太阳能光伏电源系统在住宅照明工程中的应用

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太阳能光伏电源系统的设计计算主要依据现场实际情况,为满足符合能量的需求,在系统设置地点的日照条件和环境温度等情况下,优选出合适的太阳能电池方阵和蓄电池容量,并使系统中所有设备相互匹配,保证系统的合理性和适用性。一个完善的太阳能光伏电源系统需要考虑多种因素进行设计,如电气性能设计、热力设计、机械结构设计等,对地面应用的独立电源系统来说,最主要的是根据使用要求,决定太阳能电池方阵和蓄电池规模,以满足正常工作的需求。　　太阳能光伏电源系统总体设计原则是在保证满足负载用电量需要的前提下,确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量。通过技术经济分析,合理确定太阳能电池组件数量和蓄电池容量、包括安全性、可靠性等诸多方面的要求。
　　系统配置的设计主要考虑两种因素：
　　(1)根据负荷需求,环境参数和太阳能光伏电源系统部件的电气参数,选择不同的系统部件。
　　(2)需要确定的数据主要包括：安装地点的日照辐射、太阳能电池方阵倾斜面的日照辐射、环境温度参数。系统电压、负荷能量需求,最大和平均的放电电流。控制器、逆变器调节特性与参数,太阳能电池组件和蓄电池的特征参数和系统供电可靠性和供电电源可用率。
　　系统设计系数的选择：
1 }. ?1 }0 e$ ]* {　　有关太阳能电池设计方面的设计系数
　　太阳能电池方阵组合损耗系数1%。太阳能电池组件在组合成方阵的过程中因组件失配而引起的损耗。同时,在对各站点组件配置时,整套系统要求组件电压、电流失配控制、电压失配控制值为±2%,电流失配控制值为±1%,功率失配控制值为±1%。
: I, l9 E4 k' U9 ?. q　　环境系数为100%。太阳能光伏电源系统要求安装地点无阴影、太阳能电池方阵向正南,无树木及房屋遮挡、发电时期太阳高度无影响。
% X- B# C. C7 }" K7 `! T0 i　　温度系数为89%。太阳能光伏电源的安装地点室外设计温度为-20℃～55℃。根据太阳能电池组件的温度因数取值。
　　污浊系数为95%。根据系统安装地点的风沙尘土情况,考虑对组件发电量的影响。
* l( i6 |" j, ~　　衰减系数为10%。电池组件随时间推移,紫外线照射引起的物理反应,发电量会有所衰减。因此选用的组件实际衰减率10年为5%。
　　有关蓄电池设计方面的设计系数
( z9 t; }7 l2 T) H& B　　无日照天数为5天。此数据根据太阳能电池安装的具体地理位置,并考虑实际运行情况选择。
8 ]) ]8 T, {6 _9 Q, y6 W　　安全系数130%。为安全起见蓄电池具有30%的备用容量,即意味着电池在完全放电后具有30%的剩余容量。
6 M) U. j# S  z7 P5 Z2 Y, ?8 G4 @　　充电效率92%,放电效率98%。上述2个数据为太阳能光伏电池方阵发电对蓄电池充电过程和蓄电池对负荷放电过程引起的损耗。
- \' U: v+ Y& Y; e　　最大放电深度70%。为保证蓄电池的使用寿命和电气性能,系统设计在各种运行环境条件下的最大DOD系数为70%。
% x/ i% t/ U& o5 T  h% Y　　最大日放电深度16%。正常运行时,太阳能光伏电源系统中的蓄电池以近似浮充电的方式浅循环运行。每日的设计最大日放电深度为16%,以保证不影响蓄电池的实际使用寿命。
0 d( t) w; f- z" N8 I8 i: ]! x5 R　　温度系数为1.20。蓄电池性能和寿命受温度影响很大。虽然控制器设有运行参数温度补偿功能,但还应考虑温度影响。
2 A. c8 u: D/ I% A5 W/ E8 T　　有关系统运行和安全方面的设计系数
　　平均无故障时间MTBF为10000h。系统可靠性除组成部件的MTBF影响外,系统的合理优化组合也影响系统的MTBF。
4 u- k! S5 f. p* y　　太阳能电池,支架风力系数20m/s。考虑北京地区年平均2.5m/s的风速,支架设计按照30m/s进行计算。
　　电压电流回路安全系数不低于1.5。设备运行安全。可靠,要考虑对电压和电流回路合理的选择,同时对电压电流保护操作进行合理地选择。
' k  W  b" `/ K" ~9 Q9 h　　设备容量安全系数最小值120%。包括控制器(整流器,调压装置、配电盘)、接线箱和电缆导线等。
　　工程概述
　　清上园II期内建有40～50m高塔楼6座,南北楼间距20～40m。在相邻建筑物之间将无法获得有效日照时数或有效日照时数将大打折扣。因此社区内的照明灯具除将采用太阳能集中供电方式,即在建筑屋顶安装太阳能光伏电站,以便使照明灯具获得充足的电力供应。
　　系统配置
　　太阳能电池方阵该社区内太阳能光伏电源系统总装机容量4560Wp,选用保定天威英利新能源公司生产的120(17)D优质单晶硅电池组件38块。该组件采用高效率晶体硅太阳电池片,转换效率高：≥14%；使用寿命长：≥20年,衰减小；采用无螺钉紧固铝合金边框,便于安装.杭机械强度高；采用高透光率钢化玻璃封装,透光率和机械强度高；采用密封防水的多功能接线盒；具有良好的耐候性,防风。防雹；可有效抵御湿气和盐雾的腐蚀,不受地理环境影响。
