太阳能发电技术论文范文

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太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solarcells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"光伏--建筑(照明)一体化"技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。

1太阳能发电原理

太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。

1.1太阳能电源系统

太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。

(1)电池单元：

由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有"光生电流"流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。

理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。

(2)电能储存单元：

太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

1.2控制器

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的"向日葵"式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。

1.3DC-AC逆变器

逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流

电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照

明负载频率f，额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。

2太阳能发电系统的效率

在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。几种太阳能电池的转换效率。

充分利用太阳能是绿色照明的重要内容之一。而真正意义上的绿色照明至少还包括：照明系统的高效率，高稳定性，高效节能的绿色光源等。

3.1发电--建筑照明一体化

目前成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面(顶)、墙壁及门窗等，实现了"光伏--建筑照明一体化(BIPV)"。1997年6月，美国宣布了以总统命名的"太阳能百万屋顶计划"，在2010年以前为100万座住宅实施太阳能发电系统。日本"新阳光计划"已在2000年以前将光伏建筑组件装机成本降到170～210日元/W，太阳能电池年产量达10MW，电池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德国仅用一年两个月建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂，完全用可再生能源提供电力，生产中不排放CO2。工厂的南墙面为约10m高的PV阵列玻璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575m2的太阳能电池组件，仅此可为该建筑提供三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件造型、色彩、建筑风格与建筑物的结合，与周围的自然环境的整合达到了十分完美的协调。该建筑另有约45kW容量，由以自然状态的菜子油作燃料的热电厂提供，经设计燃烧菜子油时产生的CO2与油菜生长所需的CO2基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。BIPV还注重建筑装饰艺术方面的研究，在捷克由德国WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墙。印度西孟加拉邦为一无电岛117家村民安装了12.5kW的BIPV。国内常州天合铝板幕墙制造有限公司研制成功一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统(SPBS)，SPBS已于2000年9月20日通过专家论证。近日在上海浦东建成了国内首座太阳能--照明一体化的公厕，所有用电由屋顶太阳能电池提供。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。

3.2绿色照明光源研究

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0.引言

我国的光伏产业目前仍处在初级阶段，但近年来太阳能产业发展非常迅猛，特别是太阳能电池产品已成功进入欧洲市场。太阳能光伏技术也越来越多的应用于各个行业，大到工业，农业，国防，通信等领域，小至家居生活，光伏技术无处不在。而农业生产中光伏技术的应用还相对较少，传统农业温室大棚的能源方式：一是供暖炉，二是电网电能。这已远远不能满足现代农业生产高效，环保节能的理念，因此将太阳能光伏技术引入温室大棚控制系统是发展现代农业推动农业科技创新的必由之路。

1.太阳能光伏技术

目前太阳能发电主要有两种形式：一种是光热转换发电，二是光伏发电（Photovoltaic Generation，PV）。太阳能光伏发电是通过太阳能电池的福特效应直接将光能转化为电能过程。优点是不需燃料，无污染，节能、安全、无噪音、容易获取。近年来，在太阳能有效利用中太阳能光伏发电式发展最快最具活力的一种。

1.1太阳能光伏系统的应用领域及特点

太阳能是一种环保清洁的能源，我国的太阳能资源非常丰富，多数地区平均日照射量在4kwh/m2以上，地区可达7kwh/m2。我国的光伏技术应用还处于初级阶段，太阳能主要应用于太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电，太阳能卫星电池，太阳能路灯等。

太阳能光伏系统的特点：

优点：

（1）普遍性：是指太阳能在地球上随处都有，没有地域限制且不用开采运输。

（2）环保性：是指太阳能无毒，无害，清洁、绿色、环保，对于环境污染日趋严重的中国，是一种宝贵的资源。

（3）充裕性：太阳能每年到达地球的辐射量非常的充裕，相当于130亿万吨煤所产生的能量。

（4）长久性：科学家根据目前太阳产生的核能速率估算，太阳能的储量足够维持上百十亿年，地球的寿命也达几十亿年，对于地球人来讲太阳能的时间是长久的，无限期的。

（5）前瞻性：对于愈来愈枯竭的地球能源，太阳能无疑是最具开发潜力的绿色环保能源之一，从能源开发的意义上来讲太阳能的开发更具有可持续性和前瞻性。

缺点：

（1）分布零散：太阳能在地球表面每年的辐射量很大，但分布广，密度小，所以利用率低。

（2）稳定性差：太阳能的强弱容易受天气因素及昼夜交替的影响，所以稳定性较差。

（3）转换效率低，应用成本高：受材料和技术水平限制，多数太阳能产品转换率低，从而增加了其应用的成本，经济性一直是困扰太阳能普及的重要因素。

1.2太阳能光伏系统性能与组成

每个太阳能基片都是一个光电二极管，光伏发电是利用半导体材料的光伏效应，将太阳能转化为电能的一种形式。而第一个使用的单晶硅光伏电池（Solar Cell），是美国人在1956年研制成功的，从此就有了光伏发电技术。

太阳能光伏发电系统分为独立（离网）太阳能光伏发电系统和并网太阳能发电系统。独立太阳能发电系统是由光伏电池板，控制器和电能存储部件及逆变器组成的发电与电能变换系统。而并网太阳能发电系统，除了上述组件外还必须有并网逆变器与国家电网并网。

（1）独立太阳能发电系统的系统如下图1示：

（2）太阳能并网发电系统如图2所示：

图2 并网太阳能发电系统结构框图

其中光伏电池板第一代产品是由硅片为基础的光电转换系统，为了提高太阳能电池光转换效率，降低光伏电池生产成本，相继出现了基于薄膜技术的第二代光伏电池产品，这种产品使用很薄的光电材料附着在非硅材料的衬底上，降低了生产成本，适合于批量生产；进而第三代太阳能电池产品也将问世，它是以先进薄膜制造技术为基础的理论极限光电转化效率可达93%。主要有量子点、多层多结、染料敏化的太阳能电池、有机聚合物电池、纳米电池等。

电能储存部件主要是指太阳能蓄电池，太阳能蓄电池一般采用铅酸电池，常用的有DC12V，DC24V，DC48V三种，在微型系统中也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。蓄电池的主要作用是在有光照时将光能由太阳能电池板转换成电能储存起来，以备使用。

太阳能控制器主要对太阳能基板输出的电能进行调节和控制，把调整后电能分为两个途径输送，一方面直接送往直流负载或交流负载，另一方面将剩余能量送往蓄电池组储存，当太阳能基板发出的电能不能满足负载需要时，太阳能控制器便将蓄电池中储存的电能量送往负载。

太阳能光伏逆变器是光伏发电系统的核心设备之一，也称为DC-AC逆变器。在太阳能光伏发电系统中，可将太阳能通过太阳电池转化为DC12V、DC24V、DC48V的直流电能，通过光伏逆变器中的功率变换及控制系统转化为符合电网电能质量要求的110V或220V交流电。太阳能逆变器可分为DC-AC和DC-DC两种，可将太阳电池性能最大限度地发挥，并为系统提供强有力的保护功能。太阳能并网逆变器是光伏发电系统与国家电网并网的核心部件。

2.太阳能光伏系统在温室大棚控制系统的设计方案

2.1太阳能光伏技术在温室大棚控制系统中应用设计的背景和可行性

日本、美国、荷兰、以色列等国外农业设施栽培综合环境控制技术较先进的几个国家， 由于其地理位置、自然环境和经济基础不同， 其发展的侧重点也不同。

目前我国农业正处于从传统型农业向优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。要发展具有我国特色的温室自动控制系统，充分发挥温室农业的高效性，必须综合应用各种现代化控制和管理技术，通过各项设施的有效运作给温室栽培物创造最适宜的环境条件，最大限度的减少外界不利环境和气候条件对农业生产的影响， 获得作物最佳生长条件， 从而达到增加作物产量、改善品质、延长生长季节的目的。而面对现代社会能源日益枯竭的现实状况，开发利用新型能源已成为农业生产可持续发展的基本保障方式之一。

本设计针对中国北方天气干旱、日照时间充足的特点，将太阳能光伏技术引入农业温室大棚系统设计中，不仅可以解决系统的部分能源问题，而且可以提高现代农业生产的绿色、高效、节能环保进程。目前我国有些省份已经在一些地方率先使用太阳能并网发电系统，如无锡机场800kW屋顶光伏并网系统工程，镇江、丹江两个城市的2个4KW光伏并网系统等。从系统的可行性方面来讲，首先，中国是个农业大国，这种新型能源的在现代农业生产中的推广使用，将会为国家节省大量的资源；其次，中国的光伏技术近年来发展迅猛，光伏技术日趋成熟；第三，光伏技术在农业温室控制系统的应用，将能有效推动高效环保现代农业生产。第四，温室大棚多建在光照充足的区域，屋顶平坦，便于安装且空间充裕。

2.2光伏技术在温室大棚控制系统中的设计方案

2.2.1系统总体设计思路

本系统设计是基于PLC控制的农业温室大棚控制系统，通过PLC对温室中作物生长的环境因子光照、湿度、温度、CO2浓度等进行调节和影响，从而达到不同农作物生长所要求的环境条件。系统的输入控制因素主要是传感器所测试的光照、湿度、温度及CO2浓度，通过系统运算驱动执行机构动作（喷淋系统、遮阳网、补温系统控制、CO2补气控制、补光灯控制及通风系统控制等）来达到控制的目的。温室系统控制结构如图3所示：

2.2.2 温室能源系统创新设计

传统的温室设计系统，所有的电能均由系统电网供给。本设计将传统单一的电网能源供给，变为太能阳能光伏并网发电的形式，当阳光充足时，系统的电能有光伏发电系统供给，当夜晚、阴天光照不充足时，电网中的电能通过并网逆变器和控制器自动补给系统。系统设计拟用太阳能电池板、太阳能控制器和并网逆变器组成并网太阳能发电系统。并网逆变器同时兼有控制器和系统保护的功能。因为并网太阳能发电系统中蓄电池几乎不用，所以系统没有选用蓄电池。设计思路结构图如图4所示：

图4 温室光伏发电系统与控制系统结构图

光照充足时光伏发电系统产生的电能充足，逆变器自动给温室控制系统PLC及上位机、温室系统的传感系统（温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器等）、温室系统执行机构（遮阳帘、天窗、风扇、补光系统等）提供电能，因为系统是按照所有执行机构同时工作时的最大功率设计的，在同一时刻不是所有机构都同时工作，此时多余的电能由并网逆变器送给输电网；当光照不充足时，并网逆变器自动转换，系统将从电网中使用电能，此时转为电网供电状态。

3.结论

经过对北京农业科技学院的农业科技园和西北农林科技大学新天地设施农业开发有新公司的农业科技园的参观考察，获悉这些大棚系统设计均采用现代化先进的控制技术，设计理念新，工艺成熟，能源多采用输电网供给模式，设计中均未将光伏技术引入农业大棚生产中，其中最大的原因是成本太高。近年来，我国太阳能电池生产日趋成熟，二代、三代产品的相继问世，是太阳能电池的生产成本大大降低，但控制器和逆变器的生产技术尚不成熟，要实现高效的转换率，控制器和逆变器仍主要依靠进口。经过对国内外温室控制系统研究分析，结合现代农业高效清洁的理念，本设计有利于推动我国农业生产对清洁、环保能源的开发和利用，符合绿色、高效农业的先进生产理念。光伏太阳能技术以其永久性、清洁性和普遍性，必将成为我国现代农业生产的必由之路。

【参考文献】

[1]张立文，张聚伟.太阳能发电技术及其应用[J].应用能源技术，2010.3.

