时间：2022-07-11 02:17:42
关键词：太阳能；光伏发电；课程改革
中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）49-0131-02
面临21世纪能源短缺和环境问题，国家将新能源产业列入国家战略性新兴产业。北京市中长期科学和技术发展规划纲要（2008―2020）科技发展重点任务之一是新能源利用。2012年，财政部、科技部、国家能源局联合下发“金太阳”政策及“金屋顶”政策，两大政策均支持分布式光伏发电示范项目。太阳能是能源领域的新兴重点发展方向，开设太阳能发电技术课程对提高学生的就业机会，增强学生服务社会的能力有非常重要的作用。北京信息科技大学2012级培养计划将电气工程及其自动化专业特色定位于新能源及节能技术应用。新能源特色系列课程主要有《太阳能发电技术》等5门课，其中1门必修课，3门选修课及1门实践课，《太阳能发电技术》是必修课和重要特色课，要发挥特色课程的作用，非常有必要进行课程改革。
一、太阳能光伏发电技术课程改革的意义
目前，国家需要大量的光伏发电相关的技术型人才和研究型人才，人才缺口较大。北京市重视“太阳能”学科点建设和人才培养，建议有条件的院校建立太阳能培训试验中心，以培养一大批能胜任太阳能开发需要的中高级专业技术人才和管理人才。在此形势下，开设《太阳能发电技术》课程，讲述国内外太阳能光伏发电基本理论和基本概念，从实际应用和工程设计角度，分析装置、系统和应用，介绍太阳能光伏发电的最新技术、最新成果，为学生以后从事太阳能电池研究、光伏技术应用、光伏电站建设与管理，打下坚实的基础。加强《太阳能发电技术》课程改革，对培养学生的专业素质，提高学生学习专业课的能力，增强学生的就业机会，提高学生服务于社会的能力具有十分重要的作用。《太阳能光伏发电技术》共计32学时，其中讲课24学时，实验8学时。该课程属于专业课，必修课。本课程教学目的是使学生掌握太阳能光伏发电的基本理论和方法。通过对该门课程的学习，使学生了解太阳能资源的状况，理解太阳能光伏发电的基本原理及系统的构成，掌握光伏电池、蓄电池、充放电控制器、逆变器及相关电力电子变换电路的工作原理及控制方法，熟悉最大功率跟踪的概念及常用算法，最后介绍典型小光伏发电系统的设计。
二、太阳能光伏发电技术课程存在的问题
1.教材问题。太阳能光伏发电技术的实际应用越来越多，需要大量的应用技术型人才和研究型人才，但人才培养需要有针对性的教材和相关的参考书。太阳能光伏发电技术是近年来发展迅速的一门新技术，其知识内容更新速度非常快。目前这方面的书籍很多，但实用教材却很少，有些书针对光伏发电的某一点，过于专业，有些书只是简单的科普，多数不适合作高校教材。
2.实践教学问题。实验教学对工科学生掌握所学课程的内容，灵活运用所学知识去解决实际问题的方法至关重要，太阳能发电技术更是如此。目前太阳能光伏发电实训装置相对匮乏。国内有一两家教学仪器公司开发了太阳能光伏发电实训平台，价格昂贵，能开设的实验很少，且操作性差，对锻炼学生的手动实操能力帮助不大。
3.教学案例太少，教学案例建设薄弱。工程实践部门主要完成工程设计及施工，科研院所专注于技术提升与创新，能用于教学的工程案例资料很难查询，即使能找到少许资料，技术资料也不完备，缺乏演示行和可复制性。
三、太阳能光伏发电技术课程改革的主要内容
1.教材建设。本课程没有固定的教材，参考《太阳能光伏发电及其应用》、《太阳能光伏并网发电及其逆变控制》等章节内容，有些内容借鉴网上资源、科技文献的资源，经过加工整理，形成自编讲义。
2.教学内容更新。本课程内容丰富，涉及面广。涉及到光学、电工学、电力电子学、软件工程、单片机等基础知识，涵盖了供配电技术、自动控制原理等基本理论。既包含太阳能电池、蓄电池、逆变器、控制器等组成部分的基本原理，又有包含系统设计、应用、安装、检查与试验等基本技能；既包含电力电子变换电路及控制电路等硬件内容、也包含最大功率跟踪等软件内容。随着新技术新材料的出现，这些内容会不断更新，并将更新的内容添加到课堂上。
3.实验装置研制及实验内容更新。太阳能光伏发电实验平台主要由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器等组成，测试仪器主要用到万用表、电流表、功率仪、温度计、照度计、辐照计等仪表，能够进行太阳能电池板伏安特性实验、太阳能电池板不同入射角影响特性实验、太阳能电池板输出功率与负载特性实验、最大功率跟踪特性实验四个必做实验。该实验平台上还可以进行太阳能电池板开路电压和短路电流随光强变换实验、太阳能电池板暗特性曲线实验、太阳能电池串并联特性实验、太阳能电池板发电原理实验、太阳能控制器性能实验以及独立光伏发电系统实验凳选作实验。
4.教学方法改革。根据本课程的特点，上课时采用案例式教学、讨论式教学以及太阳能发电系统设计等实战教学。上课过程中，讲到一些基本理论后，举一些相关的、具有一定前沿性和趣味性的例子，加深对基础理论的理解，激发学生的学习兴趣。讲到太阳能最大功率跟踪时，可以找些太阳能最大功率跟踪的图片，视频。图片是单轴跟踪还是双轴跟踪？也可以让学生思考，除了这两种跟踪方式，还有没有别的跟踪方式？结合电力电子技术和单片机等课程，启发学生思考如何设计太阳能最大功率跟踪器。另外，在举例讲解时，也可以适当介绍本研究领域的最新动态和最新发展成果。教科书出版周期长，往往不能及时介绍学科最新、最有价值的学术成果。教师把最前沿技术引入课堂，不仅扩展了学生知识面，吸引学生学习兴趣，培养学生关注本学科发展的习惯，同时也了解学生的发展潜力，以便选拔学生。讨论式教学鼓励学生积极参加课堂讨论，帮助学生建立系统的知识结构，同时也锻炼学生的语言表达能力，将学习过程转变为师生共同学习、共同探索提高的过程。太阳能发电系统设计等实战教学是为某地区设计一套10kw太阳能光伏发电系统，要求列出当地的太阳能资源状况，光伏板的性能参数、连接方式、倾斜角，控制器的主要功能及实现功能的方案，逆变器工作原理及逆变电路，蓄电池容量等，最后给出系统的经济预算及经济效益评价。
5.学生开放实验。开放实验是以学生为主体的创新性实验，能够调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，逐渐掌握思考问题、解决问题的方法，提高其创新实践的能力。每年选拔对太阳能光伏发电技术有浓厚兴趣的学生参加。在兴趣驱动下，在导师指导下完成实验过程，参与计划项目的学生要自主设计实验、自主完成实验、自主管理实验。先后完成太阳能节能洒水控制系统设计、太阳能多功能休闲椅控制系统设计、基于太阳能的教室灯光节能控制系统、太阳能智能温湿度控制器等开放实验项目。
6.教师队伍建设。“教师有一桶水，才能给学生一杯水”，说的是教师要有丰富的知识，练就一身过硬的功夫，才能把课上好。教师要不断学习，提高自身的素质和储备知识，特别是科学知识迅速发展的今天，学生获取知识的途径很多，知识面较宽广，对教师的要求也就越来越高，这就需要老师要不断的扩展自身的业务水平，提高业务素质，才能在讲台上站稳。近年来，电气工程系每年都派老师参加教学能力提高项目、国内访问学者项目，到重点大学进行进修学习、交流，每年参加教学会议。通过与国内高校教师的交流学习，找到了差距，少走了弯路，增强了信心，锻炼了沟通交流能力，更加注重团结协作，主动参与社会活动，勇于承担责任。通过交流与合作能获得心理支持，共同分享成功，分担问题；通过交流与合作获取教学信息和灵感，产生新的想法；教师在合作过程中，潜移默化地影响着学生，用无声的语言告诉学生合作很有益，教师也在身体力行他们所倡导的信念。课程组定期组织教研活动，就教材、实验内容、授课内容、考核方式、教学方法和手段等问题进行探讨。
四、结论
《太阳能光伏发电技术》是近年来发展起来的一门新课程，没有现成的经验可以借鉴，本着多学习多探索的原则，本文从教材建设、教学内容选择及更新、实验装置设计及实验内容更新、教学方法改革、开设开放实验、教师队伍建设等方面进行了改革初探，并将这些改革应用到电气工程教学实践中，收到了良好的效果。
参考文献：
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[2]汪义旺.Matlab仿真在光伏发电技术实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（7）：177-179.
[3]张发云，李水根，李玲，等.光伏专业太阳电池多晶硅绒面创新实验设计[J].新余学院学报，2010，15（5）：73-75.
关键词：太阳能；光伏-光热集热器
Abstract: solar photovoltaic (pv) - solar-thermal technology combining photovoltaic and solar thermal utilization, reduce the operating temperature of the photovoltaic panels on one hand, to improve the efficiency; A certain temperature heat recycling on the other hand, comprehensive improve the solar-thermal conversion efficiency. With separate photovoltaic cells compared to normal solar collector, solar easier to achieve building integrated photovoltaic (pv) - solar-thermal technology, combined with a heat pump technologies such as the system can also realize the cooling, heating, heating water, etc, are potential comprehensive utilization of solar energy technology. Photovoltaic solar - thermal collector performance research were introduced in this paper the theoretical and experimental results, and its energy-saving design and application situation, summarize the technology development trend and problems to be solved recently, in order to further implement the engineering application of the technique and to provide the reference for popularization.
