06 可再生能源利用技术-16春

§6.1 太阳能的利用技术

§6.2 地热能利用技术

§6.3 可再生能源综合利用技术

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第6章 可再生能源利用技术

一、太阳能资源及其开发利用

1.充分利用太阳能的优点：

（1）太阳能能量密度高；

（2）太阳能为清洁能源；

（3）太阳能廉价；

（4）太阳能有利于人体健康；

（5）太阳能的利用非常现实。

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§6.1 太阳能的利用技术

2、太阳能资源的开发利用

太阳辐射是地球表面能量的主要来源。 人类利用太阳能已有3000多年的历史，但是真正 意识到太阳能是不可再生能源的补充能源，是未

来能源结构的基础，则始于上世纪中叶。

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§6.1 太阳能的利用技术

世界环境与发展大会（1992年）后，我国对环 境与发展十分重视，批准了《中国环境发展 十大对策》明确提出要“因地制宜地开发和推广太 阳能、风能、地热能、潮汐能、生物能等洁净能源 ”。

1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《 新能源和可再生能源发展纲要（1996~2010年）》

，明确提出了我国在1996~2010年新能源和可再生 能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这

些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事

业发挥了重要作用。

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§6.1 太阳能的利用技术

二、太阳能光电利用技术

太阳能光电利用技术是指通过转换装置把太阳能辐

射能转换成电能利用，光电转换装置通常是利用半 导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又 称为太阳能光伏发电。

太阳能光伏发电系统是利用半导体器件的光生伏打 效应原理直接将太阳光辐射能转换为电能的发电系 统，由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器 、逆变器等设备组成，有运行和并网运行两种 运行方式。

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§6.1 太阳能的利用技术

1、太阳能光伏发电系统的组成

⑴太阳能电池

太阳能电池利用光生伏打效应把光能转换为电能， 是太阳能光伏发电的最基本元件。 光生伏打效应：物质吸收光能产生电动势的现象。

这种现象在液体和固体中都会发生，但是只有在固 体中，特别是半导体中才能有高能量的转化率。

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§6.1 太阳能的利用技术

⑵蓄电池组

蓄电池组的作用是贮存太阳能电池阵列受光照时所

发的电能，并可随时向负载供电，满足用电负载的 需求。

在光伏发电系统中，蓄电处于浮充放电状态，即将 蓄电池和充电装置并联，负荷由充电装置供给；同 时以较小的电流向蓄电池充电，使蓄电池经常处于 满充状态，白天太阳能电池方阵给负载提供的供电 的同时给蓄电池充电，晚上负载用电由蓄电池供给 。 7

§6.1 太阳能的利用技术

⑶逆变器

※

逆变器是将直流电源转换成交流电的设备。

由于太阳能电池和和蓄电池是直流电源，如 果负载是交流负载则需要用逆变器将直流电源 转换为交流电。

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§6.1 太阳能的利用技术

⑷充放电控制器

光伏发电系统中的充放电控制器是对太阳能光伏 发电系统进行控制与管理的设备，由于控制器可 以采用多种技术方式实行控制，同时实际应用对 控制器的要求也不尽相同，因而控制器所完成的 功能也不完全相同。

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§6.1 太阳能的利用技术

控制器的功能：

①将所发的电能送往直流负载或交流负载，将多

余的能量送往蓄电池贮存；

②当光伏发电系统所发的电能不能满足负载需要 时，将蓄电池的电能送往负载；

③保护蓄电池，当蓄电池充满电后，控制器要控 制蓄电池不被过放电。

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§6.1 太阳能的利用技术

2、光伏发电系统的分类及其工作原理

⑴光伏发电系统 光伏发电系统将光伏电池板产生的电能通过控

制器直接给负载供电，在满足负载需求的情况下将

多余的电能给蓄电池充电； 当日照不足或者在夜间时，则由蓄电池直接给直流

负载供电或者通过逆变器给交流负载供电。

光伏发电系统，由光伏阵列、蓄电池、负载、 控制器和逆变器组成。

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§6.1 太阳能的利用技术

⑵并网光伏发电系统

并网光伏发电系统，是由光伏电池方阵、控制器、 并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆 变器直接将电能输入公共电网。