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与此同时,与太阳能有关的、相关的、无关的产业都冠以“太阳能”的桂冠遍地开花,导致国家在进行宏观调控时给这个产业整体“降了温”。叫停了部分具有一定污染的电石产业,但真正环保并可持续发展的光电产业仍可享受国家补贴。

在国家将节约能源确定为基本国策,大力提倡节能减排、发展可再生能源的今天,如何推动我国太阳能聚光式热能发电产业更好更快地健康发展是我们面临的亟待解决的重要问题。热能发电只需要太阳的光和水,是唯一可与化石燃料抗衡的技术,美国eSolra公司的技术做到了实质性的商业运行。

山东蓬莱电力设备制造有限公司于1987年成立,是为火力发电厂做辅机配套的民营企业,有自营进出口权。公司为高新技术企业,拥有多项专利,同时也美国硫化床锅炉配套的进口设备。公司国际部经过一年多的努力,将这项全球能源领域的先锋已商业化运行的热能技术成功地引进中国,此作为中国的总并在本厂制造,实现真正的国产化。

太阳能聚光热力发电技术的引进者王韬博士,身兼山东蓬莱电力设备制造有限公司国际部副总裁,曾担任美国斯坦佛大学的客座讲师,其论文曾在美国人类遗产学杂志、科学、美国科学院院报及多家专业周刊发表。

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中图分类号：TB857+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0380-02

0 引言

20世纪以来，随着科学技术、社会经济的不断发展，人民的物质生活不断提高，人们对能源的需求越来越大，然而在目前这个依然以化石燃料为主要能源支柱的社会中，由于石油等化石燃料的短缺而造成的能源危机屡次出现，并且由于现代科学、工业技术如此发达，也造成了环境的污染以及由于二氧化碳的排放导致了温室效应。对于目前人类来说，寻找一种干净无污染的新能源显得如此重要。

对于传统的内燃机旋转发电机来说，存在着效率低并且高排放等缺点，并且存在着中间机械传动机构，增加了损耗，降低了效率[1]，而采用斯特林发动机与直线发电机相结合，减少了中间的机械传动结构，使整个系统更紧凑、可靠，系统效率也得到大幅提升，相比于内燃机，斯特林直线发电机存在以下优点[2-4]：

（1）振动小、噪音低

斯特林发电机的工作腔与大气隔绝，压力上升的速率也不高，由于没有传动机构，所以运转十分安静，不必使用隔声或消音装置。

（2）排放低

斯特林发电机是外燃机，不像内燃机那样需要每个循环与外界交换气体，斯特林发电机的工作燃气一直保存在气缸内，而不需要与大气交换气体，因此它的排放很低，污染很小。

（3）结构简单

无需燃气压缩机， 无需排气装置，比内燃机少50%的零部件，维护成本较低。

（4）燃料选材广泛

连续燃烧加热允许使用最广泛的燃料和能源，其中包括气体、液体、固体燃料以及各种再生能源。同时还可以直接使用放射性能源产生的热量进行运行发电，这是其它原动机所不具备的能力。

（5）效率高

没有连杆、轴或轴承，只有滑动配合，由工质本身作为剂，因而有非常高的机械效率。一台输出功率为1kW的斯特林发电机，机械效率可达90%多；而曲柄连杆式发动机的机械效率一般只有80%左右。

斯特林直线发电机因其存在以上一系列优点而备受人们关注，也决定了它在工业中的各个领域有着广阔的应用前景。

1 工作原理

斯特林发动机是一种能以多种燃料为能源的闭循环回热式发动机，与传统的内燃机相比，斯特林发动机是一种外燃机，它是依靠外部的热源对其密封在机器中的工质进行加热，进行闭循环，就是说工作燃气一直保存在气缸内，而不需要与大气交换气体[5]。斯特林发动机在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间升到很高的温度和压力进行爆震去推动活塞，而是依靠外部的热源对其热膨胀气缸持续传热，由机器内部不断升温升压的工质去推动活塞做功，因此在工作时较内燃机要平稳，而且噪音要小很多，另外斯特林引发动机往维修需求较低，工作起来更高效、更安静、而且更可靠。

斯特林直线发电机的结构如图1所示，由斯特林原动机和直线发电机两大部分构成，通过斯特林原动机的动力活塞与直线发电机的动子相连接。斯特林原动机属于外燃机，在整个周期中为一个封闭的循环，主要由膨胀腔、压缩腔、配气活塞、动力活塞、加热器、冷却器、回热器和气缸这几部分构成。靠近冷却器一端的为压缩腔，而靠近加热器一端的为膨胀腔，而配气活塞的运动可以调整压缩腔与膨胀腔的气体的比例，斯特林原动机的工作是通过外部热源对于气体进行加热，从而使得膨胀腔内气体压力增大，首先推动配气活塞运动，使得压缩腔内的气体压力变大，从而推动动力活塞运动，带动直线发电机的动子运动而发电的。

2 国内外发展现状

十八世纪，由于当时蒸汽机工作很不可靠，并且效率很低，因此在1816年，英国人罗伯特？斯特林发明了斯特林发动机[6]，但由于当时缺乏良好的耐热材料以及人们对斯特林发动机的性能了解很少，以致及其的效率和功率都很低，因此到十九世纪中叶的时候，当高效率的内燃机出现后，斯特林发动机的研制工作就停止了。而再一次开始斯特林发动机的研制就要到二十世纪了，1938年，荷兰的飞利浦公司开始了现代斯特林发动机的研制工作，从20世纪的30年代至60年代，发展了现代的斯特林发动机，并用于发电、船舶、汽车、农业机械等领域。之后多家公司开始研究斯特林发动机，从技术继承上来讲，其中主要包括联合斯特林发动机公司（United Stirling）、考库姆斯公司（Kockums AB）、德国SOLO公司、美国STM公司（Stirling Thermal Motors.Inc）、美国SES公司（Stirling Engine Systems. Inc）等。欧美政府很重视斯特林发动机的发展和应用，尤其是将其应用于太阳能碟式热发电系统中。从20世纪70年代起，经过四十年左右的发展，现在美国的几十千瓦级的斯特林发动机技术已经很成熟了，而德国、瑞典等国家也有比较成熟的斯特林发动机技术。

美国Sunpower公司一直致力于对斯特林发动机的研究，1969年正式开始研究斯特林发动机，到现在，不管是作压缩机，还是作原动机用，都处于世界领先地位，而单从作为发电机的原动机用来看，产品应用于航天、军事、家用和工业研究等各方面领域。1984年Berchowitz D.M.就提出了斯特林发动机与直线发电机的一体化发电，并研制了一个3kW的样机，该样机运行时安静，并且清洁度好[7]。而在1993年的时候就将斯特林直线发电机应用在了电动汽车上。在1995年的时候，研制出了功率从1kW到10kW的斯特林发动机，燃料采用天然气[8]。同一年，研制出了一种水平对置的5kW斯特林发动机。而在最近十年里，2003年研制了一个35W的斯特林发动机用于太空能源应用中，并着手于提高效率和可靠性等方面，发电机效率为83%，系统效率为29%[9]。2005年，研究一种自由活塞斯特林直线发电机（FPSE）系统的控制方案，并将它应用于军事中，作为士兵随身携带的动力系统，原动机采用42W的自由活塞斯特林发动机，用来驱动直线发电机发电，输出额定功率为35W，经过AC-DC转化后，为用户提供28V直流电压[10]。同期，J.Gary Wood等人正在为NASA研究一种80W先进斯特林变换器作为航天中的能源供给用，该斯特林变换器热端温度能到850°C，当工作时温度比为3.0，功率密度为90W/kg时，整个变换器效率达到了40%[11-12]。2007年，James Huth等人研制出了以JP-8为燃料，可随身携带的35W的斯特林发电机系统作为军事中士兵的能源，整个系统重2.1kg，热能转换到电能的效率为21%[13]。Sunpower公司目前所研制的斯特林发动机功率从35W到7.5kW，几种典型的产品如表1所示，主要的还是1kW以下的，可以看出效率都高于30%。

3 斯特林直线发电机应用概述

由于斯特林直线发电机具有具有燃料来源广、效率高、污染小和噪音低等优点，目前已经应用于很多领域。斯特林直线发电机对燃料的适应性很强，可用能源除了煤、石油、天然气外，还可以利用太阳能、原子能、化学能以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的热能，而下面主要针对斯特林发电机利用太阳能、辐射能和生物能的应用进行介绍。

3.1 斯特林太阳能发电系统

太阳能热发电技术中最具发展潜力的是碟式太阳能高温发电技术，尤其是近几年碟式斯特林太阳能发电技术更是令世界瞩目，它具有光电转换效率高、耗水量低、发电方式灵活及可逐步规模化等特点[14]。

20世纪70年代末到80年代初由瑞典USAB、美国Advanced Corporation、MDAC，NASA及DOE等开始对现代碟式太阳能热发电技术进行研究。2006年，Infinia公司研制出一种“锅盖形状”的太阳能发电机，和别的太阳能发电技术公司的手段不同，Infinia使用了类似卫星电视天线样的碟形“锅盖”来搜集太阳热能，其它公司多半使用方形的太阳能面板，在吸收热能方面，碟形设计比传统的太阳能面板跟有效。普通的太阳能面板的光电转化率为12%到15%，部分面板能够达到22%，Infinia锅盖接收面板可以达到24%。

3.2 斯特林辐射能发电系统

在宇航探测中，由于环境的恶劣，对于传统的采用太阳能电池阵列和蓄电池来供电的系统有时在远离太阳的区域内，无法得到充足的太阳能来保证太阳能电池板发电，然而却有无穷无尽的辐射能供我们来利用，此时采用辐射能发电就体现出了足够的优势[15]。

美国宇航局（NASA）一直致力于研究斯特林发电系统在航天技术中的应用，研究了一种先进斯特林放射性同位素发电机ASRG（Advanced Stirling Radioisotope Generator）[16]。ASRG利用了Sunpower公司研制的先进斯特林变换器ASCs（Advanced Stirling Convertors），斯特林原动机带动直线发电机发电，该直线发电机采用的是一种动磁型的结构，而原动机采用Sunpower公司型号为EE-35的斯特林发动机，功率为35W，整个系统的功率密度接近100W/kg，ASC的温度比为3.1，工作频率为105Hz；当热端温度为1123K时，电机转换效率可达到38%。

3.3 斯特林生物能发电系统

斯特林发电机不仅能够利用太阳能、辐射能等能源，还能利用沼气、农业废弃物、废材等生物能进行发电，而这一点优势在广大的农村，乡镇企业、城镇家庭有着广阔的市场前景。

美国俄勒冈州科瓦利斯市废水处理厂于2004年应用55kw商业Stirling发动机建立了一座利用废水处理中产生的沼气发电的示范工程，解决了当地因担心使用内燃机发电系统会带来新的空气污染而不能被利用的沼气的问题。

4 结论

近年来，随着直线电机的发展，斯特林直线发电机得到了人们广泛的关注，斯特林直线发电机振动小、噪音低、排放低、结构简单、燃料选材广泛以及效率高等优点使得它在工业各个领域中也得到了更广泛的应用，随着技术进步和新材料的开发，斯特林直线发电机的性能还有得到进一步的提高，应用领域得到进一步的扩展，很可能成为21世纪一种主要的动力装置。

参考文献

[1] 李庆峰，肖进，黄震.自由活塞式内燃发电机仿真研究.中国机械工程.2009，20（8）：911-915.

[2] 朱辰元.自由活塞式热气机发电技术在世界上的发展.上海节能.2009（8）：6-11.

[3] 李庆峰.自由活塞式内燃发电机的研究.上海交通大学博士论文. 2011.

[4] 李庆峰，肖进，黄震.自由活塞式内燃发电机研究现状.小型内燃机与摩托车.2008，37（4）：91-96.