Key words: solar energy; Photovoltaic solar-thermal collectors
中图分类号：TK513文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1．前言
能源是影响各国经济和民生发展的主要因素。随着能源消耗的日益增加，世界日耗油量已达9×107桶[1]。至2025年，该数字预计将增至12.3×107桶[2]。众所周知，大量矿物燃料的消耗是造成环境污染的主要因素。矿物燃料的短缺和环境污染的日益恶化等问题都促使人们更加关注可再生能源的开发和利用，尤其太阳能相关技术的研发备受关注。太阳能的利用技术从能量转换方式可分为两大类：太阳能光热利用和太阳能光伏利用技术。从目前的研究不难看出：两种利用技术的转化效率并不理想，尤其太阳能光伏发电效率相对较低。太阳能光热和光伏技术的结合，即太阳能光伏-光热技术，可以一定程度上提高太阳能综合利用效率。
目前，太阳热能的利用占一次能源的0.5%，而太阳光伏能源仅有0.04%[3]。因此，太阳光热利用和太阳光伏利用技术均具有广泛发展空间。相比于较理想的太阳能光热转换效率，太阳能光伏利用的发电效率普遍较低，通常在15~20%内。为克服这点，研究者提出了太阳能光伏-光热技术，即集太阳能电池与太阳能集热器功能于一体，采用层压或胶粘技术将太阳能电池（或组件）与太阳能集热器结合起来组成太阳能光伏/光热集热器（photovoltaic-thermal collector，即PVT集热器）。PVT集热器一方面通过冷却太阳能光伏板使光伏效率提高，一方面得到一定温度的热量，并由气体或液体回收利用。因此，双功能的PVT集热器与独立的太阳热能或太阳光伏系统相比，具有较高的综合转换效率，其市场潜力有望高于两种单独利用的系统。本文主要介绍PVT集热器性能研究的理论和实验结果，简述该项技术新近发展趋势及亟待解决的问题。
2. PVT集热器的性能研究
有关PVT技术的理论及实验研究始于20世纪70年代中期。Wolf和Florschuetz等人[4]提出了PVT集热器的主要概念。PVT集热器按冷却流体不同分为PVT液体（水、制冷剂）集热器和PVT空气集热器，按介质流动方式分为自然循环和强迫循环；按有无盖板又分为盖板和无盖板；按结构形式不同分为平板型和聚光型P，按与建筑结合形式的不同分为独立式和建筑一体化式。1979年， Florschuetz最早采用修正过的Hottel-Whillier模型对PVT集热器进行了详细的理论分析。随后，Raghuraman和Mbewe等人分别针对平板型、聚光型PVT集热器展开相关研究。在80年代后期，针对各类PVT集热器的性能模拟及实验研究成为热点。研究表明：太阳能热利用介质的冷却效果使光伏电池效率明显改善，且液体冷却效果好于空气冷却。平板型PVT液体集热器系统的理论热效率通常在45-70%，而空气型在优化情况下可达55%。
选择合理的工作温度对设计高效的PVT集热器至关重要。工作温度对不同类型光伏电池的PVT集热器性能影响不同。应选用价格相对较低，发电效率相对较高，并且受工作温度影响较小的光伏电池。一般来说，随着工作温度的升高，光伏电池的发电效率呈线性降低趋势。由于较低的温度系数及其价格优势，在一定工作温度范围内，薄膜光伏电池更适用于PVT集热器。但是由于晶体硅太阳能电池的发电效率普遍高于薄膜电池，所以目前的PVT集热器大多采用晶体硅太阳能电池。然而随着高效薄膜光伏电池的出现，加之较低的温度系数，该类型的电池对PVT集热器将更具吸引力。除了工作温度，集热器部件的光学性能、冷却介质的质量流量、集热器的结构参数等都是影响PVT集热器性能的重要因素[5]。因此，为保障PVT集热器综合工作性能，应根据工作温度区间选择适合的光伏电池类型，准确设计各主要结构参数，同时保证合理的运行参数设置，包括热电输出比例、太阳能百分比等参数。
3. PVT 集热器节能设计及应用
太阳能在建筑上的应用最为有效的方法之一是采用太阳能建筑一体化。现阶段，太阳能建筑一体化主要有两种体现形式：一是光热建筑一体化，在建筑上安装太阳能热水器、采暖器等，将太阳能转化为热能再加以利用。二是光伏建筑一体化，即将太阳能光伏产品集成到建筑上，充分利用建筑外表面，安装多种光伏发电产品，所产生的电能或供自身使用或并网输送。“十二五”规划中指明：太阳能建筑一体化将成为必然趋势，相比于太阳能热利用一体化、太阳能光伏建筑一体化，PVT建筑一体化(即BIPVT)更容易实现。一方面，PVT集热器的安装容易实现建筑立面统一化，相比于分别安装光伏板和集热器的情况，更符合审美要求；一方面，BIPVT可实现多功能：即在满足用户冷、热负荷需求的同时，可明显降低建筑冷负荷。Anderson等人[17]将BIPVT应用于一新建建筑，研究中采用修正过的Hottel-Whillier模型对所建系统进行模拟，并通过实验测量验证其所建模型。研究发现：对系统热电转换效率有显著影响的主要设计参数包括：翅片效率，光伏板与其支撑结构间的导热性以及层压方法。他们还指出BIPVT若采用价格较低的材料制成，比如彩涂钢板，对其综合效率影响不大。此外，他们发现用PVT取代屋顶材料，比直接在屋顶安装的方式更经济，并且可以利用BIPVT后方建筑阁楼内空气的低速自然对流换热替代专设的隔热层。这种方法在一定程度上降低了BIPVT系统的成本，这对于该系统的推广应用非常重要。Davidsson等人研发了多功能PVT太阳能窗，如图所示。为降低系统的发电成本，设计中采用了倾动式的反射器将太阳辐射聚集到太阳能电池板，该反射器同时可有效控制进入建筑内的辐射总量，同时可明显降低建筑通过窗户的热损失。研究结果表明：与垂直安装的平板光伏模块相比，单位面积光伏板年均产电高出35%。
太阳能PVT窗
综上所述，PVT 集热器技术，尤其是BIPVT技术，是一种具有前景的太阳能利用技术。为进一步实现该技术的工程应用及推广，亟待解决的关键问题有两方面：一方面提高其综合转换效率；另一方面降低其成本。提高PVT 集热器的效率，从设计角度考虑，一方面需要保证其对太阳光谱的吸收性，即在提高太阳电池吸收率的同时, 还应尽量增加PVT集热器对太阳光谱长波辐射的吸收；另一方面是改善PVT 集热器部件的传热问题[5]。原材料选择方面，则趋向于采用温度系数低、价格便宜且高效的薄膜光伏电池。从应用角度考虑，需要根据不同用途选择适合的集热器形式。
4.结论与展望
随着我国工业化和城市化进程的不断加快，人们对居住环境要求的不断提高，能源短缺、环境污染等问题成为人们关注的焦点。中国的能源消耗仍以煤炭为主，约占总耗量的69.5%，全球平均消耗仅为28.6%。众所周知，煤炭消耗过程中释放的二氧化碳远远超过其他能源。因此，相比于其他国家，中国的节能与环境之间具有更直接的关联。
建筑能耗是各行业中的耗能大户，在我国已接近总能耗的30%，其中供热通风空调的能耗已达建筑能耗的65%，因此减少这类系统能耗对建筑节能至关重要。许多专业人士及政策制定者都在这方面做出了很大努力，其中，PVT 集热器的合理应用将成为行之有效的技术措施。如上所述，PVT技术仍是相对较新的技术，目前多数研究仍处于理论分析和实验阶段，实际工程应用中仍存在许多亟待解决的问题。为进一步推进该技术应用及产品商业化，一方面应提高系统综合转换效率，降低系统成本，另一方面，从应用角度出发，根据不同的用户需求选择合适的PVT集热器，对于PVT 集热器复合利用技术其研究重点有以下几方面：PVT集热器与建筑一体化的结构设计与优化问题； PVT复合系统的合理配置，运行模式和控制策略优化问题；PVT技术与其他可再生能源综合利用等问题。因此，PVT技术有待进一步深入研究，使其成为人们普遍接受的实用技术，充分发挥其节约能源和环境保护的作用，为“十二五”规划节能目标的实现提供动力。
参考文献
[1] /roll/20110211/3387588.shtml，2011-02-11.
[2] ，2012-03-15.
[3]“Renewables in global energy supply: an IEA facts sheet”, IEA/OECD; 2007.
关键词：农业建筑环境与能源工程；太阳能工程；课程建设；实践教学；创新实验；课程思政
1引言
农业建筑环境与能源工程作为农业工程领域下辖的七个二级学科之一，是我国发展现代化农业产业、推进乡村振兴的基础学科。由于专业的针对性不强、农业产业发展缓慢以及一些学生对从事农业领域工作的偏见，因此该专业较少有高校开办且均由农业类大学设立。随着传统化石能源危机和全球范围的环境问题、温室效应越发突出，以及“双碳”背景下农业现代化、农村城镇化和现代新农村建设战略的实施，该专业将在低碳化农业及“新能源+新农村”的建设进程中发挥决定性作用[1]。太阳能作为一种清洁环保的可再生能源（5%的太阳能相当于世界能源需求的50倍），将其应用于社会发展的各个领域是缓解甚至解决人类面临的能源危机的根本途径[2]。近年来，结合我国能源产业结构改革，太阳能光伏发电和光热利用得到了广泛推广，从而推动了相关产业的快速发展。因此，农业建筑环境与能源工程作为农业工程领域中与能源利用紧密相关的专业，设立太阳能工程课程对确保整个专业课程体系构建的完整性、合理性和科学性具有重要意义。本文结合农业建筑环境与能源工程专业人才培养目标和河南农业大学（以下简称我校）在农业工程领域的学科特色，对太阳能工程课程的内容设置、课程思政建设、课堂教学改革、课后创新实验建设及考核方式多样化等环节进行探讨，从而实现对现有课程的改造与提升，满足新时代的人才培养需求。
2太阳能工程课程教学存在的问题
（1）教材针对性弱。由于太阳能工程技术涉及学科众多，因此太阳能工程课程的教材选择要具有较强的针对性。目前有关太阳能利用技术的教材较多。根据培养目标的不同，有些教材主要围绕光伏发电技术而展开，有些教材则是针对光热发电技术来阐述，但已有的教材主要集中于太阳能在工业及高端制造业领域的应用，偏离了农业类大学课程建设和人才培养目标，因此缺乏适用于农业建筑环境与能源工程专业的优质教材。（2）课程实验设备匮乏。完善的配套课程实验不仅可以激发学生的学习兴趣，而且能够帮助学生理解并掌握课堂理论知识，培养学生解决实际工程问题的能力[3]。目前尚没有企业开发针对太阳能光热转换和光伏发电的课堂配套实验设备，已有的实验平台存在体积大、可移动性和操作性弱等问题，导致实验教学不能有效融入课堂教学过程。（3）辅助教学资源较少。辅助教学资源是指可以丰富和强化教学过程的各类素材，如工程案例影视介绍、系统运行原理动态解析、复杂仪器的分解等教程。目前缺乏太阳能应用于农业工程领域的教学资源，从线上线下可以查阅搜集到的可用素材非常有限，且大部分素材为企业产品的宣传视频，不适用于课堂教学。教师只能采用文字描述或静态图片加文字注释的模式进行教学，不能有效激发学生的学习兴趣，课堂活跃度较低。（4）考核形式单一。在义务教育阶段，主要采用传统的考试方式，通过试题来考查学生对知识点的掌握程度，偏重于对理论知识的考核。到了大学后亦是如此，考试内容教材化、考试题型标准化、考核方式单一化以及考试前“临时抱佛脚”的现象凸显[4]。特别是大学生在脱离了家长和教师的约束后，容易出现迟到、旷课、逃学等问题，严重者甚至出现大面积挂科、拿不到学位证书的情况。
