的熱源，全年提供生活熱水的模式，與現(xiàn)有的常艦系統(tǒng)相比可明顯減少運行費用。利用太陽能的二級水環(huán)復(fù)合熱泵驅(qū)動，戶式中央采暖空調(diào)熱水系統(tǒng)項目是與大連冰山集團聯(lián)合開發(fā)的。利熱泵技術(shù)，從太陽、空氣和電熱中獲取清潔能源，作到多能優(yōu)勢互補，從而達到減少常規(guī)能源費用的l／3，滿足人們對采暖、空調(diào)、熱水的普遍需求。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能、空氣、電