[5] 邹隆清，刘洪硕，邓十洲.斯特林发动机.长沙：湖南大学出版社.1985.

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作者简介：张涛（1981-），男，安徽阜阳人，三峡大学电气与新能源学院，副教授；武建瑞（1983-），男，陕西蒲城人，三峡大学电气与新能源学院，助理工程师。（湖北 宜昌 443002）

基金项目：本文系三峡大学教学研究项目重点项目（项目编号：J2011008）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0073-02

能源是人类生存和发展的重要物质基础，随着社会发展对能源需求的持续增长，以及能源短缺危机和全球环境的日益恶化，能源对人类经济与社会发展的制约和对资源环境的影响也越来越显著。[1]面对能源短缺危机和环境保护的双重压力下，必须通过能源利用新技术实现“开源”和“节流”。因此，大规模开发新的能源，大力发展高效、环保的电力工业成为解决能源问题的有效途径，培养这方面的人才对新能源的开发和利用具有重要意义。

三峡大学具有浓厚的电力行业背景，为了让三峡大学（以下简称“我校”）电气工程类专业学生了解新能源相关知识，“新能源发电技术”课程应运而生，它是电气工程及其自动化专业课程体系中一门重要的专业选修课程。该课程的讲授，能够帮助学生较为全面地了解和掌握新能源利用形式及其相关技术的前沿动态，有利于培养学生的创新思维能力。为了提高教学质量，结合电气工程类专业的特点，探索适合电力系统及其自动化专业课程授课内容和教学方法是十分必要的。本文将根据笔者近年来的教学实践，谈谈对该课程的教学改革与实践方面的几点体会。

一、课程教学存在的主要问题和矛盾

“新能源发电技术”课程是一门多学科交叉的课程，除了涉及电力和能源领域的知识外，还要求学生具有其他领域相关的知识，如课程中风力发电技术涉及空气动力学的相关知识，太阳能电池涉及的半导体材料的相关知识，生物质能中涉及的生物化学等相关知识等。[2，4]由于新能源发电技术的研究属于前沿科学，目前，我国部分高校的相关专业已开设“新能源发电技术”课程，但不同学科对该专业课程的教学需求不同，导致教材内容侧重点差异较大。该课程的建设中存在的问题较为突出，集中体现在：不同专业教材内容侧重点不同，缺乏适合电力系统及其自动化专业的教材；作为一门选修课程，学生重视程度不够；专业教学环节矛盾众多，包括课程与教材之间的矛盾，理论教学与实践教学之间的矛盾，教学目标与教学方法之间的矛盾等，这些都在很大程度上制约了“新能源发电技术”课程教学质量的提高。

对于电力系统及其自动化专业的学生，该课程需要涉及更多电气工程学科的相关知识，如电机学、电力电子技术、电力系统分析等专业知识。在新能源并网和储能技术中需要应用这些专业知识分析该研究领域前沿问题，有利于全面掌握新能源知识体系和培养学生分析问题的能力。由此可见，本课程内容丰富，知识点多，在该课程的建设中，需要根据专业特点，合理组织教学内容，让学生掌握晦涩难懂的外专业知识的，能利用本专业知识分析实际工程问题，激发学生学习该课程的兴趣，提高学生的综合素质，因此该课程的教学内容和教学模式的改革势在必行。

二、教学内容的改革

为了适应电力系统及其自动化专业学生的教学，在课程改革过程中，根据新能源发电行业现状和电气工程对新能源发电技术课程知识体系的需求，结合电力工程及其自动化专业的特点，精选教学内容，重新构建了新的课程知识体系，加强与电力系统及其自动化专业之间的联系。

根据新能源发电站接入电网的影响不同，将这些新能源技术分为两类：稳定性能源发电技术和间歇性能源发电技术。

一些新能源技术（如生物质能、地热能和常规水电）在接入电力系统方面和常规电力技术一样容易，除了一次能源的形式不同，转换成电能环节基本相同，都采用同步发电机进行发电，对电网的安全和稳定不会造成影响。因此，这部分新能源知识重点讲解各种新能源发电技术的基本原理，最新的发电技术的现状和动向，及在利用过程中对改善环境带来的好处，培养学生新的能源观念和意识。同时结合电网发展的最近进展，这些发电技术作为分布式电源接入电网时，如何规划电网，接入电网对电网的影响等方面进行适当的讲解，加强与电力系统知识的联系，提高学生学习的积极性，

由于受到季节、气象和地域等条件的影响，另一些新能源技术具有随机性、波动性和间歇性的特点，如风能和太阳能发电等新能源发电技术，在接入电力系统方面需要克服更多的挑战，其电力大规模并入常规电网会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响。这部分内容重点讲解与电力系统相关的技术，涉及到电机学、电力电子技术和电力系统相关的知识点。在间歇性能源并网过程中，电力储能技术可以补偿负荷波动，解决风能和太阳能等间歇式新能源发电直接并网对电网的冲击，调节电能质量，使大规模风力发电和太阳能发电能够方便可靠地并入常规电网。随着可再生新能源发电技术的快速发展，电力储能技术也是电力系统及其自动化专业学生必须掌握的知识，所以储能技术也是该课程知识体系的重要部分。

本文提出的课程知识体系目前还没有相关教材，为此，笔者较为系统地构建并编写适合电力系统及其自动化专业的“新能源发电技术”课程讲义，使之更符合电力系统及其自动化专业的教学。从两学期的试用情况来看，学生认同感增强，明确该课程是本专业不可或缺的重要选修课，重视程度显著提升，在教学过程中取得了良好的效果。

三、教学模式改革

选择合适的教学方法，能够提高课堂效率。教学内容的不同，授课的教学方法也需要相应的改进，为此笔者对教学方法也进行了改革，使之与课程知识体系相适应。

1.采用学术专题讲座的教学方式

“新能源发电技术”课程知识体系要求运用新的教学方法。每种新能源发电技术各自成章，自成系统，各部分内容均有很多前沿的技术，仅靠书本知识已经不能适应科技的进步。[5，6]因此需要任课教师补充相关发展的新动向和新技术，以学术讲座的形式进行讲授与课程相关知识点。讲解过程中，以具体的行业问题为背景，采取启发式的讲解方式，层层剖析问题，可以让学生在有限的学时内，掌握发电技术的发展现状、发电原理、利用方式、开发存在的问题和研究现状及动向。如地热发电、海洋能发电、生物质能发电、太阳能热发电技术，都可以采用讲座的方式进行讲解。同时在讲座过程中，增加学生提问环节，让学生可以积极参与，引导学生自主思考。

为了强化实践，在每一个专题授课结束后，教师通过布置与该专题相关的设计题目，让学生学以致用。比如让学生设计太阳能热电站，利用波浪能发电原理设计相应的波浪能电站，设计新农村综合利用生物质能的方案，设计垃圾发电站工艺流程等，作为分布式电源接入电网时，结合不同能源开发利用的特点对该地区新能源开发和电网结构做出合理规划，并给出理由。通过这些综合性设计作业，可以增强大家的创新意识和实践能力，激发了学生的学习兴趣和主动性，训练了学生分析问题、解决问题的综合能力，起到了非常好的效果。

2.基于问题的探究式教学方式

传统的讲授方式，可以系统地讲解，课堂容量大。风力发电和光伏发电技术涉及知识点多，知识点零散，因此需要教师合理组织教学内容，使其与所学专业知识相结合。为此笔者精心设计每一个教学环节，精讲多练。但传统的授课方式，学生被动接受，学习积极性不高。

为此，笔者采用基于问题的探究式教学方式，在教学的过程中，教师起引导作用，对课程中的知识点进行分析，提出基于问题的讨论题目；并分析学生需要掌握的知识要点，为学生提供必要的参考文献，让学生课后自己查阅资料，引导他们学会自己总结知识点，利用所学知识分析实际问题。而学生在课后根据自己的兴趣自愿选题，并分小组进行研讨，研讨后，该小组总结讨论结果。在课堂讨论中，每个小组推荐一名学生做交流发言，将自己的研究内容做简要汇报。学生互相提问展开讨论，老师进行有针对性的点评，肯定了学生们取得的成绩，对错误的地方进行了补充和纠正。[2]为了达到分组讨论学习预期效果，要求每个小组在上交的文献报告中，明确每个学生所做的工作和参加小组讨论的发言内容，督促每个学生都参与讨论学习。通过这种教学方式，充分调动了学生的积极性和主动性，也很好地完成了教学目标，促进了教学质量的提高，达到“授人以渔”的目的。

3.改进多媒体教学方式

由于该课程设计的专业知识具有跨学科的特点，有些知识点学生难以掌握，有些原理较为抽象。如风机的偏航过程、变桨过程、风机的失速原理、斯特林发动机的发电过程等都比较抽象，在没有实物演示的前提下，学生经常不容易理解。因此在讲这些课程内容时，采用多媒体动画演示的方法，帮助学生理解基本概念和知识，让学生更快更易地理解和掌握这些内容。

四、考试方法的改革

虽然在教学内容和方法上进行了改革，提高了学生的学习兴趣，激发学生的学习热情，但仍有不少学生选课和学习动机不端正。他们不是为了完善自己的知识结构，提高自己的综合素质，只是为了凑满学分，对选修课缺乏足够的重视。[6]传统的闭卷考核方式不能全面地反映真实的教学情况。撰写课程论文，成绩只与论文写得好不好有关，有的同学东拼西凑，也能获得一个理想的成绩。这些方式都难以督促学生平常的学习，因此仍需完善课程的考核方式。根据“新能源发电技术”课程的特点，笔者对该课程的考试方式做了合理的改革，促进学生学习，公正地反映了学生的成绩。主要采取了以下一些措施：

1.注重对学生平时的考查

增加课堂随机考查的次数。通过提问、课堂测验等方式，让学生在上课时能集中精力听讲，防止学生上课“开小差”。回答问题和课堂测验计入平时成绩。

2.增加撰写文献报告和大作业

基于问题的探究式教学方式中，撰写文献报告和小组讨论环节能够有效培养了学生查阅文献、撰写论文、发现问题、解决问题、独立思考的能力，因此能够较为科学评价学生平时的努力程度。因此，课堂讨论和小组讨论中，根据学生在该环节中的贡献不同给学生不同成绩，这样能起到督促学生学习和检验学生学习效果的作用。

作业是课堂教学的有效补充和延伸，是教学中必不可少的环节。大作业一般具有综合性的特点，能够有效锻炼学生的综合能力，巩固平时所学的知识，是反馈教学效果的有效手段。因此增加大作业和撰写文献报告在平时成绩中的比重也是考查学生平时学习的有效手段。

3.增加平时成绩的权重

平时考核成绩权重由原来的30%提高到目前的50%，有效地避免了学生平时不学习，考试时突击学习也能取得不错成绩的弊端，提高学生学习的积极性和自觉性。

通过上述措施的实施，经调查表明多数学生都认可这种成绩考核方法较合理、公正，能够真实反映学生的成绩，受到了多数学生的欢迎。

五、结束语

“新能源发电技术”课程是电气工程及其自动化专业课程体系中一门重要的专业选修课程。本文针对课程建设中存在的突出问题，构建了适合电气工程类专业的“新能源发电技术”课程的知识体系，合理组织教学内容，并根据授课内容提出了合适的教学和考核方法。通过课程教学改革，激发学生的学习兴趣，引导学生主动学习，培养了学生分析问题、解决问题的能力和创新意识，提高学生的综合素质，达到提高该课程的教学质量和教学效果的目的。

参考文献：

[1].对中国能源问题的思考[J].上海交通大学学报，2008，

42（3）：345-359.

[2]马明国，蒋建新.“生物质能源利用原理与技术”教学改革初探[J].中国林业教育，2009，27（4）：64-67.