3太阳能工程的课程建设
培养目标和知识点之间的关系是影响课程内容设置的两个主要因素。在培养目标方面，要满足社会的需求且形成专业特色。我校农业建筑环境与能源工程专业立足于农业大省河南，历经了近四十年的发展，成为部级特色专业，在农村清洁能源利用如农林废弃物资源化利用（制氢/沼气）、粮食干燥和太阳能利用等方面取得了一系列成果，开设的相关课程主要包括工程热力学、传热学、沼气工程、生物质能工程、节能原理、能源与环境、可再生能源、太阳能工程等。太阳能工程课程开设的目的是使学生理解太阳能利用对新农村建设和低碳农业生产的重要意义，用专业的理论和方法处理农村能源相关领域需求要素之间的关系，最终运用所学知识对农业工程领域太阳能利用工程进行合理科学的规划和设计，使学生成为绿色农业工程方面的建设者、低碳农业生产技术的开拓者，为我国新农村建设和“双碳”目标的实现贡献力量。在知识点之间的关系方面，由于太阳能工程课程涉及光学、传热学、热力学、材料学、电子学以及环境学、地理学等多种学科，因此需要科学合理地设计先导课程，使学生循序渐进地学习课程知识，避免教学过程出现知识点错乱穿插及重复讲授等问题。可以参考现有的太阳能利用相关优秀教材、专著以及结合我校农业建筑环境与能源工程专业特色，加工整理自编讲义。教学内容包含五部分：第一部分，对太阳能的概述。使学生了解太阳能的特点、资源分布、利用方式和现状、太阳辐射计算等，掌握太阳常数、大气质量和太阳辐照度等基本概念。第二部分，首先介绍太阳能光热转换原理，通过常见的太阳能集热系统，使学生掌握与太阳能有关的热传导问题如导热、对流换热和辐射换热等，然后介绍常见的集热器如平板式、真空管式、槽式、塔式集热器以及新型的菲涅尔式聚光集热器的结构和原理。第三部分，利用太阳能空调系统使学生掌握太阳能制冷的物理原理和常用方式，包括吸收式制冷、吸附式制冷及喷气压缩式制冷等，并能够通过工程热力学知识对常见的太阳能制冷系统进行优化设计及性能评价。第四部分，通过简单的太阳能光伏发电系统使学生掌握光伏发电系统的构成、原理以及光伏系统评价指标和评价方法，了解光伏发电系统的分类及制造。第五部分，介绍太阳能利用技术的具体应用实例，即太阳能复合系统在农村能源领域的应用，如农村家用太阳能光伏发电、供热与空调集合系统（光伏屋顶），农业建筑（新型太阳能生态农业大棚）一体化太阳能光伏光热技术系统[5]，太阳能光伏/光热耦合生物质的分布式能源系统等。结合具体的农业工程应用案例使学生了解太阳能热电冷联供系统的常用形式、系统设计方法和系统运行控制策略等。
4太阳能工程课程教学改革路径
4.1加强课程思政环节
高等教育是提高我国核心竞争力、实现中华民族伟大复兴的基础，其不仅致力于提高学生的知识水平，还肩负着培育学生的思想品德、引导学生树立正确的政治方向等职责。大学课堂是实施人才培养和落实立德树人的主战场，有效地把课堂知识讲授与思想政治工作有机结合起来是推动课程思政建设的关键[7-8]。太阳能工程作为新兴的可再生能源技术产业，与我国经济建设、社会发展、环境保护和资源可持续利用等息息相关。可以通过介绍行业内有着突出贡献的人物如获得2020年太阳能热利用科学技术杰出贡献奖的葛新石教授以及因发明渐变铝氮/铝太阳能选择性吸收涂层技术而取得太阳能热利用技术重大突破的殷志强教授，从而对学生进行爱国主义教育，培养学生的奉献精神。通过介绍光伏产业发展史上具有代表性的企业如隆基股份、天合光能和晶澳科技等突破国外技术封锁、实现“弯道超车”的故事，培养学生勇于挑战、攻坚克难的品质。合理挖掘各章节知识点所蕴含的思政元素，能够实现课堂知识能力和思政素养的双重培养。
4.2实施教学方法改革
太阳能工程作为一门工程类课程，是在学生掌握工程热力学、传热学、流体力学基本理论以及电工电子技术的基础上开展的。因此，太阳能工程课程不能像上述理论课程一样局限于书本，并过多地关注理论知识的讲解与推导，而应当更多地把多媒体教学和实验教学融入课堂教学中[9]。利用多媒体视频使学生了解国内外有关太阳能利用的工程案例，确保课堂声像俱佳，不仅可以激发学生的学习兴趣，而且可以有效帮助学生理解理论知识[10]。另外，太阳能技术发展迅速，特别是在光伏发电技术领域，因此可以结合最新的科研讲座视频开展相关的教学研究，使学生在习得知识的同时掌握最新的科研动态，从而激发学生的学习兴趣、拓展课堂教学的深度。虽然现有的太阳能工程课程设置了相应的实验环节，但是理论教学和实验教学基本上是分开的，即在学生在完成了相关理论知识的学习后，再进行统一的实验。因此，可以把简易的实验引入课堂教学中，或者把课堂教学搬到实验室进行，实现理论教学和实验教学的有效结合。
4.3更新实验装置及实验内容
实验教学是帮助学生将理论知识转化为实际应用的重要环节，对激发学生的学习兴趣、启发学生思考及解决实际应用问题、提高学生的创新实践能力具有重要意义[11]。一方面，可结合我校农业建筑环境与能源工程专业特色，搭建太阳能光伏光热耦合干燥器实验平台，通过光伏发电为整个干燥系统提供强制对流动力，提升干燥效率；另一方面，通过换热器对光伏板进行冷却，提升光伏发电效率，同时对进入干燥系统的冷风进行预热。通过该平台了解太阳入射角影响、太阳能电池板伏安特性、电池板温度与输出功率间的关系等[12]，并且可以实验探究太阳能电池板冷却特性如冷却介质、换热工况及换热器形式等因素的影响。筛选出对太阳能利用技术有浓厚兴趣的学生，指导其完成诸如新型太阳能生态农业大棚的设计、太阳能干燥系统与吸收式制冷系统耦合的限氧干燥装置设计、利用热管和相变储热技术的太阳能沼气发酵加热系统设计等农业工程领域的创新实验，鼓励学生参加全国大学生节能减排大赛、全国大学生农业建筑环境与能源工程相关专业创新创业竞赛，形成以研促学、以赛促学的创新教学模式。
4.4考核方式多样化
人才培养模式
专业建设目标
探索“学校主体、行业指导、校企合作”的多层次专业建设机制，深化“做中学，学做合一”工学结合的人才培养方式。将新能源科学与工程专业建设成为教育理念先进、软硬件条件完备、人才培养质量优良和经济社会服务功能良好的特色专业，努力成为新能源行业高技术人才培养的摇篮。
人才培养目标
专业面向市场需求、产业和领域需求，从知识、能力和素质的三维空间构建人才培养体系，培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，且具有面向产业和领域需求的研发能力、工程组织和管理能力的创新型、复合型专门人才。学生毕业后有能力作为新能源材料研究、工程设计与开发、LED照明工程、太阳能光电/光热和储能系统及能源工程控制的教学科研、技术开发、新工艺和新技术、工程应用和技术管理的跨学科复合型专门人才。
人才培养规格
学生主要学习新能源及其利用、能源工程控制的基本理论，掌握各种能量转换与有效开发利用的理论与技术，接受现代工程师的基本训练，具备进行新能源相关领域的材料研发、系统设计与控制、新工艺/新技术设计和工程应用等综合能力。
（1）知识体系上，要求：①具有良好的数学、物理、电子、化学等方面的基础理论知识；②较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括太阳能光电/光热、LED发光照明、新型储能系统、材料科学基础、电子电路、计算机语言基础知识；③较系统地掌握本专业领域的专业理论、基本技能，具有从事专业生产、技术管理、工艺设计、性能测试以及新产品、新技术、新工艺及系统集成控制的研究与开发能力；④了解相近专业（如材料物理、自动控制、物理化学和物理学等）的一般原理和知识；⑤了解本专业领域的新成果和发展趋势，熟悉国家关于新能源产业与工程研究、科技开发及相关产业政策，国内外知识产权等方面的法律法规。
（2）能力要求方面，要求具备：①新能源相关的新产品、新技术、新工艺及系统集成控制的研究与开发能力；②熟练的计算机应用能力，具备材料设计和工程应用的编程能力；③外语的听、说、读、写、译基础，能阅读本专业外文书刊；④获取新知识的能力和追踪本学科发展动态的能力；⑤创新意识和一定的创新能力，具备撰写论文或技术报告的能力。
专业支撑条件建设
学科与学位点
专业拥有物理学一级重点学科作为学科支撑，拥有物理学一级学科博士点、能源与材料物理二级学科博士点、能源与材料工程硕士点3个支撑学位点。至此，学院拥有新能源科学与工程从本科到博士完整的培养体系。
师资队伍
专业现有专任教师12名，其中高级职称教师5名，具有博士学位8名，教师的专业方向涉及新能源材料、能源工程、电子及控制，师资队伍专业结构有效保证了人才培养模式的实施。近几年来，专业教师在科研方面承担了与可再生能源有关的包含863、国家自然科学基金、省科技重大专项以及产学研合作项目等10多个项目。在太阳能应用方面，开发生产太阳能集热板的关键技术和光热系统控制技术，研制太阳能光伏发电系统的关键技术和工程应用开发、开展太阳能电池材料基础研究；在锂离子电池方面，在锂电池正（负）极材料、电池块关键技术、电解液添加剂和锂电池研发平台等方面都具有很扎实的研究和应用开发基础。这些科研工作保障了本科专业的培养层次和行业竞争力。
完备的实验条件
新能源科学与工程专业是一门实践性很强的实验科学，因此，在课程设置中加强了实践环节设计，包括大学物理实验、大学化学实验、电子电工实习、工程训练（包括光伏、光热工程、锂电池生产、能源控制工程）等诸多重要实习实践环节。2013年获批福建省先进材料与新能源工程实验教学示范中心，建成了新能源基础实验室、新能源综合实验室以及专业创新实验室。其中，专业创新实验室主要包含纳米技术、锂电池技术、太阳能技术三个创新实验平台。尤其是已建成了100kW校内太阳能光伏发电实践基地和校内锂电池工程化实训中心。这些为学生实践能力和创新能力的培养打下了坚实的基础。同时，学院拥有福建省量子调控与新能源材料重点实验室，为本科生课外科技项目和毕业设计提供重要的实验条件。
校外实践实训基地
与飞毛腿（福建）电子有限公司、福建福晶科技股份有限公司、福建星网视易信息系统有限公司、福建三元达软件公司、福州众望达太阳能科技有限公司、福州日同辉太阳能应用技术有限公司等开展校企合作，建立大学生实践基地。2012年获批福建省“大学生校外实践教育基地”建设项目——飞毛腿（福建）电子有限公司。
主要专业方向
