前言：与这个系列其他几篇文章不同，这篇文章我们不谈节能，不谈能源的高效利用，而是将建筑本身作为发电站，发热站，让建筑从能源的消费者变成能源的生产者，让"零碳建筑"乃至"正能量建筑"成为可能。建筑实现能源自产自销，可以减少能源输送过程中的的损失，降低对基础设施的依赖，保障紧急情况下的能源安全。可以说，在建筑中实现新能源的利用，打破了原有的能源集中生产、转化的产业结构，具有划时代的意义
在建筑中常用的新能源有光伏、光热、风电、生物质等。我们将在后文中一一介绍。
建筑光伏一体化
光伏发电的基本原理是利用光电效应，由掺磷的N型半导体与掺B的P型半导体相互接触构成PN结，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。关于光伏发电的原理的可以参考交能网的，里面有生动的介绍。在这里我们重点介绍光伏在建筑中使用的系统。
光伏板的确可以直接将太阳辐射转化为电能，但是此时这些电能还不能直接被用电器使用，还需要一套完整的系统。一般而言建筑光伏系统分为三类，一类是孤岛系统，一类是并网系统，以及混合系统。三种系统的结构如下图：
孤岛系统 图片来源：参考资料[1]
并网系统 图片来源：参考资料[1]
混合系统 图片来源：参考资料[1]
孤岛系统顾名思义，就是可以实现独立运行，不需要并网。但也正因如此，其能源安全性与电池容量紧密相关，电池必须满足建筑在夜晚和连续阴天的情况下的用能需求，光伏也必须承担建筑全部的用电负荷，所需要的光伏板的面积也较大。这种系统多用于电网难以企及的边远山区或海岛中。并网系统中，电能既可以从电网流向建筑，也可以从建筑流向电网。与孤岛系统相比，并网系统由于有了电网的支撑，能源安全有了很大的保障，光伏也不必承担全部的用电负荷，电网也可以承担起孤岛系统电池的职责。不过，考虑到光伏发电的波动性较大，并网系统大面积应用后可能会对电网的稳定造成一定的负担，所以电池仍然是必不可少的一环。混合系统通过将光伏与小型发电设备、电网等其他电力来源结合，实现了很高的能源安全性，其缺点是系统较为复杂。
不论哪种系统，光伏板、逆变器、控制器和蓄电池都是必不可少的。
光伏板是光伏系统对的核心部件。随着技术的发展，光伏板的材料已经有了远远不仅限于单晶硅和多晶硅，由碲化镉、铜铟镓硒等材料组成的光伏组件的效率近年来也大幅提升并开始产业化生产，有机光伏电池的加入也让光伏板的颜色不再是单一的黑色。不论材料如何变化，其基本原理都是构建PN结的结构。不同类型光伏板的结构有所差异，以硅光伏板为例：
硅光伏板的结构 图片来源：参考资料[5]
*EVA为乙烯/醋酸乙烯酯共聚物，一种透明性好的粘合剂
逆变器的作用是将光伏板产生的直流电转化为交流电，使光伏板产生的电力可以被日常家用电器所用，或被电网接收。光伏系统中常用的逆变器分为三种：
1. （Stand-alone inverters）：用在独立系统，光伏阵列为电池充电，逆变器以电池的直流电压为能量来源。许多独立逆变器也整合了，可以用交流电源为电池充电。一般这种逆变器不会接触到电网，因此也不需要保护机能。
2.（Grid-tie inverters）：逆变器的输出电压可以回送到商用交流电源，因此输出需要和电源的、及相同。并网逆变器会有安全设计，若未连接到电源，会自动关闭输出。若电网电源跳电，并网逆变器没有备存供电的机能。
3. 备用电池逆变器（Battery backup inverters）是一种特殊的逆变器，由电池作为其电源，配合其中的电池充电器为电池充电，若有过多的电力，会回灌到交流电源端。这种逆变器在电网电源跳电时，可以提供交流电源给指定的负载，因此需要有保护机能。
其中，孤岛效应指的是并网的逆变器在电网无法供电时，没有孤岛效应保护机能的逆变器无法判断电网已经停止工作而会持续向本地负载和电网输出电力。这一效应会给整个配电系统设备和负载造成不利影响，如危害电力公司输电线路维修人员的人身安全，影响配电系统上的保护开关动作程序等。