[3]陈春香，李啸骢，梁志坚，等.“新能源发电技术”课程教学改革与探索[J].中国电力教育，2013，（5）：62，102.

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中图分类号：TM71文献标识码

目前，环境污染、生态破坏和资源短缺带来的直接或衍生影响和破坏危害问题日益突出，危害着人们的生存与发展。我国对能源的过度采伐导致诸如地面下沉、塌陷且还产生了大量的CO2和SO2等有毒气体严重污染环境，造成生态恶化。因此，在传统能源枯竭之际，太阳能成为人类利用的主要新能源之一。

一、太阳能开发利用

地球上的风能、水能、生物质能和潮汐能等都是来源于太阳。太阳能具有：储量的“无限性”、存在的普遍性、利用的清洁性和经济性等优点，是最理想的可再生能源。

目前，从利用形式、环保节能和造价方面，太阳能都比现有的利用煤炭和水力发电的形式都较经济和无污染行等特点，通过主动式太阳能设备和系统进行统一的管理和控制，已达到优化太阳能应用系统使太阳能得到充分利用，从而使建筑能耗最大限度的降低，此技术与目前国家政策相适应，促进经济的持续快速发展，保护生态环境，节能降耗，解决国内能源短缺等问题。

二、光伏系统与建筑结合的研究

（一）光伏建筑一体化

一体化是把建筑、技术和美学融为一体，不是两者的简单相加，而是二者的有机结合，改变了传统太阳能发电设备对建筑外观的影响。它是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是将太阳能光伏发电作为一种体系纳入建设工程基本建设程序中，同步的设计、施工、验收、使用和后期管理，是一种理念、设计、工程的总称。

（二）建筑结构对节能的影响因素

对建筑设计方面研究建筑体对节能的影响因素，其主要有以下几方面：

1.地理位置的影响

太阳能建筑应建在太阳能辐射丰富的地区，因此，在建筑选址时宜选在向阳的周围无遮挡的山地、坡地及位置较高的地方，以便于更好地接收太阳光，增大辐射量提高发电率。

2.建筑朝向的影响

从地理学角度来看：我国建筑一般坐北朝南：我国居住采光的朝向是南向的，这是因为我国位于地球北半部，一天中阳光大多数时间都是从南面照射过来。

3.建筑间距的影响

日照间距是影响太阳能建筑辐射量的重要因素。建筑类型、建筑朝向、用地地形、当地地理纬度位置等因素影响日照间距。其理想的间距：D≥Hctg。

4.建筑外形的影响

太阳能建筑一般采用的屋顶，这是因为光照条件不受影响，可自由接受太阳辐射。目前遮阳板常选择pv材质，其材料不但具有很好的遮阳功效，还能够光伏发电。

（三）在建筑设计中应考虑的因素

太阳能光伏建筑一体化是利用各种光伏电池特殊的特性与建筑进行有机整合，同时考虑环保、节能、美观、安全和经济实用等因素。建筑设计中应考虑建设造价、楼层高度、日光的控制、美学和冷却等问题的影响，建筑师在设计时就需要平衡、协调、解决彼此之间的矛盾。

1.美学要求

建筑应该从初步设计时就将太阳能系统作为建筑中不可或缺的元素加以设计，将其包含的各个部件融入建筑之中进行一体设计，使其成为建筑组成不可分割的一部分，以达到其与建筑物的完美结合的目的。

2.屋顶倾角的要求

太阳电池方阵倾角影响方阵面接受太阳的辐射量。固定的光伏方阵若倾斜面设计的未达到最佳合理角度，就需要靠太阳电池组件来补给。对倾角固定的屋顶满足负载用电的条件，而平屋顶要确定方阵的最佳倾角。

3.建筑形体的要求

太阳能辐射量集中在每天的9：00-16：00，地面反射对建筑的影响约为32%。所以，为了使太阳能辐射热量更多地获取，常把建筑墙体设计为东西轴朝向的长方体，正方形次之，南北朝向的长方体体型的建筑节能效果最差。

4.光伏系统及光伏组件的要求

将光伏系统和建筑这两个独立的系统有机结合，涉及诸多方面，如建材的隔热性、抗风、绝缘性、美观、抗老化能力以及强度和刚度等性能要求。

5.光伏建筑设计中应注意的问题

目前，对不同项目的不同情况在不断的改变，要使光伏建筑设计、结构和技术的问题达到一个平衡比较困难。为了把光伏系统与建筑能更好的整合，在设计时需要考虑如下一些因素：1.如何与建筑有机结合；2.如何增加建筑美感；3.光伏板色彩和肌理；4.注意通风降温设计、光伏板维修与扩容和建筑结构与光伏组件电学性能的配合等问题。

（四）光伏建筑的结合方式及应用

太阳能光伏建筑一体化按结合方式不同可分为：独立安装型和建材安装型。真正意义上的光伏建筑构件即可用做建材又可以发电，是光伏和建筑的完美融合。

1.与建筑外墙体结合

对于多、高层建筑，为了使墙面更多地收集太阳能。目前，常从墙体构造和材料两个方面分别考虑，将光伏板及玻璃幕墙集成为PV玻璃幕墙，即可屏蔽太阳的热辐射有效减低建筑墙体的温度，从而降低建筑物室内空调冷负荷；另外，也增加了太阳能转化为电能。

2.与建筑屋顶结合

光伏阵列安装在建筑屋顶可最大限度的接受太阳光辐射。同时，为了减少夏季屋顶的热负荷兼做屋顶的遮阳板，或者做通风隔热屋面，综合使用了材料节约了成本。

3.应用与建筑天窗

在新建或改造建筑中采用光伏板代替天窗玻璃。通过利用光伏采光天窗和中庭间接采光，白天可以减少或者完全不需电力照明，大大节约了电能用量，节约了运作成本。

4.其它建筑元素中的应用

建筑中遮雨篷、遮阳板、阳台等构件与光伏板集成一体化用于建筑构建，在满足美观性要求的情况下，建筑构件应满足工程技术规范要求。

三、结语

在太阳能光伏系统与建筑结合应用的调查研究的基础上，从技术和美学两方面考虑，分析与建筑集成的光伏系统技术性和光伏建筑美学性的设计，建筑与太阳能有机结合应考虑的因素和措施分析研究，从而得出上述方案措施，已达到解决如何将太阳能光伏系统与建筑更好地进行有机整合的目的，从而为其很好的运用提供一定的参考。

参考文献：

[1]唐莉芸.光伏发电系统在绿色建筑中的应用及其节能研究[D].华南理工大学，2012.

[2]郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究[D].合肥：合肥工业大学电气与自动化工程学院， 2004.

[3]候岱.太阳能光电技术在建筑节能中的应用研究[D].河南师范大学，2011.

[3]纪献兵.太阳能热发电技术[J].阳光能源，2005（4）：2-3.

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基金项目：国家级特色专业资助 XM1119

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号]

加强理论基础知识的学习、加强实验研究能力的培养、加强实践经验的积累，培养理论与实践经验相结合的应用型复合人才是全国各高校共同关注的焦点[1]。注重理论课程学习、实验操作训练以及工厂实习实践三方面结合，让本科生对所学知识，在理论理解的基础上通过对实物进行操作来对其工作原理获得更加深刻的认识。钱学森先生说过，理论、实验和计算是现代科学技术的三大支柱。而我们还将通过提供学生在工厂实习锻炼的这种课内外结合的机会，来培养他们的综合能力，增强对现代科学技术的掌握。以学生为本、传授知识、培养能力、提高素质、协调发展教学、实验、实习等阶段，构建有利于培养学生实践能力和创新能力的教学体系。

在规划过程中，坚持凝炼精品课程、创建学科特色优势、建设一流水平实验室、积极拓展与国内外高校及企业的合作交流。要求教学理念与改革思路[2]、教学体系与教学内容、教学方法与教学手段、教学成果与教学效果、实验队伍建设与规划、仪器设备与操作、管理体制与机制、实践场所与能力培养等诸多方面能协调发展，且在某一方面或几方面具有自己的特色。并使其与学科特色或实际应用特色等紧密相连。

1. 理论、实验、实习实践相结合

首先，理论知识的学习一定要贯穿于大学四年当中，通过方方面面进行灌输，例如专业课、专选课、公共选修课，甚至讲座、竞赛等等形式，循序渐进、由浅入深；其次，理论知识的学习与实验课操作、社会实习实践要紧密联系。课堂是传播知识的最佳场所，而实验室是立体的、更加形象的获取知识的场所，建设一流的专业和学科都离不开一流的教学手段与实验平台；同时还要走进车间、工厂等，经过实际锻炼加强学生对所学知识的深层次理解和掌握。在介绍基本理论的同时强调相应学科专业背景和基本概念，结合实际生活和工程中的例子来提出问题，通过实验操作来验证，最后经过实习实践锻炼进一步加深认识[2]。这样，原本可能枯燥的理论学习变得生动有趣，也使同学们仿佛重温一次前辈科学家们从实验出发建立科学理论的过程，在学习知识的同时培养了发现问题、分析问题、解决问题的能力。反过来，在实验教学或实习过程中，也引导同学们进行机理探讨，将观测到的现象、规律上升到理论高度。一所高等学校的课堂教学水平、实验室建设水平以及社会实践水平，已不仅仅是高等学校办学实力的象征，也是决定学校人才培养质量的重要因素之一，是教学水平、科研水平和管理水平的综合体现，更是学校可持续发展的重要资源与支撑，在培养高素质人才、出高水平成果、提供优质服务等方面已经和正在发挥不可或缺的作用。

2. 计算机模拟作为辅助

其次，部分专业经过理论课程、实验课程讲授之后，还可通过利用计算机来丰富教学过程。通过改革原有理论教学课程、设置新型实验课程增加新型实践教学环节、创建新的教学模式、构建网络管理与计算机模拟等方式，构建以学生自主学习为中心的教学模式，全面实现因材施教立体化、多层次的教学体系。在一部分教学中设计并应用了虚拟教学软件、计算机模拟软件等作为教学的补充和辅助工具。掌握理论知识的基础上，运用计算机模拟和实际实验操作相互配合提高了教学效率和教学效果，为发展学生的科学想象力和创造力提供了更为广阔的空间，促进了学生对问题的思考和掌握。

3. 积极参与科技创新竞赛

再次，我们着眼于学生自主知识创新、意识与能力的培养，课内理论、实验与课外研究的结合，规定学习内容与科技竞赛活动、科技项目和实践相衔接，为学生自主设计、自主进行科研创新创造条件。对于感兴趣并想通过科技创新竞赛来提高自己的学生，相应的提供了自主发挥的机会。这样，学生的科技想象力得到了发挥，科技创新的潜力与激情得到开发与培养。每年都有一批有特色的学生科技制作和设计在全国大学生创新竞赛、电力杯竞赛等中获奖。学生自主设计创新实验目前正在扩大，渐渐面向所有感兴趣的同学，并且通过赛前的动员与方案征集，赛后的评奖观摩，营造了整体的科技创新氛围，提高了全体同学的科学素养和创新能力。与此同时，结合大学生科研训练计划、优秀生培养等措施[3，4]，建立该平台面向本科生开放的机制，营造本科生、研究生共享的高端实验硬件平台。

4. 科学研究小论文的作用

最后，重视课堂交流与沟通，重视实际操作中的难题与解决能力，提倡对理论、实践过程及内容进行总结，鼓励写科技创新感想、科学研究小论文等，根据不同情况进行综合考核。学生在写创新感想、研究小论文的过程中，会对自己亲自参加过的科技制作进行一个整体、全面的总结，并且也是一个从头至尾进行思考的过程。在这个过程中不仅会更深层次的理解自己的创作，还可能会发现一些新的创新点或者需要改进的地方，无疑对于学生是一次真正的进步，而不是做完科技创新作品就相当于完成了任务，还需要重新思考、理顺整个思路。与此同时，还可以阅读一些其他的科研小论文，来增强、扩展自己的思维能力。因此，除参考考试成绩、平时作业、回答问题情况、动手能力等考核依据之外，对利用实验实践课程知识参与科技制作和竞赛的学生采用加权评分，对提交或发表科技创新感想、科研小论文的学生根据实际情况进行加分等。