（1）太阳能光伏。包含太阳能电池材料与太阳能发电工程两个子方向。前者着重于太阳能电池材料性能改进、新型太阳能电池材料研发工作；后者着重于太阳能发电系统设计与模式运行研究、能源智能控制以及系统应用推广。
（2）太阳能光热。包含太阳能光热材料与太阳能光热工程两个子方向。前者着重于太阳能光热转换材料性能及新材料研究；后者主要开展光热工程系统设计、运行管理以及能源智能控制。
（3）锂离子电池。包含锂离子电池材料研究与锂电池工程化两个子方向。前者着重于储能材料性能及新型锂离子电池材料体系研究；后者主要开展锂电池生产与运行管理。
（4）智能能源测控。利用现代化通讯技术、嵌入式硬件技术、数字通讯及存储技术、传感器及控制技术以及最先进的计算机及网络技术，从能源管理角度开展节能、能源智能测量与控制研究。
需要进一步改进的工作
福建师范大学新能源科学与工程专业从专业设置至今仅实施2年，从专业的人才培养模式到课程设置和具体的实施过程，不可避免的存在一些问题，在积累专业建设经验的同时，在教材、师资、平台建设、科技活动等方面仍需不断改进和优化。
（1）教材问题。目前，需要做好新能源科学与工程专业的核心课程，特别是专业实验课程的教材建设。如新能源专业基础实验和综合实验课程，可结合实验项目开设、仪器选择先编写实验讲议义，经过几年的不断完善，编写出具有一定特色的专业相关实验教材。
（2）专业教师问题。当前，具有工科背景的教师很少，在今后的专业建设中，完善师资队伍专业结构将是一大任务。
关键词：建筑能耗；节能空调；太阳能；评价
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高潮。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高潮回归到零。
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
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[关键词]太阳能 利用技术 应用分析
[中图分类号] TK519 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-9-186-2
0引言
太阳能使用技术指利用太阳能的直接或者间接转化利用的技术。把太阳辐射能转变成热能并使用的技术就归属太阳能热利用技术；根据半导体器件的光伏效应原理直接把太阳能转换成电能称之太阳能光伏技术。太阳既免费使用，又不需运输，对环境也无任何污染。它是一个巨大无比的能源，它辐射到达地球表面的能量高达4*1015MW，相当于每年1.46*1018MW，约为全球能耗的2000倍。在目前的技术领域中，人们在对太阳能的转换、收集、储存运输等方面的应用研究，正在取得显著的进展。太阳能的利用主要是通过光电转换、光热转换、光化学转换等途径。
1太阳能利用技术
1.1太阳能的概念
太阳能（Solar Energy），通常是指太阳光的辐射能，近代科技中一般用作发电。自从地球出现生物就依靠太阳提供的光和热生存，在人类文明的进程中太阳一直扮演着极其重要的角色。古代人懂得利用阳光晒干衣物，还可以晾晒食物用以长期保存，如晒咸鱼和制盐等。在当前煤炭等化石燃料日趋减少的情况下，才开始把太阳能开发利用。太阳能具有巨大、普遍、无害和长久利用的优势。太阳能的利用主要分被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。
虽然太阳能热利用有着广泛的应用领域， 但最终还是能归纳为太阳能热发电（能源产出） 和建筑用能等，其中有采暖、空调和热水三个方面的用处。目前太阳能热利用最活跃且形成产业的就是太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。除此之外还有太阳能热泵、热推进技术等新型领域中也有相当多的研究与应用。
1.2太阳能的国内外开发现状
我国大部分地区处于北纬30°附近，夏季来临时太阳越过赤道往北回归线附近移动，给我们带来非常丰富的太阳能资源，所以太阳能的利用非常具有前景。由于中国人口众多，在太阳能利用方面处在世界前列，是全世界最大的国家太阳能热水器生产、使用以及太阳能光伏电池的生产。目前中国更具有技术含量的太阳能产品有两个： 太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统。
随着技术的改进，美日等国家硅半导体光电池的发电成本大幅度下降：从每瓦50美元下降到5美元。因此专家们认为使用太阳能电站比传统电站（主要是火电站）更具有市场经济竞争力，但是由于发展时间较短，所以还要将其成本再大幅下降才行。目前，美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。美国计划将其盐湖的8.3%面积（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。在死海之畔有一个1979年建的7000的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。这个电站使用的涡轮机是从使用寿命已届满而从直升机上拆的旧涡轮机，装机容量100千瓦，发电成本只需0.5美分/千瓦小时，效率高达40%―50%。
2太阳能技术的应用
2.1太阳能热水器
太阳能热水器是运行最多，应用最广泛的技术。在国际上，太阳能热水器产品从闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展过程中一路走来。当前热水器产品的发展方向仍是关注提升集热器的效率， 例如把透明隔热材料运用在集热器的盖板与吸热层之间，确保尽量少的使热量流失。
2.2太阳能热发电
太阳光发电的工作原理是在运用太阳能光伏技术直接把光能转变为电能的发电力方式。其中有光感应发电、光生物发电、光伏发电和光化学发电等方面。光伏发电是利用半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，把光能转换成电能的直接发电方式，是目前流行的太阳光发电方式。在世界上目前运用最广泛的太阳能电池是由单晶或者多晶硅组成的太阳能电池以及薄膜太阳能电池等。
在太阳能发电系统上可分为离网发电系统和并网发电系统：
（1）并网发电系统就是由太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换后适合市电配电要求的交流电后直接接入公共电网。并网发电系统中的集中式大型并网电站通常都是部级电站，其主要特点是把所发电能直接输送到公关电网中，再通过电网统一调配给用户。但这种电站投资大、占地面积大、建设周期长，所以并没有大规模的发展。而分散式小型并网发电系统，尤其是一体化光伏建筑发电系统，因为其投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等特点，是并网发电目前的主流。
（2）离网发电系统。是由太阳能电池组件、控制器、蓄电池等主要部件及其他附件组成的，若果配置交流逆变器还可以为交流负载供电。
2.3太阳能制冷
实现太阳能制冷有两条途径：一是太阳能光电转换，以电制冷；一是太阳能光热转换，以热制冷；前一种方法成本太高，应用非常少，所以一般情况下都使用以热制冷的途径。太阳能以热制冷的研究方向分为三个方面进行，就是太阳能喷射式制冷、太阳能吸收式制冷和太阳能吸附式制冷。除了吸附式制冷目前还在研究阶段，吸收式制冷和喷射式制冷均已经投入到应用阶段。
目前独立的、可靠完善的太阳能空调系统目前还不具备这样的技术，未来有可能发展完善的太阳能空调系统必须具备的是吸附式空调系统，而并非简单用热能带动的吸收式溴化锂系统。
2.4太阳能热泵
太阳能热泵系统是将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统。它工作的基本原理是： 在蒸发器吸热后，其经过压入热气体在压缩机中通过绝热压缩变为高温、高压的气体，再在冷凝器定压冷凝成为低温高压的液体，释放出大量的气化热，与冷凝水再将热量交换，使冷凝水加热成热水，供用户使用。还可以液态气体再经过降压阀绝热节流之后成为低温低压液体，并回到蒸发器定压吸收热源热量，蒸发变为过热蒸气，这样就是一个完整的系统。
2.5太阳能热推进
太阳能推进分别是热推进和电推进，STP是利用聚集的太阳能直接加热气体产生推力的推进技术。STP与电推进技术进行对比，并不需电能转换、管理分配系统等，从而使系统简单可靠、能量利用率高；与核火箭发动机相比， STP使用丰富充沛的太阳能，不可能有粒子污染，具有较好的对比作用；与化学能推进型发动机相比， 它的有效载荷质量比提高1.36―3.4倍，很大程度上节省了资源。STP是空间推进技术发展的一个重要方向，STP发展过程中关键技术是推力室的高温热结构设计、高性能吸收器和太阳能主聚光器的研制。
2.6太阳能路灯
太阳能路灯是使用太阳能作为能源的路灯，它不会因为供电问题而受到影响，且不会消耗常规的电能，也不用开沟埋线，在阳光充沛的地方就可以安装工作的特点。所以很受人们的欢迎，还有它不会污染环境，而被称之为绿色环保路灯。太阳能路灯不但能够用在城镇公园、街道、道路和草坪的照明运用中，还能够应用在交通不发达、不便利且常规燃料匮乏的地区，人口分布密度很小，所以不易使用常规能源发电而太阳能资源丰富的地区都可以使用，用来解决特别地区的生活家用照明问题等。
3结束语
随着目前世界上广泛关注的可持续发展战略，太阳能的开发利用已经被推到了非常具有价值的地位。随着国民经济的发展以及人口结构的变化，将对实现经济和社会可持续发展有着重大的挑战，在环保严格要求以及资源有限的双重制约下发展经济己成为全球关注的热点。所以要广泛采用太阳能光热的应用领域，政府必须及早成立新能源与再生能源的新生部门，并积极制定相关的法律法规，大力推动新能源和可再生资源的发展。
参考文献