与普通逆变器不同，光伏逆变器还需要最大功率点追踪的功能。光伏板的电压和电流关系并不是简单的线性关系。光伏的电压电流曲线如下图：
光伏板的电压电流曲线 图片来源：参考资料[5]
其中蓝色为电压电流曲线，红色为功率和电压的关系。可以看出光伏板的最大输出功率在电压为0到开路电压之间的某一点达到。逆变器需要让光伏板的输出电压维持在这一点以获得更大的功率。逆变器确定最大功率点的方法有很多，如扰动观察法、增量电导法、电流扫描法、定电压法等。
光伏控制器是控制多路光伏电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给光伏逆变器负载供电的自动控制设备。通过收集、储存光伏系统的运行信息，评估光伏系统的设计合理性、系统部件的可靠性。光伏控制器可以完成高压(HVD)断开和恢复功能、欠压(LVG)告警和恢复功能、低压(LVD)断开和恢复功能、保护功能、温度补偿功能。有的光伏控制器还可以代替逆变器确定最大功率点。
光伏系统中常用的蓄电池为铅蓄电池或锂电池。光伏系统对蓄电池的要求有自放电率低、充放电效率高、深放电能力强，能适应频繁充放电等。
总的来说，建筑集成的光伏系统的主要优点在于系统安全可靠，无枯竭风险；使用过程中无污染，无排放，无噪音；孤岛系统无需依赖基础设施；就近供电，没有输送损失。主要缺点在于设备昂贵，初投资较大；能量密度低，需要占用较大的面积；输出受季节、天气影响，波动较大，并网系统在储能设备容量不足的情况下会UI给电网的稳定性带来压力；光伏板的表面需要定期维护等。
建筑太阳能供热
生活中，相信大家对"太阳能热水器"这个概念并不陌生。事实上太阳能热水器就是利用太阳能供热的典型设备。中国在推广太阳能热水器上取得了瞩目的成就，让太阳能供热的概念深入人心，取得了巨大的生态和经济效益。
太阳能热水器装机总功率前十的国家 图片来源：参考资料[1]
按照集热器的不同，太阳能热水器可以分为三类：无玻璃的集热器，平板式集热器和真空管集热器。每一种又可有细分为两到三种集热器，如下图所示。真空管集热器在我国的应用最为普遍，由于篇幅所限，仅对此进行重点介绍。
太阳能集热器的分类 图片来源：参考资料[1]
真空管按照换热方式的不同有两种结构。第一种为直流式，原理和结构较为简单，如下图所示。其中，真空玻璃夹层内有以一同轴*管双**，来自热水箱中的冷水从内管中流入，在经过热水预热和吸收体的加热后，从外管回到热水箱。
直流式真空管的结构 图片来源：参考资料[1]
第一种为热管式，原理和结构相对复杂，如下图所示。在热管式真空管集热器中，系统中的循环水不直接流入热管中，而是与热管中的工质通过换热传递热量。热管中的换热过程分为四步：1.热管中的工质在外热源的作用下蒸发。2.由于管内加热段与冷凝端之间的压差蒸汽向冷凝段移动。3.蒸汽在冷凝端将热量传递给系统中的循环水，工质冷凝。4.液态的工质在重力的作用下流回蒸发段。由于热管利用的是工质的相变换热，换热效率很高。
热管式真空管的结构 图片来源：参考资料[1]
从效率上看，真空管集热器能够在较高的温度下维持较高的效率，这得益于其真空夹层避免了与外界发生对流换热，保温效果较好。
各类集热管的效率 图片来源：参考资料[1]
总的来说，建筑太阳能供热的主要优点在于使用过程无排放，无污染，是良好的可再生能源；成本低廉，设备、系统结构简单，也不需要特别高的初投资，经济效益好；储能成本低；系统可靠耐用，有的设备可以使用超过15年。正是这些优点使得太阳能集热设备在我国得到了大规模的应用。不过，它也有一些缺陷，首先是产生的能源的品质低，只有热能且温度不高，虽然能满足家用，但是难以用于工业过程，无法使建筑完全脱离对化石能源的依赖；其次使能源的生产与使用存在明显的时间差，冬季夜晚的采暖需要通过储存的热量或辅助设备（如额外的燃气热水器）来实现；第三与光伏类似，能量密度低，集热器需要一定的面积才能满足需要。