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§6.1 太阳能的利用技术

⑶混合供电系统

混合供电系统可以是光伏发电系统、风力发电系统

或者生物智能系统等相组合，或者是共同组合而成 。 光伏发电系统和风力发电系统组合而成的混合系统

，由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、 蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。

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§6.1 太阳能的利用技术

3、建筑一体化光伏发电系统

建筑一体化光伏发电系统，是利用建筑物光照面积

实现分布式发电，由于光伏发电系统装设在建筑物 上，接近电力负荷，无需额外的输电投资，也减少 了输电过程的电能损失。

另外，安装了太阳能电池板的屋顶和外墙，直接降 低了建筑物外围护结构的温度，减少了室内空调负 荷，而且光照强度与负荷强度吻合，有调峰的功效 ，因而很有发展前景。

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§6.1 太阳能的利用技术

建筑一体化光伏系统可以分为建筑附加光伏系统 （BAPV）和建筑集成光伏系统（BIPV）两种。

⑴建筑附加光伏系统（BAPV）： 把光伏系统安装在建筑的屋顶或外墙上，建筑物 作为光伏组件的载体，起到支撑作用。

光伏本身并不作为建筑的构成，也就是说如果拆 除光伏系统后，建筑物任能正常使用。

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§6.1 太阳能的利用技术

⑵建筑集成光伏系统（BIPV）：

是指将光伏系统与建筑物集成在一起，光伏 组件成为建筑结构不可分割的一部分。

如光伏组件与屋面一体化、光伏组件与幕墙 一体化，光伏瓦、光伏与遮阳装置一体化等 ，如果拆除光伏系统，则建筑本身就不能正 常使用。

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§6.1 太阳能的利用技术

三、太阳能光热利用技术

太阳能光热利用的基本原理是通过太阳能集热器将

太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转化 为热能加以利用。

1、太阳能集热器 太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热量传递 到传热工质的装置，是组成各种太阳能热利用系统

的关键部件。目前使用最多的太阳能收集装置主要 是平板型集热器和真空管集热器。

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§6.1 太阳能的利用技术

2、太阳能热水系统

太阳能热水系统，是利用太阳能集热器收集太阳辐

射，把水加热的一种装置，是目前太阳能应用发展 中最具有价值、技术最成熟，且已商业化的一项应 用产品。

使用太阳能热水系统不仅节约不可再生能源，而且 相对使用燃气和电力要更加安全，相对于使用化石 燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体 CO2的产生，具有环保效益。

§6.1 太阳能的利用技术

• 太阳能热水系统通常由太阳能集热器、传热工质

、贮热水箱，补给水箱和连接管路等组成。

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§6.1 太阳能的利用技术

• 太阳能热水器的工作原理过程：在太阳辐射下，集

热器吸收太阳能并转换成热能，并将热传递给集热 器内的传热工质，传热工质受热后通过自然循环（ 或强迫循环）方式，将贮水箱中的水加热。

• 太阳能热水系统根据加热循环方式的不同可以分为 ：自然循环系统、强制循环系统和直流式循环系统 三类。

• 在我国，家用太阳能热水器和小型太阳能热水器多 采用自然循环式，而大中型太阳能热水器多采用强 制循环式。

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• 3、太阳能采暖

§6.1 太阳能的利用技术

• 太阳能采暖分为被动式太阳能采暖和主动式太

阳能采暖。

– 主动式 运行中需要机械动力 – 被动式 运行中不需要机械动力 Ø直接受益式 Ø间接受益式 – 集热墙

– 附加日光间 – 水墙

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§6.1 太阳能的利用技术

(1)被动式太阳能

被动式太阳能的热量传递不需要借助于机械动

力，通过建造朝向和周围环境的合理布置、内部空 间和外部形体的巧妙处理，以及结构构造和建造材 料的恰当选择，使建筑物以完全自然的方式，解决 冬季采暖，夏季遮阳、散热、降温的问题。

被动式太阳能采暖依靠建筑物的方位、本身结构 和材料的热工性能，吸收和贮存太阳辐射的能量， 以达到采暖的目的，也称为太阳能自然采暖。让建 筑物本身作为一个利用太阳能的系统。