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杨伟杰 （中国矿业大学，江苏 徐州 221008）摘要：简述了太阳能光伏技术的原理与系统构成，介绍了太阳能光伏技术在照明工程中的应用,并对其成本及存在问题做了简要的分析。 论文关键词：太阳能 光伏技术 照明方案 照明设备随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。目前太阳能应用技术已取得较大突破，并且已较成熟地应用于建筑楼道照明、城市亮化照明、太阳能热水供应及采暖等系统。尤其是太阳能光伏技术的发展，给太阳能在照明中的应用带来了更加广阔的前景。 1 太阳能光伏技术 太阳能光伏技术是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的技术。太阳能光伏系统主要包括：太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、照明负载等（见图1）。当照明负载为直流时，则不用逆变器（见图2）。 1.1 太阳能电池 太阳能电池组件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。太阳能照明灯具中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池并联构成的，因为受目前技术和材料的限制，单一电池的发电量十分有限。常用的单一电池是一只硅晶体二极管，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，形成内建静电场。从理论上讲，此时，若在内建电场的两侧面引出电极并接上适当负载，就会形成电流。近年来，非晶硅太阳电池的研制也取得了更大的进展，由于其具有生产成本较低、工艺简单、节省原料等优势，将在未来光伏技术中占有重要地位。太阳能电池的输出功率是随机的，在不同时间，不同地点，同一块太阳能电池的输出功率是不同的。太阳能电池的峰值功率Pm由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷决定。1.2 蓄电池 由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，达到一定阈值，才能供应照明负载。蓄电池的特性直接影响系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储预定的连续阴雨天夜晚照明需要的电能。1.3 控制器 控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池安全可靠地工作,以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。通过控制器对充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能灯具的设计来说，充放电控制电路的质量至关重要。1.4 DC-AC变换器 逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电变换成交流电。采用逆变电路，经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载额定频率、额定电压匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。逆变器也应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。2．太阳能照明方案 太阳能光伏技术的应用不仅在边远地区和暂时缺电地区具有十分重要的地位，在其它地区也已迅速普及，已经应用在交通、建筑、农林等各个行业中。尤其在照明工程中，更是异彩纷呈。2.1 城市亮化照明 目前太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用业已起步并以快速发展的势头逐步普及应用。学校、公园、住宅小区、别墅等场所的指示牌、警示牌、草坪灯、路灯等均可采用太阳能光伏照明技术，使公共照明更方便、安全、环保、节能。太阳能亮化照明的工作原理是：由太阳能电池板作为发电系统
关键词：锥形光纤；太阳光；照明；追光精度
中图分类号：TM923 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0014-02
1 概述
目前，能源的消耗随着经济的发展与日俱增。为了实现节能减排、保护环境和社会的可持续发展，世界各国都在寻找新能源来替代传统的化石燃料，而太阳能作为一种新型的绿色能源，越来越受到各国的关注和重视。
传统的太阳能利用技术都存在着能量转换过程中的损耗问题，而太阳光室内照明技术在不进行热、电和机械等能量转换的前提下[1]，直接把对人体有益的太阳光传导进室内并替代传统的用电照明，从而降低了照明能耗。
近年来，太阳光室内照明技术快速发展，许多国家的研究重点主要集中在降低技术成本与提高太阳光的利用效率上。目前，提高太阳光室内照明系统的追光精度主要有两种方法：一是提高追光装置的控制精度，使聚光光斑对准光纤输入端面。但这种方法需要精确的控制，难度大，成本高。二是扩大光纤的口径，使聚光光斑始终在光纤输入端面内。但大口径光纤存在成本高、占用面积大、弯曲性能差等缺点。
因此，本文提出一种简易且成本较低的提高太阳光室内照明系统追光精度的方法，目的是对传统的太阳光室内照明系统进行改进。通过利用锥形光纤的几何形状的优势，将锥形光纤与圆柱形光纤相结合，进一步提高太阳光室内照明系统的追光精度，从而提高了太阳光的利用率。
2 技术方案
2.1 系统结构
图1为太阳光室内照明系统的结构框图。太阳光室内照明系统主要由太阳光收集装置、太阳光自动跟踪装置和太阳光传输装置组成。其中，太阳光收集装置把平行入射到菲涅耳透镜上的太阳光聚焦成一个很小的光斑；由于太阳的位置随时都在变化，为了收集到更多的太阳光，太阳光自动跟踪装置控制菲涅耳透镜的位置，使它始终垂直于太阳光；太阳光传输装置的作用是把经滤光片后的可见光导入任何有照明需求的地方。
2.2 追光装置
国内外的追光方式主要分为三种：（1）视日运动轨迹跟踪；（2）光电跟踪；（3）前两者结合的混合跟踪。
本系统采用的是文献[2]中一种追光精度较高、控制简易且成本低的光电跟踪方式，以LM324楹诵模采用四个光敏电阻，并将它们分为两组，一组光敏电阻检测太阳的方位角（即东西方向），另一组光敏电阻检测太阳的高度角（即南北方向）。该控制电路由两部分组成：信号采集和信号比较，控制电路如图2所示。由于四个光敏电阻在光照强度不同的情况下阻值不同，因此利用桥式比较电路，分别在不同的LM324的输出端输出不同的信号，进而控制两台直流减速电机来驱动追光装置，实现菲涅耳透镜平面始终垂直太阳光线，从而有效地提高太阳光的利用效率。
2.3 锥形光纤
近年来，随着锥形光纤研究的深入，其独特的光学特性也引起了人们的重视[3]。由于锥形光纤的几何形状的特点，本系统引入锥形光纤来进一步减小追光系统的误差，使太阳光从大口径端向小口径端传播，将锥形光纤与圆柱形光纤相结合，可起到与采用大口径光纤相同的效果，既减少了成本又无需扩大占用面积。
锥形光纤是一种应用广泛的不规则光纤，但不规则光纤的光波传输特性的理论研究还不成熟[4]。因此，本文仅对基于几何方法的锥形光纤传输特性进行简单介绍。当太阳光从锥形光纤的大口径端面入射时，传播路径如图3所示[5]。
假设光线以？兹角度从大口径端面入射，其在纤芯中第n次反射角？琢n为[6]：
由于在锥形光纤中锥角？啄≠0，因此，由式（1-1）可知，随着反射次数的增加，反射角？琢n不断减小，光线的传播模式也由低次模向高次模转变，全反射条件略微受到损坏，部分高次模将渗透到包层及光纤外，造成能量的损失[7]。
锥形光纤的数值孔径NA为[8]：
由式（1-2）可知，锥形光纤大口径端半径a和小口径端半径b的比值越小，其数值孔径越小，则光纤中传输的光线越少。同时，由于锥形光纤和普通光纤的数值孔径不同，当这两种光纤连接时，将产生一定的损耗[7]。
由于采用锥形光纤传输太阳光存在光线损耗问题，因此，需要通过合理设计锥形光纤的尺寸来降低光线的损耗。本文仅考虑系统的追光误差，不细究锥形光纤的损耗问题。
3 实验结果
3.1 追光误差测试
本文针对是否加入锥形光纤进行系统误差对比测试，每隔20分钟采样一次，如表1所示。
经过多次误差测试，本系统确定了锥形光纤的尺寸：大口径端半径a=10mm，小口径端半径b=2.5mm，长度L=40mm。由上述数据可以看出，加入锥形光纤后，本系统的误差有明显的降低，且追光误差在0.9°以内。由于采用了锥形光纤，理论上无论何时，光斑都不会偏离出锥形光纤的入口端面，但由于存在机械结构、控制精度和人为测量的误差，导致测试结果不够理想。
3.2 光照强度测试
由图4所示，在阳光下照度值为97000LUX时，本系统输出端半米处的照度值为61700LUX，一米处的照度值为35900LUX，光照情况如图5所示。测试结果表明本系统的照明性能良好，能对一定的空间进行基本的照明。
4 结束语
目前，提高太阳光室内照明系统的追光精度主要有两种方法：一是提高追光装置的控制精度，二是扩大光纤的口径。但前者需要精确的控制、难度大、成本高，后者成本高、占用面积大、弯曲性能差。因此，本文提出一种简易且成本较低的提高太阳光室内照明系统追光精度的方法，利用锥形光纤的优势进一步降低太阳光室内照明系统的追光误差。
虽然采用锥形光纤传输太阳光存在光线损耗问题，但通过合理设计锥形光纤尺寸能够有效降低能量的损耗。本文仅针对系统的追光误差以及光照强度进行测试，结果表明本文提出的方案可行、有效，既简易又无需扩大占用面积，具有较高的实用性。
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摘要：从宏观环境及五种竞争力量模型方面对皇明太阳能集团市场环境进行了较为详细的分析，并对其发展提出了建议。
关键词：宏观环境；太阳能热水器；竞争
皇明太阳能集团有限公司设在山东省德州市，是集科研、生产、贸易于一体的大型民营股份制企业集团。集团连续15年在产量、销量、质量、技术、生产规模、品牌价值等方面位居同行业之首。主要产品有全玻璃真空集热管、太阳能热水器、大型集热系统等八大系列、100多个品种，是行业中唯一一家真空管和太阳能热水器同时全面通过IS09002质量管理体系认证的厂家。2010年，山东省德州市以皇明股份为依托，击败了来自美国、日本、意大利等国的强大竞争对手，成功申办了第四届世界太阳城大会，2010年第四届世界太阳城大会在皇明股份总部所在地中国太阳谷德州成功举办。
在现阶段发展势头良好、实力雄厚的皇明太阳能集团市场发展环境如何？能否可持续发展？本文通过对其宏观环境和微观环境的分析，提出其发展建议。
一、皇明太阳能集团宏观环境分析
1.政治法律环境分析
20世纪以来，随着经济的高速发展，能源危机和环境污染越来越严重，为了缓解我国能源危机及环境污染问题，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到重视。
1992年联合国环境与发展大会之后，中国政府率首先制定了《中国21世纪议程》，提出积极开发利用太阳能、风能、地热能和生物质能等可再生能源，保护环境，坚持走可持续发展的道路。