5. 相关专业的结合

在华北电力大学可再生能源学院，以太阳能工程为主的能源工程及自动化专业是理论与实际相结合的一门学科。通过讲授各种太阳能光伏材料、光伏发电的基本理论知识，开设光伏材料制备、测试等操作实验，最后通过认识实习、金工实习、毕业实践等环节培养应用型人才，培养社会主义建设需要的基础扎实、知识面宽，具有较强实践能力和良好发展潜力的高级专门人才。学生毕业后能够从事太阳能光伏发电系统的设计、规划、制造、施工及运行管理；太阳能电站/厂的规划、设计、施工、运行与维护；光伏系统集成产业的技术与管理工作；太阳能发电项目投资等太阳能发电专业的技术与管理工作，并能从事其它相关领域的专门技术工作。通过理论课及基础实验课，训练学生正确掌握各种光伏材料分析测试的基本方法和基本技能，掌握光伏材料的电学、吸收和发光等基本特性的分析方法，掌握光伏材料的基本性质，灵活运用所学理论知识解释实验现象和实践中遇到的问题。通过组织实习、工厂实践，印证并加深理解所学的理论知识，培养学生驾驭实验、设计和创新实验的能力，熏陶学生的学习自觉性以及科研意识和团队精神，养成学生良好的学习风气、实验实践习惯和严谨的科学态度。理论学习之外，营造一个全方位、多功能、生动、开放的观摩、实习环境，供学生方便、快捷的了解和掌握光伏材料制备及光伏发电技术的基本方法、基本操作技能和基本原理等基础知识，逐步培养学生良好的创新思维、实践能力和严谨的科学态度。同时也注重引导学生将实验中所获得的感性认识与所学理论知识联系起来，初步培养学生选择和配套仪器进行实验研究工作的能力、独立分析问题及解决问题的能力，并且进一步培养学生对这门学科的兴趣，形成以实验、实践支持教学、带动教学，保持内容的先进性，构建科学的教学体系。

能源工程及自动化专业坚持太阳能光伏发电的时代性和综合性的特点，将理论教学方向与国家能源需求与社会经济发展需求相结合，继续推动理论教学改革，完善现有理论教学体系，使其更能与时展相适应。与此同时，将继续加大对实验教学及其条件的投入，加强实验中心的软硬件设施建设，与更多著名企业合作，扩充、新建实验室，对现有设备、软件进行补充。并且还要加快信息化的步伐，完善计算机仿真及模拟等技术平台，增加计算机在知识学习中所能起到的作用，向智能化方向发展。不仅如此，也在积极研究国内外知名大学理论、实验、实践教学的特色，积极借鉴国内兄弟院校和国外著名高校教学理念和管理经验，积极参加国内外教学研讨会，开展与国外知名大学的教学交流活动。能源工程及自动化专业还有一支稳定、高素质的教学教师队伍。高素质、高水平的教师和技术人员是开展综合性、设计性和创新性教学工作的关键。按照华北电力大学提出的“博士化、工程化、国际化”师资队伍建设理念，打通理论教学、实验教学、实验技术人员的界限，培育现有师资、有计划地引进部分年轻教师，逐步形成经过工程化训练、了解国内外知名高校先进教学模式的、年龄结构合理的教师队伍，形成教学、科研、实验、实践等方面有机结合的高水平教学科研团队。

6. 小结

综上所述，通过将理论教学、实验操作、计算机模拟、实习锻炼、创新竞赛等环节紧密结合，培养基础理论扎实、知识面宽、实验实践能力强、综合素质高、发展潜力大、具有较强科技创新能力和良好科研发展潜力的复合型人才。与此同时，结合华北电力大学可再生能源学院能源工程及自动化专业的优势，培养高级光伏发电技术与管理人才以及具有国际竞争力的创新型专业人才，为中国光伏发电产、学、研机构和政府管理部门提供领军人才和重要学术骨干，为国际光伏发电行业提供高水平光伏发电技术与管理人才。

参考文献

[1] 严军. 创新第二课堂教学模式，提高大学生综合素质[J]. 东华大学学报（社会科学版），2010，10（2）：100-105.

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中图分类号： TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-06-0306-1

0 前言

建筑能耗一般指建筑在正常使用条件下的采暖、通风、空气调节和照明所消耗的总能量，不包括生产和经营性的能量消耗。随着经济的快速发展，常规能源日益匮乏，节能环保已成为世界公认的主题，各国都在推行全方位降低能耗，因此零能耗建筑在全球范围内应用而生。在建筑零能耗风靡全球的时刻，也想谈谈自己的一些想法。

1 建筑能耗现状分析

我国约占全社会总耗能的46.7%，欧洲和美国约占全部能源消耗的40% ，如何全面提高能源效率，减少对日渐枯竭的传统一次性“矿物化石”能源依赖性已成为当务之急。其核心特点除了强调被动式节能设计外，将建筑能源需求转向太阳能、风能、地热能等可再生能源，为人们的建筑行为，为建筑与环境和谐共生寻找到最佳的解决方案。

建筑发展至今，建筑能源消耗从零走到了。随着常规能源的匮乏，我们需要在不改变现在建筑室内舒适环境的情况下，使常规能源的消耗从回归到零。

我们知道，创建绿色建筑，在建筑设计中要重点抓好自然通风、建筑遮阳、天然采光、门窗隔热、墙体保温、节能空调、太阳能利用、水循环使用、“3R”材料利用等“绿色技术”的推广应用，以实现建筑本身不消耗或少消耗常规能源、不产生或少产生废水废物、不无故浪费自然资源、不恶化自然环境的目标。

其中自然通风、建筑遮阳、天然采光、门窗隔热、墙体保温这些建筑节能技术已经很成熟了。在这些节能技术之上，如果想要保持一个舒适的室内环境，在室内外环境相差较大的情况下，我们必须要付出一些能量，这些能量除了正常的损耗外，其余供给室内，来达到我们要求的室内环境。因此，要想保持最终的目的不变，我们依然要付出能量，只是现在的能量消耗，要用太阳能、风能、地热能、生物质能等可再生能源来代替煤、石油等常规能源。下面分别就太阳能的利用和节能空调进行阐述，分析其对建筑零能耗的巨大作用及现实中利用的弊端以及我们该努力的方向。

2 太阳能的利用

太阳存在我们最普遍利用的两个方面：集热和光伏发电。国内的集热器已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。在中国，太阳能发电的成本是常规发电成本的6～8倍。无论对于企业还是百姓，如此高昂的电价谁都承受不起。

中国虽然是全球最大的太阳能电池制造基地，但目前用来生产太阳能电池的重要原料――高纯度硅材料，95%以上靠从国外进口，而且加工过程中的高精度、高耗能、高污染，使晶体太阳能电池的成本居高不下。另外，中国的太阳能蓄电池的使用寿命及使用条件的限制，使太阳能路灯的造价要比消耗普通电能多10倍以上，这还不包括更换蓄电池的费用。因此，在太阳能光伏发电的使用，配套设备的研究要跟上来，否则，“太阳能电厂”仍是都市里的“能源孤岛”，没有人敢效仿，因为一个自主发电、不消耗社会资源的企业，反而要为之承受消耗社会资源的成本。

3 节能空调

节能空调顾名思义，消耗掉少量的能源，获得最大能量的空调，那么在现实中，节能空调从哪些方面来改进呢，我个人认为从以下几个方面：

3.1 中国自主研制制冷新产品

这类产品要具有一定的技术创新和先进性，符合低碳、绿色、环保的原则，能实现无级调速的多样化控制，根据室内负荷变化自动调整电机转速，达到最佳节能效果，比一般的风盘系统节能65%以上，这样的制冷末端新产品可以直接来应用。

3.2 太阳能空调系统

太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机这两部分组成的。制得的冷量就是利用了太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水来提供的。但就使用过程中也存在一些问题：

（1）太阳能空调已初步进入实用阶段 使用太阳能空调的用户依然在不断的增加，目前产品多是大型的溴化锂制冷机，只适合中央型空调。因此，研制小型的溴化锂或氨―水吸收式制冷机与太阳集热器配套实用并逐步进入家庭中使用。

（2）太阳能空调使用集热器的采光面积与空调建筑面积的配比受到限制，仅能适用于多层建筑。对此，目前正在研制可以产生水蒸气的真空管集热器，以便与蒸气型吸收式制冷机结合，来解决集热器与空调建筑面积的配比问题。

（3）太阳能空调系统的初投资依然偏高，仅适用于部分的富裕用户。为此，我们正在降低现有集热器的成本，使得更多的家庭具有使用太阳能空调的经济承受能力。只要克服以上的缺陷，就更大限度地发挥太阳能空调的作用。

4 结论

总之，建筑零能耗要从建筑节能开始，我们要细分最终用户的需要， 针对不同区域的气候条件需求，研究先进的节能技术和配套设备，这需要一个曲折而漫长的过程，我们需要踏实的寻求和研究，而不是盲目的追求所谓的“新技术”却比使用常规能源承担更多的资源和资金浪费。从而真正的由“低能耗”走向“微能耗”最终达到“零能耗”。

参考文献

[1] 张子馨.浅谈建筑节能和可持续发展[A].江苏省能源研究会第八届学术年会论文集[C],2000.

[2] 赵敏荣,胡希杰.太阳能建筑实现“零能耗”的可行性探讨――太阳能光伏发电技术在建筑上的应用[A].长三角清洁能源论坛论文专辑[C],2005.

[3] 赵玉文.我国太阳能利用技术的发展概况和趋势[J].农村电气化,2004(6):52-53.

篇9

面对日益严峻的化石能源枯竭和环境恶化问题，人们已经清楚的意识到太阳能将是人类最重要的能源。目前，太阳能光伏发电技术与应用得到快速发展。到2008年年底，全球光伏累计安装容量大约18.5GWp，但其主要市场在欧美和日本。欧美和日本已经形成了光伏应用的设计、安装、运行维护的新兴产业队伍和人才培养教育体系。而我国虽然是光伏组件的生产大国，但光伏的安装总量包括光伏电站的安装占世界光伏安装总量的比重很小，设计、安装、运行维护产业队伍尚未形成，人才培养体系还没有建立。

根据我国新能源中长期发展规划，2009年-2010年均新增55MW，到2010年我国光伏发电累计装机容量将达到250MW；而到2020年年需新增1350MW，累计装机将达到1600MW。因此我国光伏发电应用的潜在市场非常巨大。面对国家推动国内光伏发展的政策到位，国内光伏市场即将规模化发展，人才制约瓶颈将很快显现。因此，必须加大力度，迅速建立和完善我国光伏应用人才培养体系。

南昌理工学院就是在这一背景下于2008年成立了太阳能光电工程学院，在应用型太阳能光伏专业人才培养模式的教育理念、培养方案、课程设置、教学内容等方面进行了有益的改革与探索，学校把新能源科学与工程专业教育厅重点学科优势和应用型光伏创新人才培养结合起来，并率先摸索出光伏专业应用型、创业型人才培养模式，具有一定的创新性。以此为案例，本文力求总结与阐述工学结合教学模式在光伏应用专业教育中的成效性。