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①直接受益式

建筑物利用 太阳能采暖的最 普通、最简单的 方式，就是让阳 光透过窗户照射 进来。如图示：

§6.1 太阳能的利用技术

图 3-27

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②集热墙式

在直接受益式太阳窗 后面筑起一道重型结构 墙，阳光透过透明盖层 后照射在集热墙（蓄热 体）上，该墙外表面涂 有吸收率高的涂层，其 顶部和底部分别开有通 风孔，并设有可控制的 开启门。

§6.1 太阳能的利用技术

图 3-28

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③附加日光间式

§6.1 太阳能的利用技术

附加阳光间式是直

接受益式太阳房和集 热蓄热墙体的混合产 物，即在房间南侧附 建一个阳光间，中间 用混凝土或砖等重质 密实材料墙隔开。隔 墙上下部设有可开启 的通气孔。顶部设置 采光窗，窗玻璃常采 用双层中空玻璃。

图 3-29

阳光间既可供给室内太阳 热能，又可作为一个缓冲区， 减少房间热损失。 25

§6.1 太阳能的利用技术

被动式太阳能采暖与建筑设计相结合

• 直接受益式、集热墙式、附加日光间式是被动式太

阳房采暖的三种主要方式。在建筑设计中，常常有 效的综合被动式太阳能三种采暖方式，使建筑物形 成一个组合式的太阳房，使其本身成为一个利用太 阳能的系统。

• 在被动式太阳能采暖设计中关键是建筑物内应具 布置足够的蓄热体：房间的进深、蓄热体的材料、 颜色，蓄热体的位置、蓄热墙的最佳厚度等都是建 筑师设计时必须综合考虑的因素。

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（2）主动式太阳能采暖系统

§6.1 太阳能的利用技术

主动式太阳能利用主要有太阳

能光热系统和太阳能光伏发电系 统两大类。太阳能光热系统可提 供生活热水、供暖等，其中以太 阳能热水器系统最为普遍；太阳 能光伏发电系统可发电，用于照 明、家用电器等。

图 3-12

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§6.1 太阳能的利用技术

• 主动式太阳能采暖系统由太阳能集热器、穿热工质 、贮热水箱、补水水箱和连接管路、阀门、水泵、 控制系统等组成。

• 太阳能集热器获取太阳 的热量，通过配热系统 送至室内进行采暖。

• 过剩热量 贮存在贮热器

内，当收集的热量小于 采暖负荷时，由贮存的 热量来补充，热量不足 时由备用的辅助热源提 供。

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§6.1 太阳能的利用技术

• 太阳能采暖系统按其集热工质的不同分类：

• ①空气加热采暖系统：以空气为集热介质的采暖系 统。

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§6.1 太阳能的利用技术

• ②水加热采暖系统：是指通过集热器先把太阳能转 化为热水，再将热水输送到发热末端（如地板采暖 系统、散热器系统等）提供房间采暖的系统。

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§6.1 太阳能的利用技术

• ③太阳能热泵系统：利用太阳能与热泵联合运行 作为供暖热源的采暖系统。

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§6.1 太阳能的利用技术

• 4、太阳能制冷

• 制冷是指使某一系统的温度低于周围环境介质的温 度并维持这个低温，为了使这一系统达到并维持所 需要的低温，需要不断地从它们中间取出热量并将 热量转移到环境介质中去，这个不断从被冷却系统 中取出热量并转移热量的过程，称之为制冷。

• 自然界中，热量不能自发地从低温物体转移到高位 物体，因此要实现制冷目标，只有靠消耗功来实现

。

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§6.1 太阳能的利用技术

• 太阳能制冷主要是通过光-电和光-热转换两种途径

来实现。

• 太阳能光-电转换制冷：首先通过太阳能电池将太 阳能转化为电能，再用电能驱动常规的压缩式制冷 机，这种太阳能光电转换制冷系统的成本高，未达 到广泛使用和推广。

• 太阳能光-热转换制冷：首先是将太阳能转化为热 能（或机械能），再利用热能（机械能）作为外界 的补偿，使系统达到并维持所需的低温。

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• ⑴太阳能吸热式制冷系统

§6.1 太阳能的利用技术

• 吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为 工质来进行的。这两种物质在同一压强下有不同的 沸点，其中高沸点的组成称为为吸收剂，低沸点的 组分称为制冷剂。