2007年10月28日修订的《中华人民共和国节约能源法》第七条第一款规定：“国家实行有利于节能和环境保护的产业政策，限制发展高耗能、高污染行业，发展节能环保型产业”。
在2006年2月9日，国务院出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，在能源主题中，要求到2020年可再生能源在能源消费中的比重将达到16%，其中太阳能热水器总集热面积达到3亿平方米。
2006年月1日施行的《中华人民共和国可再生能源法》第十七条第一款规定：“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。”2009年12月，全国人大常委会通过对《中华人民共和国可再生能源法》的修正案，进一步强化了对太阳能等可再生能源的支持。
2008年12月31日，国务院办公厅《关于搞活流通扩大消费的意见》，提出全面推进家电下乡工作，从2009年2月开始，包括太阳能热水器在内的一系列产品将被补充到家电下乡政策补贴范围，补贴率为太阳能热水器售价的13%。
这些为太阳能热水器的生产与安装提供了一个特别有利的政治法律环境，也为太阳能热水器的推广应用提供了法律保障。
2.经济环境分析
经过30年的改革开放，我国经济获得飞速增长，人民生活水平得到显著提高。2010年国内生产总值现价总量为397983亿元，按不变价格计算的增长速度为10.3%，人均GDP达到4382美元。其中，2010年城镇居民家庭人均总收入21033元，城镇居民人均可支配收入19109元，比上年增长11.3%，扣除价格因素，实际增长7.8%。农村居民人均纯收入5919元，比上年增长14.9%，扣除价格因素，实际增长10.9%。［1］据预测，到2015年我国国内生产总值将达到55万亿元左右，人均GDP将达到6700美元。随着人们收入的提高，价格为1500-4000元的太阳能热水器完全可以成为大多数中国居民的家用耐用品之一。
3.社会文化环境分析
随着我国居民生活水平和生活质量的显著提高，以及国家政策的导向和媒体宣传的深入，居民的节能环保意识也越来越强，绿色、环保、健康已成为消费者购买家用耐用品时的重点考虑的因素，太阳能热水器因其无污染、节能、环保、安全的特点，越来越受到人们的青睐。现在太阳能热水器已逐渐成为城镇居民家庭中的必备家用耐用品之一，而且随着农村经济的快速发展，也逐步向农民家庭延伸。其用途也从单独供给洗澡用热水扩展到洗漱、洗衣服、涮碗、洗菜等日常生活用水。此外，与其他能源相比较，市场化的煤价、电价、气价越来越贵，太阳能热水器相比传统能源具有显著的成本优势。正基于此，所以人们对太阳能热水器的需求越来越迫切。［2］
4.技术环境分析
目前国内太阳能的开发与利用技术主要包括太阳能热利用与太阳能发电技术。
在太阳能热利用方面，普遍应用于太阳能热水器和热水系统，在太阳能海水淡化、太阳能采暖、太阳能制冷及太阳能干燥等方面也得到了一定程度的应用。目前，太阳能热利用领域只有太阳能热水器及太阳能热水工程实现了产业化，其他多处在研发和小批量生产阶段。［2］太阳能热水器及太阳能热水工程占据了太阳能热利用大部分的市场份额。太阳能热水器主要由集热器、保温水箱、支架和连接管道组成。其中集热器是太阳能热水器的核心部件，其又分为真空管型、平板型和闷晒型三类。目前市场上真空管太阳热水器在占主导地位，它采用全玻璃真空管作为吸热元件，它的质量直接决定了整台热水器的使用性能，因此，真空集热管技术是整个太阳热水器的核心技术。目前，我国在该项技术上已达到世界最先进水平。
太阳能发电技术主要包括光伏和光热两种发电技术。光伏发电是利用光电转换器件晶体硅太阳能电池将光能直接转变为电能的一种技术。光热发电是利用聚光集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环持续发电的技术。［3］目前我国光伏发电技术经过几年的发展已相对比较成熟，基本掌握了高纯多晶硅材料的生产技术，光伏产业也得到迅速发展，已形成多晶硅生产、铸锭、硅片切割、电池制造、组件封装，电站集成的完整产业链，但由于受生产成本的制约，光伏发电还没有大规模应用。目前我国光热发电无论从技术上还是从应用上来说都还在起步阶段。
二、皇明太阳能集团的市场竞争环境分析
竞争五力分析是从新进入者的威胁、供应商议价能力、购买方讨价还价的能力、替代品的威胁、现有竞争对手之间的竞争五个方面来分析企业的竞争环境。
1.新进入者的威胁
由于进入太阳热水器行业的壁垒比较低，再加上巨大的潜在市场需求，吸引着一大批新加入者。但由于未掌握核心技术，不具有品牌效应，他们的生产成本较高，产品质量较差，竞争能力较弱。
2.供应商讨价还价的能力
目前生产太阳能热水器所需的原材料主要是锈钢板材、热镀锌板材、聚氨醋保温材料和高硼硅毛坯玻璃管等，而生产这些原材料的行业都已非常成熟，供应充足、竞争充分，不存在原料供给风险。作为太阳能行业内的龙头企业，皇明太阳能集团选择原材料供应商的余地很大，因此供应商讨价还价的力量还是比较小的。皇明集团可以利用此优势，让原材料供应商在保证质量的前提下，尽量压低原材料的价格，从而降低生产成本，获得更大的利润空间。
3.购买方讨价还价的能力
由于目前生产太阳热水器的厂家众多，并且还有燃气热水器、电热水器等替代品，因此消费者选择的余地很大，购买方讨价还价的力量还是比较大的。因此，如何赢得消费者，让他们选择自己的品牌是十分关键的。
4.替代品的威胁
目前，太阳能热水器的替代品主要有电热水器、燃气热水器、空气能热水器等。在替代品中，由于电热水器和燃气热水器没有太阳能热水器节能、环保、安全，所以太阳能热水器越来越受到消费者的青睐，市场所占份额也越来越高。到了2009年，太阳能热水器所占市场份额（57.2%），甚至远远超过了电热水器和燃气热水器所占市场份额之和（42.8%）。在替代品中，威胁最大的是空气能热水器，因为空气能热水器既具有太阳能热水器节能、环保、安全的优点，又克服了太阳能热水器阴雨天不能使用及安装不便等缺点，具有高安全、高节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点。2010年底，全国空气能热水器企业已经超过了500家，市场规模超过35亿元，以后每年还将以30%的速度增长。
5.现有竞争对手之间的竞争
太阳能热水器行业在经历了2009年的井喷，2010年的高位回调后，2011年进入了行业加速洗牌期。虽然太阳能热水器企业在数目上有所减少，据统计，太阳能热水器生产企业由2009年年底的7500余家缩减为2011年4月的4000余家，但是中国太阳能热水器产业竞争依然激烈。在现有企业之间，皇明太阳能集团的竞争对象主要有三类：第一类是追求短期利益的小作坊式的企业，这类企业为数不少，大约占总数的95%左右；第二类是有一定实力和规模的以长期发展为目标的专业化生产企业，如清华阳光、太阳雨、桑普、华扬、力诺瑞特、桑乐等，这类企业数目不是很多，大约100家左右；第三类是知名家电品牌生产热水器的非专业化企业，如海尔、澳柯玛、万家乐等。在这三类企业中，作坊式的小企业由于投资并不大，退出壁垒比较小，赚不到钱就马上退出，因此他们一般不会赔钱去竞争，竞争也不会到你死我活的地步。而且随着品牌企业的建立，人们已经意识到小作坊生产质次价低的产品的危害，有不少用户对其深恶痛绝，所以这类企业对皇明太阳能威胁不是太大。第三类企业由于不是以太阳能热水器为主业，所以无论在技术、规模、人才上都不占很大的优势，所以对皇明太阳能集团也构不成很大的威胁。对皇明太阳能集团威胁最大的应该是第二类企业，尤其是排名前10位的品牌企业，这些企业无论从生产、成本与定价还是从市场定位、营销渠道、服务几个方面来看，均在该行业拥有某方面的优势，或开发出具有前瞻性的新产品，或致力于开拓国际市场，或在技术研发上优势明显。因此，在竞争激烈的太阳能光热行业，皇明要取得长足发展，必须制定切实可行的体现自身特色的竞争战略，建立企业的市场竞争优势。
三、结语
从以上几个方面综合分析来看，目前皇明太阳能集团具有良好的发展环境，有国家政策的鼓励，而且随着经济的发展，市场需求量和潜在用户也迅速增长，况且新的替代品空气能热水器还没有形成足够的威胁，市场前景十分广阔。虽然目前国内的生产厂家很多，但大部分是生产质次价低的小作坊式的生产企业，而且随着消费者意识的提高和市场的成熟，这些小企业将逐步被淘汰。目前整个太阳能热水器行业中还没有占绝对优势的品牌，因此还没有形成寡头垄断竞争的局面。皇明太阳能热水器集团可立足目前的这种市场状况，利用自己的技术优势，走差异化战略，争取上市扩大融资渠道，甩开竞争对手，必将有广阔的发展前景。
参考文献：
［1］ 中华人民共和国国家统计局.中华人民共和国2010年国民经济和社会发展统计公报［EB/OL］.新华网，2011-03-01.
关键词：太阳能建筑节能热利用光电技术
一、引言
地球暖化日趋严重,全球都在努力降低碳排放。建筑耗能产生之温室气体更是其中之大宗,根据欧盟之调查,建物之耗能约占全球各种民生耗能之40%,尤以制造传统电力所产生之二氧化碳与室内冷气空调所产生之氢氟碳化物(HFCs)为两大主要温室气体。
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的无污染能源。地球拦截的太阳辐射能相当于目前全球电力消费量的1500倍。而依靠现有的技术以及经济条件，供开发利用的太阳能只占理论资源量的很小一部分，因此如果我们能在建筑上大幅提高太阳能利用率,就能很好地降低建筑能耗，达到低碳目标。
二、太阳能在节能建筑中的利用及技术
太阳能在节能建筑中的应用形式主要有太阳能的热利用和太阳能光电技术。目前，从我国的实际情况来看，太阳能在建筑中的热利用为主要应用方式，尤其是以太阳能在建筑采暖、空调和供应热水等方面的应用为主。
1.太阳能的热利用
太阳能采暖系统一般分为两种，一种是被动式，即与房屋的结构体相结合，以建筑物本身作为蓄热体，白天吸收热空气，夜间依靠墙体放热采暖。另一种是主动式，即在建筑的屋顶上安装平板集热器，使其与太阳辐射成倾角吸热，然后以热水方式储存太阳能，利用太阳能供暖供热水等等。
2.太阳能光电技术
太阳能光电技术主要是利用单晶硅或多晶硅将光能转化为电能，，即太阳能光伏发电，为建筑提供清洁能源。光伏电板是太阳能电池组件组合而成的，重量比较轻，厚度比较小，只要在屋顶上预先设计支架便能有效地将太阳能光伏电板安装上去，建材化的太阳能光伏板可以减轻屋顶的荷载。太阳能建筑的光电利用，主要是用来实现太阳能照明。
目前较为先进的太阳能与建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合，利用太阳能集热器替代屋顶覆盖层或替代屋顶保温层，既消除了太阳能对建筑物形象的影响，又避免了重复投资，降低了成本。