一、工学结合，依托行业、企业确定人才培养方案

人才培养模式是是教育教学思想、理论转化为创新教学实践， 实现培养目标的物质力量的中介[1] ，它包含教育思想与教学观念、专业培养目标与规格、专业设置、教学内容与课程体系等几个基本要素[2]。为适应世界光伏产业发展和工科院校教育改革的趋势，南昌理工学院联系我国光伏产业现状，紧密结合学校的学科优势与办学特色，根据江西区域经济发展的要求，建立适应“光伏产业应用性人才教育基本要求”为目标的教育教学体系。力争在省属工科本科院校中培养具有国际光伏产业发展思维，能够胜任光伏电池组件生产、研发以及光伏系统的设计、安装维护等工作，促进本地区经济社会发展的具有创新能力与创业思维的新一代光伏产业复合型人才。学院与国内大型光伏企业如赛维、晶科能源等高科技企业强强联合，建立起订单式培养。根据企业的需要确定人才培养方案，开设有光伏电池片制造工艺、光伏材料与检测、单晶硅/多晶硅制造工艺、光伏组件加工与工艺、太阳能发电技术、光伏发电设计与施工等核心专业课程，并到企业实训，强化技能素质培养，掌握光伏电池片及组件加工技术，使学生在就业初期就能够在技术岗位上脱颖而出，从而获取更多的升职机会；同时，要求学生掌握光伏电池片、光伏组件生产过程的原理与工艺要求，掌握光伏发电及相关供用电技术，有利于学生的可持续发展。

二、开展实验教学改革，不断完善实验室硬件设施，为学院的发展提供硬件支撑条件。实践教学是职业教育的核心环节，主要培养学生的职业能力，即专业能力、方法能力、社会能力[3]。新能源产业人才教育教学改革的关键是新能源产业相关实践技能的培养，加强新能源专业本科生生产实践课程的教学，以创业型、应用性人才培养为主，科研教学型人才培养为辅。

1. 修订各专业实验教学大纲，加大实践教学的比例。

打破专业和学科的界限，合并内容相同或相近的课程，优化专业基础课理论与实验教学内容，删除陈旧过时和过深过难的内容，吸收前沿科技成果，增加实践教学内容，尽可能应用新的实验技术，在教学之中使学生的综合能力得到培养。

2. 增开综合性实验和设计性实验，实施学生开放实验室建设

学校建有实验实训中心1个，其中包含6个实验室（机房、操作平台），教学机房、电子电工实验室、光伏基础实验室、光伏发电实验室、光伏材料实验室，多晶硅铸锭实验操作平台。实验实训中心平时对学生开放，66.67%的实验室为开放性实验室。制订实施了《实验室开放管理暂行办法》，对实验室开放做出明确规定和具体要求，并提供专项经费保障，有效改变目前本科生实验教学中存在的动手能力不足的问题，学生综合实验能力得到很好地培养。同时，在开放实验室中学生可以自行设计实验，科研兴趣小组还能设计专题实验。

三、 改变既往单一的实习模式，加强实习实训基地建设，探讨加强新能源专业本科生假期专业技能社会实践的有效模式

学校还建成由实践教学设备配套的校内实践教学基地（含专业实训室）[4]，能对行动体系课程[5]的教学提供具体的学习情境[6]，因此， 建设校内实践教学基地是工学结合教学情境实现的关键。学校还先后与江西上饶光电、江西上饶晶科、上海正泰、泉州百来等公司签订了长期合作协议，共建实习实训基地，企业技术人员来校任教或参与实训指导、毕业设计（论文）指导等方式参与人才培养。改变新能源专业学生实习模式，利用假期组织学生进入实习实训基地进行社会实践工作，提高学生学习专业课的主动性，充分认识用人单位对毕业生的需求。并且还可以提高学生的组织能力、社会活动能力，倡导个性发挥的教学。

短短四年来，学院立足新建地方本科院校实际，积极探索具有自身特点的发展之路，努力提升符合时代要求的办学理念。在光伏学科专业建设、人才培养等方面，突出地方性，发展应用性，着力实践性，强化专业性，不断提高人才培养质量，通过主课堂教学与课外创新相结合，学生的应用能力和创新能力有了明显的提高，这是工学结合教学的成果，值得推广和实践。

参考文献：

[1]杨峻， 刘亚军. 面向21世纪我国高等教育培养模式转变刍议[ J] . 兰州大学学报（社科版） ， 1998， （ 2）： 5-12.

篇10

中图分类号：TK511文献标识码： A

引言

随着经济的快速发展和人类生活水平的不断提高，人类对能源的需求急剧扩大，以石油、煤炭、天然气为主的传统能源短缺问题日渐显现，能源供给与经济增长的矛盾不断加剧，特别是传统能源的不可再生性更是加重了人类社会对经济可持续发展的担忧。面对全球范围内的能源危机和环境压力，人们渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。

太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点，丰富的太阳辐射能是取之不尽用之不竭、无污染、廉价、安全的人类可重复利用的再生能源。太阳能屋顶光伏发电作为人们对太阳能利用的一种方式，电能产生的过程中无化石燃料消耗，是一种环保、清洁的可再生能源。它对于优化能源战略、改善电源结构、提高电源保障、节能减排、提高环境质量是非常有利的。

本论文结合办公用房（中国航信高科技产业园）工程中屋顶光伏发电工程的实际情况，分析太阳能屋顶光伏发电工程的发展前景。

一、太阳能屋顶光伏发电系统

1.系统简介

太阳能屋顶光伏发电系统由光伏组件、并网逆变器、直流汇流箱、计量装置、交流配电装置及远程数据传输监控系统等部分组成。

光伏发电系统组成示意图

目前，光伏组件主要有晶体硅太阳能电池组件和非晶薄膜两种。晶体硅太阳能电池组件光电转换效率达到14%~17%，用高透光率低铁钢化玻璃、抗老化EVA和优良耐火性背板热压密封而成，外加阳极化优质铝合金边框，具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力强等特性。非晶薄膜电池组件光电转化效率达到6%~6.5%，它使用只有几微米厚的半导体材料，厚度不足晶体硅电池的百分之一。这些半导体薄层可以附着在廉价的基片上，如玻璃、活性塑料或不锈钢薄板。非晶薄膜电池组件具有卓越的弱光发电型、防孤岛效应等优点和隔热保温性。在相通公路和同样发电量的情况下，非晶硅太阳能薄膜电池的成本低于晶体硅太阳能电池，被认为是目前最有可能实现发电成本接近上网电价的技术。

2.建立屋顶光伏发电工程意义

（1）符合国家产业政策。建立屋顶光伏发电工程贯彻落实了《中华人民共和国可再生能源法》《中华人民共和国节约能源法》，落实了国务院节能减排战略部署。

（2）有利于改善能源结构。我国电力行业的产业政策主旨是优化电源结构，加强电网建设。优先发展水电、核电、风电、太阳能发电、生物质发电等可再生能源及新能源，而对煤电则立足优化结构、节约资源、重视环保、提高技术经济水平。建设屋顶光伏发电工程，有利于增加电源的多样性，改善电源结构。

（3）有利于改善环境质量。太阳能光伏发电无化石燃料消耗，是一种环保、情节的可再生能源，与火电相比，可节约大量的煤炭或油气资源，有利于环境保护。同时，太阳能是取之不竭用之不尽的最直接的能源，早开发早受益。

二、办公用房（中国航信高科技产业园）工程屋顶光伏发电工程分析

1.建设规模

工程建立在中国航信高科技产业园办公用房工程，装机容量8KW。

2.自然条件

北京市地区日照充分，太阳能资源较充足，属于太阳能资源的二类地区。日照小时数年平均为2780h，太阳辐射量全年平均为112―136千卡/平方厘米。因此，适合建立太阳能屋顶光伏发电工程。

3.实际工程

（1）平面布置

该工程项目根据发电量、光伏组件的安装方式等，确定光伏系统组建的倾斜角度，在条件允许的情况下得到最大的发电量。

（2）设计原则

由于计划安装光伏系统的建筑已基本建成，建筑结构不易变动，在设计中遵循了以下原则：

a)不改变原有建筑物结构（如屋顶防水层、电气管线等）。

b)组件前后排之间在任何季节不发生遮挡。

c)最大限度降低屋顶的承重。

d)安装施工方便。

4.实践进程

光伏发电在屋面的面积约 6.4 平方米,共16块晶体硅面板，每块0.4平方米。形式：并网型不可逆系统。主要供会议室内用电。安装过程中尽量做到标准组建,把接线盒省去或者隐藏起来,以防止阳光直射和雨水侵蚀。同时也能到达建筑的美观效果和节约成本。

5.存在问题

（1）高成本

晶体硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中处主导地位。本项目太阳能电池组件选用晶体硅太阳能电池。但是近年来国际多晶硅价格猛涨，因此造成目前我国光伏发电工程成本过高。

在这种情况下，价格低廉的非晶薄膜电池正在迅速发展。与目前国内众多的晶体硅电池技术不同，在原料消耗上，非晶硅薄膜电池所用沉积原料仅为多晶硅电池的1%，不存在原料供应的瓶颈，从而大大降低了发电成本。

（2）废旧太阳能电池的回收

太阳能电池的寿命一般为25年，废旧太阳能电池如何处理是光伏发电工程发展必须考虑的问题。

三、认知

其实在我们身边就有很多太阳能光伏发电的建筑可以供我们学习和借鉴,2010 年世博会在这方 面接得到大力提倡和运用, 中国馆和主题馆的光伏一体化工程由申能（集团）有限公司旗下上海申能新能源投资有限公司投资建设，据施工方介绍，根据场馆特点和光伏建筑一体化设计要求，他们为两座场馆“量体裁衣”，设计了各具特色的太阳能组件安装方案，不仅美观大方，更能对太阳能进行高效利用。

其中，中国馆采取了利用 68 米平台和 60 米观景平台铺设单晶太阳能组件的方案，总装机容 量达 302 千瓦。中国馆的 60 米观景平台四周将采用特制的透光型“双玻组件”太阳能电池板，用这种“双玻组件”建成的玻璃幕墙，既具有传统幕墙的功能，又能够将阳光转换成清洁电力，一举两得。

中国馆 BIPV 效果图

主题馆则在屋面铺设了面积约 2万 6 千平方米的多晶太阳能组件，面积巨大的太阳能电池板让主题馆的装机容量达到了 2825 千瓦，而大菱形平面相间隔的铺设方法也同时保证了屋面的美观。

据悉，2010 年上海世博会所采用的光伏建筑一体化工程将创下历届世博会之最，建成后的主题馆光伏电站将成为我国乃至亚洲单体建筑最大的光伏建筑一体化电站。两座场馆共安装了各类太阳能组件 17866 块，总安装面积 28800 平方米，太阳能总装机容量高达 3127 千瓦。一旦投入使用，两座“绿色电站”年均发电量约 284 万度，每年即可节约标准煤约 1000 吨，年均减排二氧化碳约 2500吨、二氧化硫 84 吨、氮氧化物 42 吨、烟尘 762 吨，无愧于“绿色”的称号。

主题馆 BIPV 效果图

在本次光伏建筑一体化工程中，施工方采用了多项新技术，使用了多种新型太阳能发电组件，这些技术和组件均为国内研制生产，部分技术和设备更是国内首次研制使用，具有极高的技术含量。

施工过程中，中国馆和主题馆的建筑特点为施工方出了不少难题，如要在中国馆的 60 米平台 挑檐位置安装重达 250 公斤的光伏组件，要将主题馆数万平米屋面的水平误差控制在 30 毫米之内等等，但是项目建设者们通过大胆摸索，最终将这些难题一一破解。太阳能光伏应用代表了一种清洁而高效的新能源，是人类社会未来能源利用的发展趋势。然而，尽管有关资料显示，我国蕴藏着极为丰富的太阳能资源，但在太阳能光伏应用方面尚似蹒跚起 步的儿童，与太阳能应用已较为成熟的国家相比仍有较大差距。