• 常用的吸收剂-制冷剂的组合有两种，一种是溴化锂-

水，通常适用于大型空调；另一种是水-氨，通 常适用于小型空调。

• 吸收式制冷机组成：发生器、冷凝器、蒸发器、吸 收器。

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§6.1 太阳能的利用技术

• 太阳能吸收式制冷的原理如图

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§6.1 太阳能的利用技术

• ⑵太阳能吸附式制冷系统

• 太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、

冷凝器、贮液器、蒸发器和阀门等组成。

⑶太阳能蒸汽喷射式制冷

太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸 汽喷射式制冷机两大部分组成。

⑷太阳能蒸汽压缩式制冷

太阳能蒸汽压缩式制冷系统，主要由太阳集热器、 蒸汽轮机和蒸汽压缩式制冷机三大部分组成。

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§6.1 太阳能的利用技术

四、太阳房综合利用

• 太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。是一种 既可取暖发电，又可去湿降温、通风换气的节能 环保住宅。

• 最简便的一种太阳房叫被动式太阳房，建造容易 ，不需要安装特殊的动力设备。

• 比较复杂一点，使用方便舒适的另一种太阳房叫 主动式太阳房。更为讲究高级的一种太阳房，则 为空调致冷式太阳房。

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§6.1 太阳能的利用技术

“向日葵式”的太阳房

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§6.1 太阳能的利用技术

德国弗莱堡的“向日葵”太阳房

Heliotrop

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第6章 可再生能源利用技术

地热能：是指蕴藏在地球内部巨大的天然热能，

源于地球的熔融岩浆和地表层数百公里内的放射性元 素衰变所产生的巨大热能量。

全世界地热资源的总量大约为14.5×1025J，相当 于4948×1012吨标准煤燃烧时所放出的热量，是全球 煤炭总储量的17000万倍。

特点：分布广、储量大、可再生、清洁环保、安全 适用；不需要消耗燃料生热或发电，利用地热发电不 排放二氧化碳和氮氧化合物，二氧化硫排放量也很少

40，是最有潜力的可再生洁净能源之一。

第6章 可再生能源利用技术

一、地热资源及其开发利用

1、地热能资源的分类

在地壳中，地温分布可以分为变温带、常温带和 增温带。

根据地下储能存在的形式不同，地质学上把地热 能分为水热型、地压型、干热岩型、岩浆型四大类。

下页表，给出了常见地热资源的类型、定义以及 各自的特征。

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• 到目前为止，各国对于地热资源的开发利用，仍 然是以水热型为主，地压型和干热岩型等尚处于 试验阶段，开发利用少。

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§6.2 地热能利用技术

2、中国地热资源分布

根据我国所处的大地构造位置及地热背景，中国 地热资源分为：

高温对流型地热资源：主要分布在滇（云南）藏 及地区。 中温对流型地热资源：主要分布在我国东南沿海 地区，包括广东、海南、广西以及江南、湖南和 浙江。

中低温热传导型地热资源：主要埋藏在大中型沉 积盆地之中（如华山、松辽、苏北、四川、鄂尔 多斯等）。 43

• 3、世界地热资源开发利用现状

§6.2 地热能利用技术

• 从世界范围来看，利用温泉洗浴已有数千年的历 史，但只是在20世纪地热资源才作为能源大规模 用于发电、供暖和工农业用热。

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§6.2 地热能利用技术

• 4、地热回灌

• 地热回灌就是把地热废水、常温地下水、地表水等 灌入地下储热层中，目的是处理 利用后废弃的低 温水，避免地热废水直接排放，对环境造成热污染 和化学污染；

• 地热回灌可以改善或恢复地下储热层的产热能力， 提高地热资源的再利用效率，保持地下储热层流体 压力，维持地热资源的开采条件，保证正常的地下 水位，实现可循环利用。

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§6.2 地热能利用技术

• 二、高品位的地热能在建筑中的直接利用

• 高品位地热能：如果地热资源温度较高，可以直接 利用，则称之为高品位的地热能。

• 低品位的地热能：那些温度相对较低，与环境温度 相近的地热能称为低品位的地热能。

• 高品位地热能，可以直接用于采暖、制冷、供热和 供热水，是仅次于地热发电的地热利用方式。

• 特点：利用方式简单、经济性好，而且节能、无污 染，备受各国重视。

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§6.2 地热能利用技术

• 高品位的地热能的利用：位于高寒地区的西方

国家应用广泛，其中冰岛开发利用得最好。

• 冰岛首都雷克雅未克于1928年建成了世界上第一 个地热供暖系统，现今这一供热系统已经发展得非 常完善，每小时可以从地下抽取7740吨80℃的热 水，供全市11万居民使用，该市被誉为“世界上最 洁净无烟的城市”。