建筑风电一体化
提到风电，大家会想到什么？大海中耸立的塔架，缓慢旋转的巨大叶轮？这确实是大多数风力发电机的模样。但是，只要经过合理的设计，风力也可以为建筑所用，实现建筑风电一体化。
风力发电利用的是风，也就是空气具有的动能，将其转化为叶轮的机械能，然后由发电机转化成电能。风力发电机可以分为水平轴和垂直轴两种。一台风力发电机组一般需要包括叶轮、齿轮箱、刹车系统、控制系统、塔架，水平轴发电机由于需要使叶轮始终对准迎风面，需要偏航系统调整叶轮的朝向，以最大限度获取风能。处于安全考虑，当外界的风速超过14m/s时，风机的输出功率应不再随风速的增加而增加，当外界风速超过25m/s时，风机应停止运转以保护叶轮不被过大的机械载荷破坏，因此需要刹车系统使叶轮的转速保持在一定的范围之内。
风力发电机的结构 图片来源：参考资料[12]
风力发电机产生的电能想要输入电网或被用电设备所使用，还需要其他设备的辅助。风力发电机并网的方式有两种，分为直接并网和间接并网。直接并网的设备连接顺序为风机-传动装置-发电机-变压器-电网。由于没有安装变频器，节省了投资，但代价是风机不能始终按照最优的状态运行，叶轮的转速和相位必须与电网频率保持一致。间接并网的设备连接顺序为风机-传动装置-发电机-整流器-逆变器-变压器-电网。由于整流器和逆变器的存在，叶轮转速不再受电网频率的限制，对抗外界风速变化的灵活性大大提高。
风机的直接并网 图片来源：参考资料[9]
风机的间接并网图片来源：参考资料[9]
具体到建筑中，风力发电在建筑中的应用主要根据风机安装的位置不同分为三类。第一是屋顶风力发电。由于风在越过建筑屋顶时，会产生越顶气流，因此屋顶的风速普遍较大。这种利用风电的方式对建筑物本身几乎没有需求，不需要在设计时考虑风机的影响，只需要对既有的建筑进行改造，因此有广阔的应用范围。
第二是利用建筑物间的风力发电。当风通过两栋建筑时，由于流道突然变窄，风受到挤压，风速会迅速上升，这种效应称为"夹道效应"。为了提高风力的利用效率，两建筑间的开口应该朝向风的主导方向。典型的案例是位于巴林首都麦纳麦的巴林世贸中心。其主体包括两座高达240米的双子塔，两座双子塔间的三座横梁上装有三个直径29米的叶轮。通过精心设计的建筑物外形，双子塔能够将各个方向的风引导向叶轮，为叶轮所用，同时将高处的气流向低处引导，使三个风机的转速保持一致。这些巧妙的设计使叶轮与建筑融为一体，创造生态效益的同时给人以美学享受。
巴林世贸中心 图片来源：软服之家
第三是利用建筑空洞的风力发电。由于建筑迎风面和背风面存在压差，当建筑有空洞时，空洞内会形成较强的气流，可以被风力发电机利用。
生物质锅炉
生物质能是人类最早开始利用的能源。从人类学会钻木取火的那一刻开始，生物质能就温暖着人类的家园。时至今日，中国许多农村地带仍然延续着生火做饭的传统。因此，生物质能本身不算是"新能源"，但是今天，我们能够以新技术来更清洁、更高效地利用生物质能。
一切有生命的有机质都可以称为生物质，包括植物、微生物、动物及其产生的废弃物。目前生物质的来源主要有林业、农业、污水、固体废物、*兽禽**粪便、沼气等。建筑物内能够应用的生物质主要是各类植物，如树木、秸秆等。主要的应用方式是燃烧供暖。利用生物质能进行热电联产的设备也有但是在国内应用较少。利用生物质能供暖的设备有木碎锅炉、木屑锅炉、自然对流锅炉、木材气化锅炉等。其中木材气化锅炉相比前其中能够实现更高的效率和更低的排放，下面对此做重点介绍。
木材气化锅炉 图片来源：参考资料[16]
一种典型的木材气化锅炉的结构如图。它由左右两个舱室构成，中间由陶瓷板隔开。干燥的木材储存在右边的舱室中，细胞间的可燃气体在高温作用下挥发，与一次空气混合并燃烧，维持木材气化所需的温度。经过一次燃烧的混合气体进入左侧的舱室中，与二次空气混合后再次燃烧，绝大多数热量在这一阶段放出，产生的热量由循环水带走。一次燃烧和二次燃烧的比例经由两个鼓风机送入的空气量精确控制。