近年来，我国有关部门相继出台了一系列扶持太阳能光伏应用的政策，我国光伏发电应用正迎来高速发展的关键时期。因此，上海世博会上中国馆和主题馆的太阳能光伏建筑一体化发电工程可谓正逢其时。业界认为，这一工程的建设必将有助于提高我国光伏建筑一体化产品及工程应用的技术水平，推进我国太阳能光伏产业健康快速发展。

我相信随着光伏发电技术的日益成熟和完善,越来越多的光伏一体化建筑会涌现。我们国家所提倡的能源战略也得以体现,真正实现绿色,低碳建筑。也是我们所追求的目标。

参考文献

1、仇宝兴

2、史博士

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中图分类号： TK47 文献标识码： A 文章编号：

0 引言

近年来，太阳能光伏发电技术迅速进步，相关制造产业和开发利用规模逐步扩大，已经成为可再生能源发展的主要领域。根据全国可再生能源发展十二五规划和太阳能发电发展十二五规划，促进太阳能发电产业可持续发展，国家能源局和国家电网分别于9月和10月了《关于申报分布式光伏发电规模化应用示范区的通知》和《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》，鼓励大力推动分布式太阳能光伏在城市的应用，加快在居民住宅和政府公用建筑物、商业设施等的普及，实行自发自用、多余上网、免费并网、电网调剂，形成千家万户开发应用新能源的局面。相信该政策的出台将极大推动我国分布式光伏发电的发展。但是，由于光伏发电具有随机性、波动性以及不可控性，使得光伏发电的出力波动极大。这种波动将对电网的频率电压稳定性造成不良影响[1]。为了消除光伏发电系统对电网稳定性的影响，国内外提出了多种能源互补系统，如风电-太阳能发电互补系统[2]，光伏-燃油发电系统[3]，光伏-储能系统[4]，光伏-微型燃气轮机系统[5]等。

现阶段，中国城市屋顶资源广阔。以上海为例，共有两亿平米的建筑屋顶，现有光伏电池在标准条件下的功率都高于100W/m2，若这些面积全部利用起来，其装机容量要大于一个三峡。但是光伏发电系统等分布式电源的输出功率具有波动性、随机性、间歇性的特点，微网采用微燃机、燃料电池、储能装置等实现微网中的功率平衡调节，大大降低间歇式分布式电源对电网的影响，增强功率调节的可控性。本文就分布式屋顶光伏/微型燃气轮机微电网系统的成本进行初步分析，验证该微电网系统的经济可行性。

屋顶光伏与微型燃气轮机系统简介

屋顶光伏/微型燃气轮机互补发电系统包括太阳能光伏板、逆变器和若干台微型燃气轮机成的小型微电网系统。系统中配备微型燃气轮机的目的是通过燃气轮机特有的快速启停和出力调节特性，来补偿由于天气变化引起的光伏出力波动，是的这个互补发电系统的输出平稳，消除光伏发电对电网的不利影响。

考虑到屋顶分布式光伏规模（1MW-100MW）不是很大，为了保证互补系统有较高的经济性，互补发电装置中一般采用微型燃气轮机（30kW-200kW）或者相应的联合循环机组。

以10MW屋顶光伏发电为例，配备两台100kW微型燃气轮机。发电系统框图见下图1所示。

图1 分布式屋顶光伏/微型燃机互补系统发电框图

2. 系统成本初步分析

对于光伏发电与微型燃气轮机发电互补系统而言，发电系统的成本由以下三个部分组成

总投资折旧成本

燃料成本

运行维护成本

2.1 总投资折旧成本Cod

总投资折旧成本Cod包括光伏发电的单位折旧成本Cod_p和微型燃机电站折旧成本Cod_g，即Cod=ωpCod_p+ωgCod_g

其中ωp和ωg分别为微型燃气轮机所占发电量的百分比。

（1）光伏发电总投资成本Cod_p

光伏发电总投资费用主要包括光伏发电的静态投资费用，财务费用（主要是主要是利息支出）以及运行与维护费用三个部分。其中静态投资费用由电站的单位容量造价和装机容量得到。为了体现出全生命周期的总投资费用，将其折算为现值。具体可表示为：

TCRp=UIP×Kp+FCp+MCp×(P/A,i,n) （1）

其中，TCRp是光伏发电的总投资费用的现值（元）；UIp是单位容量造价费用（元/kW）；Kp是电站的装机容量（kW），FCp是财务费用（元）； MCp是运行与维护费用（元）；i是折现率（%）；n是电站投产运行期（年）。

但是考虑到光伏/微型燃机发电系统的特殊性，本研究采取按运行小时数分摊固定成本的策略。则电站总投资的折旧成本可表示为：

（2）

其中，Cod_p是光伏电站总投资的折旧成本（元/kWh）；SUIp是电站单位动态投资费用（元/kW）；ψ是净残值率；δ是厂用电率（%）；T是设备年运行小时数（h）。

目前由于光伏组件的价格较低，基本维持在4.2-4.7元/W之间，因此，10MW屋顶光伏系统动态总投资可以按照8600万元计，光伏平均利用小时数按照1000h的地区计，厂用电率按照2%，净残值率按照5%，电站投产运行期按20年计算，得到Cod_p=0.42元/kWh。

（2）微型燃机发电总投资成本Cod_g

按照目前微型燃机造价，100kW燃机发电系统动态总投资大约为14000元/kW，微燃机只是白天平滑光伏曲线运行，年平均运行时间按照1500h计，厂用电率按照2%，净残值率5%，折旧20年计，按照光伏总投资成本同样的算法，可以得到Cod_g=0.485元/kWh。

综合光伏和微燃机的投资成本，并按照比例得出：

Cod=97%×0.42+3%×0.485=0.422元/kWh。

2.2燃料成本Cof

（1）光伏电站燃料成本Cof_p

由于光伏电站主要是利用太阳能发电，除了光伏组件每年有少许损失外，几乎无发电成本，而光伏组件每年的衰减已经在光伏年平均利用小时数中考虑，所以光伏电站燃料成本可以忽略。

（2）微型燃机发电燃料成本

燃气发电燃料费用不仅与天然气价格有关，还与发电机组供电效率等因素有关。根据1kWh输出电力=3.6 MJ，微型燃机发电燃料费用可表示为：

Cof_p=(((1×3600/4.1868)/Q)/η)×Pg(3)

其中，Cof_p是电站燃料成本（元/kWh）；Q是天然气发热量（kcal/m3）；η是机组供电效率（%）；Pg是天然气市场价格（元/m3）。

同时，微型燃机发电还有除了大部分的发电原料天然气费用外，还包括少部分的水费和材料费。根据相关工程数据资料显示，水费和材料费占燃料费比重极低，约为0.008元/kWh。

按照目前天然气市场价格2.2元/m3，天然气热量8500kcal/m3，100kW微燃机供电效率32%计，得出微型燃机发电燃料成本Cof_p=0.632+0.008=0.64元/kwh。

按照光伏和微燃机发电所占比重计算得出：Cof=3%×0.64=0.0192元/kWh。

2.3 运行维护成本

光伏/微型燃机互补发电系统中，光伏组件和微型燃机几乎都是免维护的，光伏组件就是每隔时间进行一次清洗，微型燃机定期加油等即可，所以该系统的运行维护成本很低，暂按照0.1元/kWh计。

综合以上三个方面，可以得出整个互补系统的成本为Coe=Cod+Cof+0.1=0.5412元/kwh。

3 成本分析及结论

从以上分析可知，该互补系统发电成本与三个影响因素的关系最大：光伏电站动态总投资、微型燃机投资成本和微型燃机燃料成本。本项目中由于微型燃机发电在系统中运行小时数较少，所占比重较低，所以对系统成本影响不大。因此，主要影响因素在于光伏电站单位投资。

根据2012年9月国家能源局的《关于申报分布式光伏发电规模化应用的通知》，国家对分布式光伏发电项目实行单位电量定额补贴政策，补贴金额可能为0.4~0.6元/kwh，如果分布式发电的销售电价为0.6元/kwh的话，互补系统能有0.459元/kwh的收益，互补系统经济性较好。如果没有政府补贴的话，互补系统的经济性较差。

因此，在目前政府对分布式光伏发电有补贴的情况下，建设分布式光伏/微型燃机发电系统在经济上是可行的。同时，随着技术进步，光伏发电单位投资的下降，也会降低整个电站的成本，从而慢慢实现光伏平价上网。

参考文献

[1] 李碧君,方勇杰, 杨卫东,徐泰山.光伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].电网与清洁能源. 2010（04）

[2] S. Neris, N.A.Vovos,G.B. Gannakopoulos.A variable speed wind energy coversion scheme for connection to weak ac systems[J] . IEEE Trans. on Energy Conv.,1999,14(1):122-127

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中图分类号：U665文献标识码： A

1.引言

光伏建筑一体化（BIPV，Building Integrated Photovoltaic），即将太阳能光伏电池板铺设在建筑物的外表面，使辐射的太阳能通过变换装置转换为电能，为建筑物及近端负荷提供电能，它是开发应用太阳能发电的一种重要形式。1954年，世界上第一块实用的光伏电池问世，人类展开了应用太阳能的新纪元。1978年，波斯顿一栋高层建筑上建成了美国历史上第一个光伏并网系统。随着国家对发展分布式发电、智能电网和新能源的逐步重视，近年来光伏建筑一体化在我国得到了一定的应用并处于推广阶段。

2.BIPV的基本原理与特点

典型的一个光伏建筑一体化系统如图1所示，该系统为一户用屋顶光伏系统，太阳能光伏阵列铺设在屋顶，其发出的直流电通过初级DC-DC变换器升压并进行最大动率点跟踪，然后经过逆变装置转化为与电网同频同相的交流电并网。其发出的电能大多被建筑内负荷的用电设备消耗，多余的电能注入电网，而在光伏发电出力较小情况下，建筑内负荷可从电网取电。据《上网电价法》，一般对光伏发电的上网收购价和民用电进行单独定价，因此安装了两套电能计量装置，一套用于计量光伏发电总量，另一套计量建筑内负荷的用电量。从优化电源结构配置、提高供电可靠性、提倡节能环保、增加建筑美观程度等方面，光伏建筑一体化（BIPV）都具有优点，具体而言：

（1）利用光伏发电可以减少二氧化碳和二氧化硫的排放，有助于构建低碳、节能、环保的供用电系统；

（2）光伏组件在建筑物表面，不占用地面空间，这对于人口密集、土地资源昂贵的城市建筑尤为重要；

（3）由于光针电池与建筑材料高度集成，减少了建设和安装成本，不仅降低了建筑物整体造价，而且增加了建筑的艺术魅力；

（4）光伏建筑一体化（BIPV）主要为近端负荷(多数情况下为建筑内部的用电设备)供电，减轻了负荷对电网的依赖，可以降低供电线路上的输电损耗，增加供电可靠性；

（5）光伏发电在夏季和白天出力较多，对于工厂、办公建筑光伏系统，可以利用这一特性起到削峰的作用，缓解高峰用电需求；

（6）建筑表面的光伏电池吸收太阳能并转换为电能，减少了墙体或屋面得热，有助于降低建筑室内空调装置的热负荷，起到隔热作用；

（7）光伏发电系统既有直流部分，又有交流部分，有利于结合直流变换技术直接接入目前正在兴起的直流微网，为直流负荷直接供电，从而减少变换环节，提高效率。

3.BIPV的技术发展

早期的建筑光伏系统中，光伏阵列通常是通过固定的支架安装在建筑物的顶部或墙面，仅仅起发电的作用。后来光伏电池与建筑的集成概念越来越深，太阳能电池除了发电以外，还能起到建筑构材和建筑美观的作用。1991年，德国慕尼黑的一次建筑业界的展会上，旭格公司推出了“光电幕墙”，此后，将太阳能光伏阵列作为建筑构体与建筑艺术的空间构体相结合，德国、日本、美国、西班牙等国家已经建成了大量的光伏建筑一体化系统工程。我国开展建筑光伏一体化于本世纪初期，2004年建设的深圳园博园和北京天普工业园是我国光伏建筑一体化的开篇之作，此后若干BIPV项目开工建设并投入使用，目前我国已经是光伏组件第一生产大国。

