低碳型自然能发电，在建筑上的应用正在逐步推广，其中以太阳能发电和风能发电较为普及。目前，单机系统大都用于住宅建筑、公益园区、交通路卡，用于无常规供电领域，如光缆通信中继站、微波通信中继站、高山气象站、森林火警监视站、海上航标、边防海岛哨所等；大型系统如太阳能热发电设施、风力发电（场）站，多用于与常规电网并网运行。在建筑上，应用低碳型自然能发电，是一种历史潮流，是生态环保所倡导的发展方向。低碳型自然能发电，能量分布广泛，建设应用灵活，发展潜力很大。
太阳能光伏发电技术
太阳为人类带来了无限的光和热，太阳能是取之不尽、用之不竭的能源。在太阳能利用中，可以把它转变为热能，也可以把它转变成电能。把太阳能转变为热能的技术，称为“光一热”转换技术；把太阳能转变为电能的技术，称为“光一电”转换技术。1839年，法国物理学家A．E．贝克勒尔意外发现，溶液受到阳光照射在电极上将产生额外的电动势，他把这种现象称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。后来，人们在半导体和金属的接触处又发现了固体的光伏效应，就此奠定了太阳能光伏技术的基础。把太阳能转换成电能，在能源开发领域，具有广阔的发展前景，在国际上早已被列为低碳能源、清洁能源、绿色能源。目前正在逐步推广应用于低碳节约型建筑、绿色建筑、生态住宅小区、边防海岛、偏远乡村。随着航天技术的发展，太阳能光伏技术已经成功地应用于人造地球卫星、宇宙飞船和星际空间站，成为宇宙飞行器的主要能源之一。太阳能发电是当今科技发展中的一项新技术，受到环保、航天等领域的重视。许多国家都把太阳能发电当作一项战略目标、科技前沿来加以开发，太阳能发电不仅是低碳节约型建筑的重要课题，针对世界能源紧缺，其开发研究更具有现实的重要意义。
经过多年的发展，太阳能光伏发电技术已日趋成熟，成为太阳能利用的主流技术之一。系统的工程应用日益普遍，如在航天工程、公共建筑、生态小区、边远农家、独立庭院、路灯照明等方面，均发挥出越来越良好的作用，受到人们的普遍重视。目前，世界各国越来越多的在住宅屋顶上安装太阳能电池板。以日本为例，据该国能源部门估计，日本2100万户个人住宅如果有80%装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的14%，如果工厂、学校及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30%～40%。我国的太阳能光伏发电的工程应用，近几年来，在节能减排低碳经济的推动下，发展十分迅速，规模不断扩大。如北京奥运、上海世博以及城市大型公共建筑、许多科技园区光伏建筑都具有相当规模和兆瓦级水平，受到国内外许多专家的好评。
天阳能光伏系统最早的应用领域是在太空，作为太空飞行器唯一的优选电源。美国先锋Ⅰ号人造地球卫星，于1958年首次把太阳能光伏系统作为空间电源，开创了太空应用的新纪元。经过近半个世纪的发展，技术已十分成熟，对于在地面和建筑上的应用具有很多的启发和推动。
太阳能光伏系统应用于太空飞行器有供电和充电两大功能，相当于一个小型的发电站。飞行器上虽备有应急电源，但支持的时间比较短，更多的是靠太阳能光伏系统来供电。人造地球卫星的太阳能电池做成面积较大的展板，安装在卫星的两翼，光伏组件采用了大量先进的复合材料，以便在尽可能提高发电效能的同时，减轻其自身质量。
太空飞行器上使用的光伏组件设计和制造，主要围绕如何适应复杂的空间环境。飞行器在空间运行的低轨道环境复杂，高密度的等离子体、原子氧以及紫外线照射等不确定因素，都可能对组件的结构以及电池组件造成伤害，飞行器在太空中大约每90min绕地球一周，其间要经受180℃的温差考验，这种频繁的高低温转换，要求光伏组件在制造上必须牢固可靠，并解决热胀冷缩，有效适应空间环境等问题。
在我国西北地区、青藏高原，大力推广太阳能光伏发电，具有极为丰富的自然资源。2005年8月，中国科学院电工研究所在青藏铁路线上的羊八井建成了一座100kW并网光伏示范电站。该项目的研究对西藏的电力建设以及我国广大地区建设大型及超大型并网光伏电站，有着重要的指导意义。
作为西藏可再生能源利用的典范之一，在羊八井已建成了目前国内最大的地热电站，该电站属于藏中电网的一部分，藏中电网的负荷中心在拉萨地区，其用电负荷占全网负荷的78%左右，从当前情况看，藏中电网的容量已经不足，供电的可靠性难以保证。特别是随着青藏铁路的建成，从格尔木到拉萨铁路沿线，没有中间电力供应，建设大型及超大型并网光伏电站，不失为一个重要的发展向。