三、我国太阳能在节能建筑中利用的现状及存在的问题
作者简介：李娜，浙江义乌人，浙江工业大学在读研究生，义乌工商职业技术学院讲师
1、太阳能热水器（系统）
我国的太阳能热水器产业进入20世纪90年代后期以来发展迅速，目前国产产品几乎完全占有了我国的太阳能热水器市场，某些著名品牌还出口国外。
但是长期以来，太阳能热水器一直是房屋建成后才由用户购买安装的一个后置部件，随着太阳能热水器在城市普及率的不断提高，由这种使用方式而带来的一系列问题和矛盾也逐渐显现，特别是对建筑物外观和房屋相关使用功能造成的影响和破坏，直接导致了一些城市和小区、单位的主管部门出台不允许安装太阳能热水器的管理规定，严重制约了太阳能热水器的进一步发展。
2、太阳能供暖、空调
主动式太阳能采暖由于系统复杂，设备多，所以初投资和经常维持费用都比被动式太阳能采暖高。我国过去采取的政策是优先发展被动式太阳能采暖。这种太阳能供暖系统投资费用高并且春、夏、秋季热水过剩，需通过季节蓄能技术和全年的综合利用来解决。
由于空调的应用需求和太阳能的供给量保持很好的一致性，即天气越热，越需要使用空调时，相应的太阳辐照量也较大，所以太阳能空调是我国最早进行太阳能应用的研究领域。太阳能空调技术的工程应用，其主要问题是投资较高，所需要的太阳能集热器面积较大，该项技术的推广取决于中、高温太阳能集热器的开发和降低成本。
3、光伏技术太阳能建筑
利用光伏并网发电技术提供房屋用电能耗的太阳能建筑，近年来成为世界太阳能利用的热点，发达国家中建成并投入使用的该类太阳能建筑已有相当数量，在我国则处于起步阶段。在与建筑的结合和工程应用方面与发达国家还有不小差距。
由于光伏电板太阳能屋顶系统使用了较为新型的高科技材料，它相对太阳能集热器屋顶而言，造价相对要高，初投资十分昂贵，现在大多在如义乌国际商贸城这样的公共建筑中使用，从而影响了它的推广。
四、节能建筑中太阳能应用技术的发展方向和对策
1、太阳能热水器（系统）与建筑相结合
我国人口众多，多层和高层建筑是住宅建设的主流，要使太阳能热水系统真正与建筑相结合，必须逐步改变现在为每家每户单独安装太阳能热水器的作法，而代之以在每栋建筑上安装大型、综合的太阳能热水系统，统一向各家各户供应热水，并实行热水计量收费。太阳能热水系统的建筑一体化比较符合目前我国的实际情况和技术水平。
只要做到在房屋设计之初就同步进行太阳能热水系统的设计，解决相关的建筑一体化设计问题并不困难。此外，政府应该出台相应的引导政策和激励措施，鼓励房地产开发商投资建筑一体化的太阳能热水系统。随着人民生活水平的不断提高，具有24小时供应生活热水功能的商品住宅越建越多，今后供热水会逐步成为住宅的必备功能，无论从节能还是环保角度来看，太阳能热水系统都有其明显的优势。初投资增加不多，运行费用却大大节省，而且包含了"绿色建筑"的概念，既能给房地产开发商带来新卖点，又能减少物业管理部门的日常开支，对国家、企业和用户都有好处。
2、太阳能供暖、空调系统规模化
利用大、中型太阳能供热、采暖技术和利用太阳能冬季采暖，夏季空调、全年供应热水的三联供技术是今后太阳能热利用技术在建筑中应用的主要发展方向，而被动太阳能建筑设计技术是基础，因为必须首先大幅度降低太阳能采暖空调建筑本身的能耗需求。太阳能热利用系统的关键部件是太阳能集热器，与太阳能热水系统相比，太阳能供暖、空调系统对太阳能集热器的热性能提出了更高的要求。太阳能供暖系统是在冬季使用，环境气温较低会加大集热器的热损失，夏季空调使用的吸收式制冷机需要高温水作热源，要求集热器产生至少85℃以上的热水，而目前国内的集热器产品主要是为适应太阳能热水的使用要求，用于太阳能供暖、空调系统时的热效率较低，直接影响了系统的效益。所以，开发可适用于太阳能供暖、空调系统的中、高温太阳能集热器至关重要，也是今后的努力方向。
3、太阳能并网光伏技术与建筑结合
降低光电池、逆变器的制造成本，开发能与光电池有机结合的新型建材，解决并网问题，是推进光电太阳能建筑发展的关键；而要降低成本，产品必须要有一定的生产批量，所以拓宽应用范围是当务之急，不能因为目前光电太阳能建筑的高投资就止步不前。开拓市场可以重点抓两个方面，一是解决偏远无电地区的照明及用电；二是针对特殊用途建筑，例如奥运场馆等标志性建筑、旅游度假村、边海防营房等，建设光热、光电综合利用太阳能建筑。后者更为重要，只有解决了光热、光电综合利用实用技术，才能增加太阳能光电池的市场竞争力。
五、结论
太阳能是最清洁、最廉价的能源，在目前我国限制使用燃煤锅炉，燃油价格及电价上涨的情况下，在建筑节能方面大力推广使用太阳能采暖制冷系统、生活热水系统及光电系统，是节约能源、保护环境的有效途径，具有重要的现实意义。同时，在太阳能在建筑节能的具体应用过程中，应特别注意太阳能与建筑的一体化设计，努力减少太阳能系统对环境和建筑本身带来的不良影响，实现人―居―环境的和谐发展。
参考文献：
[1] 马文生郝斌. 光伏建筑一体化相关问题的探讨.可再生能源.2011年01期
[2] 吴振一. 太阳能在建筑节能领域的应用创新.城市住宅.2011年01期
[3] 赵彦民 任璐.建筑节能研究现状及展望[J].粉煤灰综合利用.2010年04期
【关键词】：太阳能；光伏发电；控制系统
1、导言
能源问题一直受到社会的普遍关注，因为这不仅关系到社会的发展，还对于自然环境产生重大的影响。而太阳能作为一种可再生的清洁能源，随着科学技术的发展，越来越得到广泛的运用，太阳能资源不但可以取代部分常规能源，可以预见的是太阳能资源将在世界能源消费结构中获得越来越重要的位置，并在将来成为世界能源的主要供应方。
2、光伏发电原理叙述
太阳能资源是一种清洁能源，光伏发电技术不受地域限制，能够大规模使用，可以独立发电或联合发电。光伏发电技术的主要原理是光生伏特效原理，运用这一原理，以太阳能电池为载体，将太阳光直接转化为电能。太阳光照耀半导体材料达到一定的时间长度后，光能输入到电池，再经由电池转化为电能。它的产生主要有两个进程，分别是光波转换为电子、光能量转换为电能量的进程和形成电压的进程，电压的形成是电路回流形成的前提。
3、对于太阳能光伏发电系统有效控制的措施
3.1 对太阳能电池组件合理配置
目前多采用太阳能电池组件一般为单晶和多晶硅太阳能电池。其基本上由钢化玻璃、TPT等材料热压密封制成，具有坚固、抗寒、耐高温、安装简便等优点。在太阳能电池组件内部封装了多个电池单元，电池单元经过串联/并联后能有效提供电池组件的输出电流和电压，便于实际使用，目前普遍采用60或72片封装。
3.2 正确选择太阳能光伏控制器
在太阳能光伏发电的控制器选择中，要根据系统电压的等级来进行选择，同时还需要详细计算发电系统的容量以及组件串的并联数量，来确定控制器的控制方式。例如，直流路灯的光源是30V，那么控制器应该选择30V。对于控制器是否具有蓄电池放电控制功能，这是根据负载特点来决定。对于用户的其他需求而设置的一些功能，则需要根据相关的控制器产品型号经过比较来选择。
3.3 最大功率点的监测
众所周知，光伏发电系统受到太阳的光照强度以及周围温度的影响，导致电力输出的变化很大，所以需要根据太阳能电池所能产生的电能输出功率，找到最大功率的转化效率，即最大功率点后，就可以在实践中对太阳能发电更好地进行利用。目前对于最大功率点的监测方法就是利用恒压跟踪法以及自适应算法等多种方法，有效监测出太阳能光伏电池的输出功率变化与阳光强度以及温度的关系，找到功率输出最大时的电压。
3.4 对蓄电池电压的有效控制
在整个太阳能光伏发电系统中，要想进行有效的控制主要就是对充电器和逆变器的控制。控制器要负责对整个发电系统的最大功率点进行监测，使得整个系统发挥到最大的功效，并且还要对蓄电池的充放电进行有效调节，防止蓄电池过度充电以及快速放电而受到损害，影响使用寿命。目前对于蓄电池的电压检测一般对于整个充电系统的外环电压进行监测，采用在线式电压检测方法，当监测的电压结果达到最大值的时候就证明电池已经充满。由于蓄电池端电压在充电停止后电压会出现变化，不能发挥最大功效，所以需要采用一种离线式的检测方法。同时，对于蓄电池的自放电问题，可以采取设置放电自锁功能进行有效应对。在具体的运用中就是利用集成运算电路的电压反馈特性。当达到下限电压，出现信号反馈到下限自锁功能的时候就会出现自动关闭，停止放电。当蓄电池充满后，就可以重新将蓄电池打开，继续供电，这样就可以确保蓄电池的高效运行。
3.5 对逆变器的合理选择
在整个太阳能光伏发电系统中，逆变器作为一个不可或缺的部件，也会需要消耗一定的电能来维持自身的运行。因此，它的输入功率要比输出功率大，所以对于整个逆变器的效率而言，就是输入功率与输出功率之间的比较。在整个发电系统中，逆变器就是需要将太阳能的直流电转化为交流电，对于太阳能电池的效率发挥具有关键的作用，所以要想对于太阳能发电系统进行高效运行，就必须要选择高效率的逆变器，确保整个太阳能光伏发电系统发挥到最佳状态。一般情况下，逆变器还具有自动调压和手动调压等功能，可以在具体的运行过程中进行有效的调节，确保光伏发电的供电效率。
3.6 进行有效的并网发电控制
光伏逆变器能够将电池组件发出的直流电逆变为与电网频率相同，满足电网电能质量要求的交流电，从而让光伏发电系统能与公共电网连接。但是由于太阳能光伏发电系统具有一定的独立性，当国家电网需要维护和检修的过程时，就会处于断电状态，而这时如果太阳能发电系统依然处于运行状态，就会形成孤岛效应。这就容易对维修保养的工作人员先造成危害，而且也会因自身的负载过大，导致电力和电压的不稳定，损害整个太阳能发电系统。对于这个问题，为了对光伏发电系统进行有效控制，就需要在逆变器具备有自动侦测功能，即防孤岛保护。一般这种侦测分为主动和被动两类，主动侦测就是逆变器主动释放一个信号，观察电网是否正常运行；被动检测就是当电网的功率和电压出现异常情况，而导致光伏发电系统的电压、相位等情况发生改变，而做出的判断。同时还有一种特殊的情况，就是国家电网突然跳闸断电，也会对太阳能发电系统产生较大的影响，一般这种情况比较少见，但是也需要注意监测。
结论
综上所述，与发达国家相比，我国太阳能光伏发电还有很多需要完善的地方，需要政府及相关部门予以政策和资金上的支持，以保证新能源和可再生能源得以良好地发展。相关能源工作人员做好本职工作，在实践中不断进步，推动我国光伏发电产业朝着健康、有序、蓬勃的方向发展。未来将逐渐扩大其应用领域，提高我国太阳能装机容量的复合增长率，借助太阳能光伏发电产业的发展推动我国经济发展，从而提高我国的国际竞争力和综合国力。
【参考文献】：
[1] 冯孝.浅析太阳能光伏发电技术及其应用[J].建筑工程技术与设计，2015，19（30）.