经过三十年左右的发展，BIPV技术不断深化和进步，与建筑集成化的程度越来越高，光伏电池也由早期的单晶硅、多晶硅，发展到现代的薄膜电池、以及与钢化玻璃集成的光伏阵列。总的来说，光伏建筑一体化（BIPV）技术的发展经历了三个阶段：

（1）第一代BIPV技术。光伏阵列依靠额外的支撑和固定装置安装在建筑物表面，不需要占用额外的土地，但是与建筑本体的集成度低。

（2）第二代BIPV技术。光伏组件与墙、瓦等建筑表面材料合为一体，既作为光电转换单元发电，又起着建筑表面构成材料的作用。这一集成技术一方面降低了建筑和电站成本，另一方面还能美化建筑外观。但是由于建筑表面复杂，各个阵列输出电能互不相同，需要大量的电力电子变换装置和串并联连线来满足供电要求，电气接线复杂，可靠性不够高，维护成本大。

（3）第三代BIPV技术。第三代BIPV技术是智能电网技术的主要组成部分，它通过将光伏电池、建筑材料和电能变换装置等配套系统的有机结合，首先构建高度集成的新型光伏建筑材料，再以此为基本发电单元，辅以先进的数据管理和通信技术，构建建筑集成的光伏发电系统。电能变换装置被集成到光伏阵列与建筑表面材料中，使其具备抗阴影能力和较强的参数匹配能力，系统电气连接简单，具备智能电网要求的即插即用特性。

从光伏建筑一体化（BIPV）的发展历史来看，BIPV技术涉及材料学、建筑学和电力电子学三个领域的内容。在材料学领域，BIPV技术研究的主要问题为高性能、低成本的适合建筑集成的光伏电池材料及其生产工艺；在建筑学领域，BIPV技术的研究内容包括集成了光伏组件和部分配套系统的新型光伏建筑材料以及集成了光伏发电系统的新型建筑的美学及工程设计问题等；在电力电子学领域，BIPV技术研究的核心问题为系统的能量变换和控制技术。而逆变器作为BIPV发电系统中能量变换的核心设备，对系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的地位。因此，需要给光伏组件配置相应的电力控制设备(如最大功率追踪器)，根据光伏组件的运行状况输出最大的能量和高品质的电能。

4.BIPV的主要形式

目前光伏建筑一体化应用比较多的是拥有大面积屋顶的建筑，例如会展中心、交通枢纽、大型的商业中心等。事实上，随着太阳能电池的成本降低，技术的进步和幕墙的结合，光伏建筑一体化还可以应用在公寓、办公、酒店、道路广场等方面。BIPV的应用已经从早期的屋顶扩展到墙面、并且产生了光伏遮阳板、采光板、电子树等多种形式：

4.1.1光伏屋顶或墙体(Photovoltaic proof or façade)。

这是一种最常见的光伏建筑一体化形式，一般是在建筑物建造完成后在其表面加装光伏发电系统。光伏电池的安装主要考虑承受的风向应力，并结合当地的地理位置信息确定安装朝向。常见的光伏屋顶电站就属于这种形式，它对于光伏电池没有特殊的要求，使用普通光伏电池即可。

由中国华电新能源投建的上海华电都市型工业园光伏项目1.2MW光伏电站是这种形式的典型应用。整套工程将太阳能面板铺设在工业园区内邻近的30个建筑屋顶。电站采用集中并网的模式，建有专门的逆变机房，由6台55kW的逆变器并联组成一台330kW的逆变器，4台这样的330kW逆变器组成1.2MW变换装置，一共并联了24台逆变器，再共用一台变压器并入10kV工业配电网。

4.1.2光伏采光屋顶(Roof-integrated photovoltaic)。

这是一种光伏电池与建筑材料高度集成的应用形式，光伏电池安装在建筑物的顶部，不仅需要起到光电转换的作用，还要兼顾建筑物的采光性能，同时作为建筑材料承受应力。因此对于光伏材料的要求较高，应用最广泛的是钢化玻璃夹层结构和中空结构，他们都是将光电转换单元夹在玻璃种，后者在玻璃之间留有一定的间隙，起到一定的隔声和绝热的作用。

由铁道第三勘察设计院设计的北京南站采光顶光伏建筑一体化发电项目，主体建筑及站台采光顶采用带光伏发电的透光材料，在半数的采光带内集成了装机容量为350kW的光伏电池，总面积约6700平方米。该建筑还同时实现了候车厅及站台的自然采光，吸收光能发电的同时营造出了舒适和谐的室内光环境。此外，德国的柏林火车站、我国的青岛火车站等交通枢纽也采用了这种建筑光伏一体化的方式。

4.1.3光伏幂墙系统(Façade-integrated photovoltaic)。

它可以应用在朝向较好、且有大面积幕墙的公寓、办公、酒店等建筑上。随着薄膜太阳能电池的应用，太阳能电池与玻璃幕墙结合得越来越完美。传统幕墙的很多表现形式可以用光伏幕墙来代替。光伏幂墙可分为不透明幂墙和半透明幂墙。前者多采用单晶硅或多晶硅光伏电池，发电效率较高；后者可采用非晶硅薄膜电池或调整光伏电池单体的间隙来调节透光度，价格较低。

2007年，我国在上海崇明前卫村建成了兆瓦级10kV集中并网型太阳能光伏电站示范工程。建设总容量为1051kW，总共敷设了普通单晶硅电池组件、普通多晶硅电池组件、HIT(非晶硅错混合型异质结) 复合单晶硅电池组件、建筑一体化瓦片型、幕墙型等多种类型的光伏组件共7786m²左右。系统由33个相对独立的子系统组成，每个子系统分别由光伏组件、逆变控制器等组成。每个逆变器带3-24组不等的光伏组件，容量由4-42kW不等。逆变器400V输出，用变压器升压至10kV并网。

4.1.4光伏遮阳板(Shadow photovoltaic system)。

这是光伏组件与建筑物的遮阳结构进行集成的一种形式，它具有吸收光照充分、有效降低建筑内部受热、节省建筑材料成本的作用。在许多地区，因为气候和节能的因素，遮阳被广泛应用在建筑元素上。如果这些遮阳板上安装太阳能电池，则是新能源、功能和艺术的合，可以应用在任何需要遮阳板的建筑上。

台北淡水公交枢纽中心的站台遮阳顶采用了光伏遮阳板，总共在公交枢纽站台顶部遮阳板中集成安装了10kW的光伏电池，并使用墙挂式逆变器并网，主要为公交枢纽的广告牌、信号指示装置供电。遮阳板不仅起到了减少公交枢纽站台日光直射的作用，而且还将其转化成了电能，同时其透明的外观设计还增加了建筑美感。

4.1.5电子树(Photovoltaic tree)

它以钢结构模仿树枝的形态，支撑顶棚，而顶棚部分采用太阳能电池板，可以模拟树叶在阳光下斑驳的阴影效果，适用于广场、园林、人行道等地区，实现这样发电两不误的效果。

5.BIPV的一些问题

经过几十年的发展，太阳能光伏组件生产企业通过减少耗材、提高光伏电池的光电转换效率，大大缩短了光伏系统的投资回收期；另外，光伏电池的成本也持续下降并保持了继续下降的趋势，光伏电池的形式也从传统的单晶硅、多晶硅发展到薄膜电池、与建筑材料一体化的光伏建筑一体化瓦片型、幕墙型光伏组件；同时，国家实施了《可再生能源法》，“太阳能屋顶计划”，“金太阳工程”，财政部和住房建设部联合对BIPV项目进行补贴，促使近年来BIPV在我国开始蓬勃发展。

但是，由于技术和政策方面的原因，仍然有一些不利因素阻碍着BIPV的推广，同时BIPV项目推广中也出来了一些新的问题需要解决，主要体现在：

5.1.1光照不均引起的多峰值问题

对于建筑的表面，为了最大程度的接受光照，不同部位的光伏电池最佳倾角不尽相同，同时由于阴影遮挡等因素，各处的光伏阵列外特性不尽一致，其组合产生的功率输出曲线是一条多峰值曲线，而变换器采用常规的最大功率点跟踪方法无法寻找到全局最大功率点。

5.1.2热斑效应威胁

同样是受光不均或部分遮挡情形下，此时受光较低的部分相当于负载，随着热耗的增加将产生大量的热量，形成局部热点，即热斑效应。某些光伏电池受到高温、高反压和高功耗综合作用可能会发生永久性短路甚至烧毁。据国际电工技术委员会（IEC）统计，2009年上半年，欧洲已发生10余起光伏电站起火事故。右图为2009年7月德国Buerstadt屋顶光伏电站阵列起火现场，造成事故的主要原因就是热斑效应积累、电弧、以及开关频繁启动等。严重的是，由于光伏阵列高压带电，灭火困难。

5.1.3发电量受众多因素影响小于预期

光伏阵列的输出特性与运行温度密切相关，随着温度升高，短路电流略为增加，开路电压大幅度降低，最大功率点的电压降低，最大输出功率也降低。需要指出的是，BIPV光伏阵列表面温度远高于气温，且难以测量，在此条件下其发电能力大大降低。右图为BIPV光伏电站在高温的夏季某天的输出功率随时间变化的情况，光伏阵列温升过高导致其出力大幅降低，在太阳辐射最强的时间段内，系统却不能有效发电。此外，逆变器与阵列的匹配，阵列的污垢也将导致出力降低。

5.1.4电能质量与电网接纳

光伏发电并网逆变器容易产生谐波和三相电流不平衡等问题，同时输出功率不确定性易造成电网电压波动和闪变。目前谐波问题是制约光伏并网的最主要问题之一，并且在光照较弱的条件下更为严重。浙江某一250kW屋顶示范工程在10kV接入、400V接入、220V接入系统中，都检测到谐波电流总畸变率偏高的问题，且实测最大功率变化率为每分钟达20％。

5.1.5建筑美观性与光伏发电协调问题

由于BIPV光伏组件的安装受建筑屋面朝向影响，BIPV施工中要防止相同功率不同朝向、不同形状、不同规格的太阳能电池组件串联在一个回路中，造成功率不匹配，导致发电效率降低。同时由于建筑外观的多样性，为了获得较高的太阳能转换效率同时又兼顾建筑的外形美观，所以太阳能电池板安装也具有多样性，但是建筑物的外表面有可能是由一些大小、形状不一的几何图形组成，这就会与建筑美观存在一定的矛盾，需要设计师将其巧妙地融入一体化设计中，达到与建筑物的完美结合。同时，光伏组件的颜色 形状 布局等也要与建筑物相协调。

6.前景与展望

随着能源问题的日益严峻，人类对利用可再生能源的探索已经开始并取得了重大成效，太阳能是一种丰富、清洁的能源，BIPV以其特有的优势已经成为就近分布式发电的重要形式。虽然目前由于价格、法规、政策和技术方面的一些制约，BIPV在短期内还难以大规模商业化普及，但是随着光伏组件成本的持续降低、光伏发电技术的不断革新，以及智能电网和微电网的阶段性建设，在节能和环保的双重压力下，BIPV在未来几十年内得到广泛推广是大势所趋，光伏发电技术也是人类走可持续发展道路的必然选择。

参考文献：

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