许多住宅小区、城郊别墅，把太阳能光伏电池方阵，安装在屋顶、屋面、阳台、幕墙上，构成光伏屋顶、墙面系统。光伏屋顶、墙面系统可以作为独立电源供电，也可以并网形式供电。
光伏屋顶、墙面系统的并网供电是当今光伏应用的新趋势。并网供电的光伏系统一般不必配备蓄电池、或配备较小的蓄电池。这样可以降低系统造价，免除维护和定期更换电池的麻烦。夏季由于空调电扇等设备的开动，形成用电高峰，而这时也正是光伏系统发电最多的时期，并网系统可以对公共电网起到一定的调峰作用。独立光伏系统在蓄电池被充满后，多余的电力将白白浪费，并网的光伏系统则可对公共电网作出贡献。
近年来，我国先后举办了许多大型国际、国内极具影响力的活动，如北京奥运会、上海世博会、南京全运会、济南全运会等。为了迎接这些活动，新建了许多公共建筑项目。所有这些建筑，其规模之大、水平之高，都是前所未有的。除现代化、智能化以外，它们的共同特点是突出了绿色理念，把节能、环保摆在首位，普遍建设了太阳能光伏系统。北京奥运会建设的“鸟巢”光伏并网发电系统。
从我国太阳能光伏系统建设的发展趋势来看，城市比乡镇、农村发展迅速，特别是国务院发布了《关于加快推进太阳能光伏建筑应用的实施意见》以来，鼓励城市光电建筑一体化的应用，同时给予优惠的财政补贴。通过这项政策的贯彻落实，进一步调动了各地光伏建设的积极性。浙江省在2008年申请的城市光电项目达38MW，还有500MW项目正在申请。光伏建设的发展，进一步推动了光伏产业的发展。2002年我国全年生产光伏组件为6MW，2007年全年生产1088MW，跃居世界第一位，与欧洲、日本三分天下。
高速公路因其独有的特点而成为太阳能光伏利用良好的目标领域。
高速公路是一种专供大量汽车高速、安全、舒适、连续运行的公路，它以其通过能力大、行车安全、快捷、低消耗而成为各国经济高速发展不可缺少的基础设施。
太阳能光伏系统的应用还有很多，如太阳能家电、太阳能计算器、太阳能电动车、太阳能游艇等。随着科学技术的发展必将日益广泛。
风力发电技术
风力发电是风能的一种利用。风能是太阳能的一种转换形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然能源。风力发电技术属于新兴技术，风力产业是一项朝阳产业，风力发电技术的发展将给能源产业带来新的活力，它在低碳节约型建筑上必将获得多方面的应用，成为一种绿色、减排、环保的措施和人们的生活方式，成为新能源发展的一个方向。随着科技的进步、新型高强度轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元器件和技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高自动化方向发展，提供了有利条件，在建筑用户的普及推广应用上，也具有广阔的发展空间。
多种低碳自然能发电的利用
低碳自然能用于发电，除太阳能、风能以外，还有多种能源可被利用，如地热能、潮汐能、生物质能等。这些可再生能源的利用对于节省资源、改善环境、减少污染，同样具有许多积极意义，同时也被国际社会所重视。美国加利福尼亚州一个地热电站的装机容量就有268MW，我国羊八井地热电站为拉萨供电，就占电网全年供电的40%以上。因此，多种低碳自然能发电的综合利用，是一个很有价值的课题。本节主要介绍地热发电、潮汐发电、生物质能中的沼气发电。
地热来自于地球内部，是地球内部微量放射性元素衰变而放出的热量。地热能是地球内部蕴藏的各类热能的总称，其蕴藏量相当于地球煤炭资源的1．7亿倍。地热能可用于采暖、养殖，更可用于发电。地热发电是高温地热的主要应用，根据地热流体的热量参数和特性，可以有两种不同的发电方式，即蒸汽型地热发电和热水型地热发电。
海洋潮汐是海面受太阳和月亮吸引所引发的周期性流动而产生的水面升降现象。潮汐现象潜藏着巨大的能量，目前已测到的流速最快的潮流为29km/h。因潮汐现象而产生的能量叫潮汐能。开发潮汐能的主要方式是潮汐发电。据估计，全世界的潮汐能源有1．0×109kW，如能充分利用，每年可发电1．24×108kW·h。因此，潮汐发电是一种有待开发的新能源。