与其他可再生能源相比，生物质能最大的优势在于不受气候和时间影响，输出可靠可控。因此，生物质能能够与其他可再生能源结合，为建筑的用能稳定性、可靠性提供保障。一种生物质能与其他可再生能源结合运用的系统结构如下图所示：
生物质能与其他可再生能源的结合运用的系统结构 图片来源：参考资料[17]
结语
作为现代人生产生活的主要场所，建筑无时无刻不被各种能源包围着。随着技术的进步，这些能源逐步能够为人们所用。相信在未来，建筑将不再是能源的消费者，而是能源的生产者，城市将从一片钢铁丛林变成一个会呼吸的生态之林。
参考资料：
[1] Robert Pitz-Paal,DLR-Institut für Solarforschung, Vorlesung Solartechnik
[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E4%BC%8F%E9%80%86%E5%8F%98%E5%99%A8
[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%80%E5%A4%A7%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%82%B9%E8%BF%BD%E8%B8%AA
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[5] Uwe Rau, Jülich Forschungszentrum, Vorlesung Photovoltaik
[6] https://m.solarbe.com/21-0-121911-1.html
[7] https://baike.baidu.com/item/%E5%85%A8%E7%8E%BB%E7%92%83%E7%83%AD%E7%AE%A1
[8] https://zhuanlan.zhihu.com/p/43321798
[9] Kay Hameyer, Institut für Elektrische Maschinen, RWTH-Aachen, Vorlesung Elektrische Energie aus regenerativen Quellen
[10] http://www.scicat.cn/5/kejilunwen/20190321/1199585.html
[11] https://www.ruanfujia.com/179937/
[12] 秦生升，风力发电在建筑中的应用，新能源与绿色建筑，2010
[13] https://baike.baidu.com/item/%E5%B7%B4%E6%9E%97%E4%B8%96%E8%B4%B8%E4%B8%AD%E5%BF%83
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[15] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E7%89%A9%E8%B4%A8
[16] https://www.ofen.de/wissenscenter/infothek/heizanlagen/wie-funktioniert-ein-holzvergaserkessel
[17] Volker Lenz，Effiziente Wärme aus Biomasse –Stand, Herausforderungen und Perspektiven，FVEE • Themen 2015
作者 | 林伟
编辑 | 邸义博
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