关键词：太阳能瓦片；小户型；屋顶光伏发电系统
对小户型的屋顶光伏发电系统来说，光伏建筑一体化设计能发挥非常好的能效。这是因为小户型建筑的屋顶空间有限，对发电量的需求通常也比较低，所以相比注重光伏发电量和发电效率的的分离式光伏发电设计，发电效率较低但节省空间、综合性能高、功能多样化的一体化设计更适合小户型建筑。在光伏建筑一体化的相关技术中，屋顶用的太阳能瓦片技术是典型代表，该技术融合了光伏发电设计与建筑瓦片设计，令瓦片可以同时满足光伏发电功能和建筑上的力学、防水、防晒等功能，具有很高的实用价值。
1 屋顶光伏发电系统概述
光伏发电系统视其安装位置的不同可以分为两种，一种是安装在建筑外墙位置的侧面光伏发电系统，另一种是安装在屋顶的屋顶光伏发电系统。其中以后者更为常见，因为这种光伏发电系统可以后续添加，具有更高的适性，即使是太阳能瓦片这种对设计有较高要求的光伏发电系统，也只需要在建筑屋顶进行少量的后期设计改造就能实现。基于上述原因，屋顶光伏发电系统拥有更高的应用普及价值。
2 屋顶光伏发电系统在我国的发展现状
（一）我国屋顶光伏发电系统的技术发展现状
我国的光伏产业虽然在近些年呈现欣欣向荣的发展趋势，但从总体技术水平来看仍处于初期的发展培育阶段，相关技术远远称不上成熟。目前来看，我国的光伏发电技术有如下几个特征：
其一，能量转换率低。这是目前制约我国光伏发展的最主要因素，也是要面对的首要问题。我国的光伏发电系统通常只有10%到15%的实际转换率，过低的转换率令光伏发电的成本居高不下，大大降低了技术实用性。直到2010年推出了转换率达到26%的聚光光伏发电技术，这种状况才有所好转，但提高能量转换率依然是光伏发电的首要技术目的。
其二，技术应用化程度不高。我国目前有相当一部分研究机构在进行光伏发电系统的研究，包括光伏企业、各个大学的实验室等，但这些机构中有相当一部分重理论，轻实践，获得的技术成果局限于实验室里，应用程度不高。还有部分研究人员的光伏技术研究与实践缺乏联系，偏离目前对光伏发电系统的实际需求，导致研究成果的社会能效不大。
其三，环境能效相对成熟。我国目前常用的屋顶光伏发电系统理论寿命普遍超过十年，其能量回收周期则大致在三年左右。所以仅从环境能效上来看，我国的光伏发电系统还是有相当水准的，能够在环保节能方面发挥相当大的作用。
（二）我国屋顶光伏发电系统的行业发展现状
从行业发展的角度来看，我国光伏产业的现状有如下两方面特征：
其一，零散发展特征。我国的光伏产业非常分散，缺乏统筹规划，这使得虽然有部分地区或建筑在光伏发电系统的应用上获得了极好的成效，但总体水平迟迟得不到提升，各地的产业发展参差不齐。
其二，社会效益低。光伏产业受限于技术水平，目前还无法实现太高的经济效益，这是其社会效益得不到提升的主要原因。另一方面，我国的光伏产业还无法实现完全独立的产业链经营，晶硅材料之类的主要原材料还要依赖国外的加工技术，这对我国光伏产业的社会效益也造成了一定的负面影响。
3 屋顶光伏发电系统的设计方式
（一）光伏组件设计
光伏组件的设计是传统屋顶光伏发电系统中的主要设计环节，在以光伏建筑一体化理论为基础的光伏设计中，该环节更为重要，也更为复杂。因为太阳能瓦片同时负担光伏发电和建筑功能两方面的任务，所以在选择光伏组件时不只要关注组件的发电能效，还要注意与瓦片基底的组合适性。
光伏发电系统中常用的光伏组件有三种，分别是晶硅组件、薄膜组件、聚光组件。其中聚光组件虽然转换效率高、价格便宜，但需要额外的冷却装置和大体积的聚光镜，不适合应用于太阳能瓦片，所以目前太阳能瓦片选择的组件基本都是晶硅组件与薄膜组件。因为晶硅组件的厚度较大，所以出于美观和体积考虑，又以薄膜组件的选择较多。
（二）光伏阵列设计
在传统的屋顶光伏发电系统设计中，为了保证光伏组件能接受最大限度的光照，发挥更高的能效，需要结合当地的日照条件设计光伏阵列。在应用了太阳能瓦片的屋顶一体化光伏发电系统设计中，由于光伏发电的太阳能电池板与建筑瓦片是一体的，所以光伏发电阵列无法额外设计，必须与瓦片阵列等同。这种硬性要求对光伏发电系统的发电效率有一定的影响，因为无法进行专门光伏阵列设计的太阳能瓦片在接受光照的效率和时间上往往比分离式的太阳能电池板要低，兼之太阳能瓦片使用的光伏组件大多是发电效率较低的薄膜组件，所以这种屋顶光伏发电系统的发电效率基本都比非一体化的光伏发电系统低上一个档次。为了尽可能弥补这一缺陷，需要在最初的建筑工程设计时就把光伏需求考虑进去，令瓦片的排列方式能尽可能接受光照，换言之，太阳能瓦片的光伏整列设计时间需要大幅提前到建筑总体设计阶段。
（三）光伏逆变器设计
光伏逆变器是屋顶光伏发电系统的中枢装置之一，因此选择时务必要谨慎。不过由于其与光伏组件的类型、排列等并无太大的关系，所以应用了太阳能瓦片的光伏发电系统在光伏逆变器的设计选择上与传统的光伏设计基本一致。
太阳能瓦片的每片瓦片都可以看作一个独立的光伏组件，由于转换率较低，所以每片太阳能瓦片的输出电压也不高。而光伏逆变器想要正常运作需要足够高的直流输入电压，单一瓦片的输出电压基本无法满足这一要求，所以需要将太阳能瓦片进行适当串联。由于光伏逆变器功率与组件温度有关，所以在串联瓦片时必须严格计算串联工作电压、光伏组件温度、光伏逆变器电压区间的关系，保证最高温度时的串联工作电压大于光伏逆变器最小电压，最低温度时的开路电压小于光伏逆变器最大输入电压，否则有引发功率失真、逆变器损坏等故障的可能性。
（四）系统组件设计
屋顶光伏发电系统的系统组件指的是不与光伏发电过程本身直接相关的附加系统组件，这些组件虽然不参与直接的光伏发电过程，但对整个系统的正常运作有保障作用。传统的光伏发电系统有两套附加系统组件，分别是防雷系统和保护测控系统，而应用了太阳能瓦片的光伏发电系统因为还要满足建筑工程需求，所以还要增加额外的防水系统。
在这三类附加系统的设计中，保护测控系统的设计基本相同，但太阳能瓦片的防雷系统和防水系统是设计难点。目前常用的设计模式是让太阳能瓦片借用整个建筑的防雷系统，防水系统则延续传统的建筑屋顶防水系统，虽然有一定的能效，但针对性较差，有进一步优化的必要。
4 屋顶光伏发电系统针对小户型的设计优化措施
（一）小户型屋顶光伏发电系统转换效率的优化设计
如前文所述，一体化的屋顶光伏发电系统与小户型拥有非常好的适性，因为小户型建筑对光伏发电的需求量通常比较低，太阳能瓦片这类光伏转换效率相对较低的组件也能发挥较好的能效。但这种情况长期持续下去并不利于太阳能瓦片的进一步应用，所以依然需要针对转换效率进行优化。
在当前的技术条件下，可以尽快应用的转换效率提升措施有二：其一是以小区为单位，实行光伏发电系统的并网化，从小区规划设计阶段就将全部的住宅屋顶设计成太阳能瓦片，以实现全小区的光伏系统联网。虽然不能提升个别瓦片的转化率，但提高了整体的电能接收利用率，相当于间接提高转换效率。其二是在设计建筑的整体结构时，考虑屋顶的日照率，保证屋顶的太阳能瓦片能接受最充分的日照，弥补无法进行光伏阵列设计的效率损失。
（二）小户型屋顶光伏发电系统材料成本的优化设计
材料成本一直以来都是制约光伏产业发展的大问题。目前来看，我国并没有加工和提炼光伏发电系统需要的晶硅材料的必要技术，因此这些材料基本都需要进口，材料成本在这种情况下很难降低。基于此种原因，我们有必要尽快发展我国的光伏产业产业链，积极培养光伏产业的配套企业，争取实现光伏产业原材料生产的国有化，从根本上控制住光伏发电系统的材料成本。
对太阳能瓦片来说，常见的材料成本控制问题发生在光伏组件的选择与瓦片基底的脱离实际上。因此想要优化太阳能瓦片的材料成本，一方面要优选光伏组件，尽可能选用具有较好弱光响应特性与较低价格的非晶硅材料组件，另一方面要结合实际的建设条件设计瓦片基底，尽量选用价格便宜、易于取用的基底材料，避免不切实际的设计。
（三）小户型屋顶光伏发电系统防水措施的优化设计
太阳能瓦片无论从作为发电系统的角度来看还是从作为屋顶瓦片的角度来看，防水功能都是一个必不可少的功能。但目前实际应用了太阳能瓦片的屋顶光伏发电系统基本都没有进行有针对性的独立防水设计，这为光伏发电系统未来的长时间正常运作埋下了一定的隐患。因此，有必要针对太阳能瓦片的结构特点进行适当的防水补强，具体来说，太阳能瓦片上的光伏导线应注意绝缘外皮的完整性；有电通过的各个接入点和接出点要进行防水密封；在有条件的情况下，太阳能瓦片的下方可设置额外的防水隔离层，避免雨水渗入电能的输送系统。
（四）小户型屋顶光伏发电系统使用寿命的优化设计
我国的光伏发电系统组件基本都具有较长的理论使用寿命，通常的使用寿命在20年左右，长的可以达到30年，最短的也超过了十年。但是在实际的应用中，往往达不到理论使用寿命，大部分光伏组件在七八年的时间内就会损坏而无法使用，有些光伏组件的实际使用寿命甚至不超过五年。太阳能瓦片的使用寿命问题更为严峻，根据实际经验，有些地区的太阳能瓦片仅能使用两三年左右。这些使用寿命问题与光伏组件在设计上脱离实际有很大关系，在设计阶段只考虑到了物理冲击与发电能效，忽略了风蚀、酸雨、温差变化等一系列实际因素对组件的侵蚀。因此想要优化太阳能瓦片等光伏组件的寿命，必须结合实际的使用条件。举例来说，在酸雨频发地区，在设计光伏组件时要特别强化其耐酸碱能力；在风沙较大的地区，要提升光伏组件的抗风蚀、抗冲击能力；在雨水较多的地区，要额外强化屋顶光伏发电系统的防水设计。
5 结语
在我国可持续发展战略的大背景下，光伏产业作为节能环保、长效发展的绿色能源产业必将获得更好的发展，光伏发电系统未来有很高的几率实现全面普及。在这一进程中，如何更有效率地将屋顶光伏发电系统应用于小户型建筑是非常重要的一个环节，太阳能瓦片在应用上的日趋成熟化正为这种应用发展指明了方向。相关技术人员有必要对太阳能瓦片的进一步应用加以研究，争取在不破坏平衡性的前提下提升太阳能瓦片的光伏发电能效和建筑工程能效，以赋予其更高的应用价值，令光伏建筑一体化理论获得更好的应用基础。
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