　　太阳能充电控制器该太阳能光伏发电系统选用德国Steca公司生产的Power-Tarom2140控制器2台。PowerTarom系列充电控制器,均带有直流输出功能,可为直流负载供电。可以详细反映蓄电池的状态,以此调整充电电压和电流,使其完全符合蓄电池充电的实际需要,提高充电效率,达到快速、平稳充电的目的。
　　采用该套太阳能充电器,为以后系统的扩容打下了基础；同时该控制器还可以存储光伏发电系统的各项运行数据,这为评估系统的各项性能提供了可靠的依据。
  F" |6 w1 G, c6 B8 k　　逆变器直流12V/24V输入,交流220V输出；纯正正弦波输出(THD≤4%≤；输入与输出完全隔离设计；高效率88～94%；指示灯显示输入电压与负载功率；多种保护功能；负载控制风扇冷却。
　　蓄电池蓄电池组选用广东叵达蓄电池总厂TOYO单体12V200AH阀控式铅酸蓄电池。
　　密封阀控免维护铅酸蓄电池与传统的敞开型电池比较,具有以下优点：
　　1.密封程度高,电解液不会轻易流动,所以电池可以横放；2.密封阀控免维护铅酸蓄电池的极板栅采用无锑铅合金,电池的自放电系数很小；3.电池的正负极板完全被隔离板包围,有效物质不易脱落,使用寿命长；4.密封阀控免维护铅酸蓄电池的体积比老式的电池小,而容量却比老式敞开型电池高；5.电池在长期运行中无需补充任何液体,同时在使用过程中不会产生酸雾、气体、维护工作量极小；6.电池的内阻很小,大电流放电特性好。
/ j! z6 R6 s! `6 P　　设计安装实例
　　太阳能电池方阵的安装
　　方阵支架方位角的设计：一般情况下,太阳能电池方阵应面向正南安装,方位角0°。
　　固定式支架倾角设计：根据年发电量计算结果,倾角定为40°。
　　安装方式设计：固定式、结构简单,安全可靠,安装调试及管理维护都很方便。
　　蓄电池组的安装方式：
2 \1 U4 E& ^( r! z) ?4 t$ K　　蓄电池组由单体蓄电池、蓄电池支架、连接线及铜母排等组成。
: J0 ^/ g5 G, P5 r4 w　　蓄电池组安放在蓄电池室内,同时要求与电池组件有较近的直流传输距离。安装蓄电池的地点应干燥、清洁。必须有良好的通气、排风条件,电池远离热源或易产生火花处,其安全距离要大于2m,避免阳光直射。根据电池安装面积以及电池极限负荷重量,选择相应的电池组安装方式(地面安装或叠层安装)。
　　避雷、防雷及接地保护的设置
9 c( E" U- c) j( H" V9 A　　场地防雷：
　　方式：避雷带。将金属导体沿被保护物顶部轮廓敷设,并保持适当距离,消引雷电荷,避免直接雷击。
/ o! s8 T: O# o& o* S9 V% |) E7 E　　直流侧的防雷：控制器内部有防雷击保护；
0 A5 H: ]; k; c; z　　系统接地保护：雷电保护系统的接地电阻应符合DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的要求(一般不应大于10n)；线路接地系统应符合DL/T62-1997《交流电气装置的接地》的要求,以及DL499-92《农村低压电力技术规范》的技术要求(一般不应大于4Ω。
" l& Q7 l% D, c/ C2 \: Y  o+ v8 E　　电源控制柜的安装：
2 l: |: g: |& n! q4 X　　光伏系统的效率分析及发电量预测
1 u& m/ D# N% t2 L+ G; q0 V- Z　　光伏阵列效率：
　　光伏阵列在1000Ｗ/ｍ2太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。
( Y; e4 n) Z( N( J4 C0 ?　　光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括：
1 Y! W1 c& Q4 i4 s; ]" ]0 s" W　　组件匹配损失：对于精心设计、精心施工的系统,约有4％的损失；
9 f) K. G, z7 F3 X; f$ x$ h　　太阳辐射损失：包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失,取值5％；
+ d' Y" }$ Z7 C! |4 a4 w- Y　　偏离最大功率点损失：如温度的影响等,取值4％；
　　直流线路损失：按有关标准规定,应小于3％,得：η1＝96％×95％×96％×97％＝85％
4 T' d' }1 i( x6 l8 M' d& b, E$ X　　逆变器的转换效率：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比对于进口逆变器,可取η1＝87％,控制器以及逆变后交流线路损失,取值3％
9 h( }$ F3 Y/ ^　　系统的总效率等于上述各部分效率的乘积：η＝η1×η2×η3＝85％×97％＝72％
5 `) n  o- _1 m" Q5 o　　4560Ｗｐ光伏系统发电量预测
　　依据：北京地区太阳辐射量、系统组件总功率4560Ｗｐ、系统效率72％。
- `0 K& b" S: Q0 T　　光伏阵列倾角等于40°,固定式安装；年发电量约6657千瓦小时；20年的总发电量约为119826千瓦小时,年平均发电5991千瓦小时(按20年输出衰减10％计算)。
　　20年节电119826ＫＷＨ,按每ＫＷＨ燃煤0．4Ｋｇｃｅ计算,减少燃煤47．930ｔｃｅ,减少煤灰、ＣＯ2,ＳＯ2等排放244975Ｋｇ,发挥了一定的环保效益。