沼气发电，是生物质气化发电的一种形式。沼气是在厌氧条件下由有机物经多种微生物的分解与转化作用后产生的可燃气体。其主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量一般为60%～70%，二氧化碳含量为30%～40%（容积比）。
从环保角度讲，沼气中的甲烷是作用强烈的温室气体，其导致温室效应的效果是二氧化碳的23倍，控制甲烷及沼气排放已成为保护大气的一个重要方面；从能源角度讲，沼气又是性能较好的燃料，纯燃料热值为21．98MJ/m3（甲烷含量60%、二氧化碳含量32%），属中等热值燃料；沼气还是生物质可再生能源。因此，高效利用沼气，具有控制沼气污染、开发新能源的双重意义。以沼气作为动力机的燃料，带动发电机运转，获得高品位电能的沼气发电技术，是沼气综合利用的有效方式之一，已成为国际趋向的技术路线。
低碳型自然能在工程应用上，虽然已经取得了很大的成就，然而，在发展的道路上，还要做许多努力。一要通过技术进步开发出费用低、效能高的设备和器件；二要有效降低电能变换、传输中的损耗；三要解决可再生能源的间歇性、随机性问题，保证供电持续性。除了并网、综合利用外，要采取多种途径解决供电的持续性、可靠性问题。在某些学术研讨会上，有的专家大胆设想，通过把太阳能、风能等，低位、间歇、随机能量，用水泵把电能变换成水的位能，加以存储，再由“水位能”转换成电能的方案。这是一个颇为有益的设想和创意，但要通过科学实践来加以发展，有效地提高应用效能。
五、低碳型自然能供电技术
低碳型自然能发电和供电技术，是一个系统的两个有着密切联系的技术侧面。发电技术，是研究电能的产生；供电技术，是讨论电能的供应问题。在低碳节约型建筑中，推广应用低碳型自然能的电力供应，就涉及发电和供电两个方面。近年来，随着节能减排、环境保护的呼声不断高涨，低碳型自然能发电技术的应用受到国际社会的普遍关注。科学技术的发展和高新技术的推广应用，使得低碳型自然能发电的技术性能有了很大的突破，发电设备的成本不断降低，供电系统设计技术也日趋完善，低碳型自然能源的应用，正在成为世界电力发展的潮流之一。本章的研究内容，包括电能的变换和控制以及系统的设计和管理。
低碳型自然能供电系统概述
低碳型自然能供电系统种类很多，型式各异。有独立供电和并网供电、单路自然能供电和多路自然能供电、简易供电和智能化供电等。在电能变换技术上有直流一直流、直流一交流、交流一直流等。在控制技术上，有电子开关控制、单板机控制、计算机控制等。就控制而言，还有太阳能电池的跟踪控制技术、风力发电的风力机控制技术等。随着微电子技术和计算机技术的发展，低碳型自然能智能化供电系统，必将成为发展的主流技术。
直流变换器技术
在自然能供电系统中，凡是直流电压达不到匹配要求的地方，都要使用直流变换器。如当电源输出电压不符合负载要求，太阳能光伏方阵输出电压不符合蓄电池充电要求等。在这些情况下，就要应用直流变换器，把电压降低或升高，以满足工作需要。直流变换器对输出电压的调控一般采用脉冲技术，应用脉宽调制来实现。从技术发展的层次分，有硬开关和软开关两大类，所谓硬开关是指开关管上的电压（或电流）不为零时，强迫开关管开启（或断开）；而软开关则让开关管在开启或关断的过程中，电压或电流为零，从而降低了开关管在开关过程中的损耗。
充电器技术
在自然能供电系统中通常配备有蓄电池，因此，必须设置相应的充电设备。由于部分发电设备输出的是交流电能，因此首先要把交流转换成直流，然后再考虑实现充电的问题。如风力发电机输出是三相交流电，潮汐水轮发电机输出是单相交流电。充电器实质上是一个能量变换器，是将交流整流变为直流，再给蓄电池充电恢复其容量的设备。充电器技术就是研究如何适应蓄电池充电要求的技术。
逆变器技术
在自然能供电系统中，蓄电池输出的直流电能只能为直流负载供电，如果要为交流负载供电或与常规电网并网供电，就要配置逆变器。逆变器是把直流电能变换为交流电能的设备。逆变器技术就是研究如何把直流电能变为交流电能的技术。目前，逆变技术通常采用PWM技术，这种变换方式的谐波抑制效果好，与直流变换技术一样，有硬开关和软开关两种结构。
控制器技术
控制器是自然能供电系统的智能化调控管理中心，是供电系统的核心部分。它能在计算机的控制下，按设定的方式，完成检测、运算、判断、控制、管理、报警、保护等一系列功能。由于电子计算机在控制器中的广泛应用，通过逻辑分析和逻辑判断，进一步提高了控制器的智能化水平，因此，自然能供电系统的控制器又称为智能控制器。
六、低碳型自然能热利用技术