• 我国京津地区地热利用比较普遍，主要采用地下水 为建筑供暖、制冷和提供建筑内生活热水。

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§6.2 地热能利用技术

• 三、低品位地热能

• 在土壤、地下水和地表水中蕴藏着无穷无尽的低品 位热能，由于这些热能的温度与环境温度相近，因 此无法直接利用。

• 地源热泵利用地下土壤、地下水或地表水相对稳定 的特性，利用埋于建筑物周围的管路系统，通过输 入少量的高位电能，实现低位热能向高位热能转移 与建筑物完成热交换。

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第6章 可再生能源利用技术

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利 用、取之不尽、用之不竭的资源，主要包括太阳能、 风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。 一、其它可以再生能源的利用

1、风能 风能是由于太阳辐射而造成地球各部分受热不均

匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生 的能量。风能主要用于风力发电，我国风能资源约为 16亿kW，可开发利用的风能资源约2.5亿kW。 49

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§6.3 可再生能源综合利用技术

•

2、水能

水的流动可以产生能量，水能可以用于水力发 电。我国河流众多，落差大，水资源总量居世界前 列，已有大量已建和在建的水电站。

•

• 除此之外，水的热能资源还可以作为天然的冷热源 ，为暖通空调设备提供热量，地下水和地表水源热 泵技术已经得到了快速的发展，目前我国水能资源 开发利用率仅为24%，开发潜力很大。

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• 3、生物质能

§6.3 可再生能源综合利用技术

• 生物质：是指通过光合作用而形成的各种有机体， 包括所有的动植物和微生物。

• 生物质能是以太阳能以是太阳能形式贮存在生物质 中的能量形式，它直接或间接来源于绿色植物的光 合作用，蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的 有机物中。

• 生物质能发电就是利用生物质本身的能量，将其转 化成诸如燃料、燃气、乙醇等可用于驱动发电机发 电的能量形式，通过发电机发电并入电网或直接给

用户电能。 5151

§6.3 可再生能源综合利用技术

• 4、海洋能

• 海洋能是潮汐能、波浪能、温差能、盐差能和海 流能的统称。

• 海洋通过各种物理过程接收、贮存和散发能量， 这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存 在于海洋之中。

• 目前，我国对海水温差能、波浪能、盐差能和海 流能的开发利用仍处于研究阶段。

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§6.3 可再生能源综合利用技术

• 二、可再生能源的综合利用

• 由于各种再生能源受地域、时间、空间的影响较大 ，因此，可再生能源的综合利用非常重要。

• 可再生能源综合利用系统通常都采用建筑能源协调 控制系统，即将整个建筑看成一个能源体系， 建筑能源协制系统的各个子系统，使之在保证 性能、各功能要求和运行安全的前提下，尽量运行 在高效运行特性区间内；

• 也可将可再生能源利用系统与采暖、空调、照明控 制系统通过建筑智能化系统进行协制，实行节

53 53 能运行。

§6.3 可再生能源综合利用技术

• 常见的可再生能源综合利用系统有：

• 1、太阳能地热能的综合利用

• 太阳能、地热能在建筑中的综合利用系统 是由太阳能系统和地热热泵系统两部分组 成实现供暖、制冷、供热水和供电等四种

功能。

§6.3 可再生能源综合利用技术

• 2、太阳能与与风能的综合利用

• 将储能系统与风力发电和光伏发电相结合，在负荷 低谷时段将风力发电和光伏发电的电量储存，在负 荷高峰时段将之释放，这可以有效地减少风力发电 和光伏发电对电力系统调峰的影响。

• 太阳能光伏发电风光互补系统是集风能、太阳能及 蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为 一体的复合可再生能源发电系统。

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太阳能光伏发 电风光互补系 统的组成如图 示，主要由太 阳能光伏列阵 、风力发电机 组、控制装置 、蓄电池组四 部分组成。

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