野外活动板房太阳能综合利用

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1、野外活动板房太阳能综合利用简单设计Design of the Comprehensive Utilization of Solar Energy Removable Houses36 / 40摘 要光伏-柴油机互补发电系统是野外施工活动板房供电的最佳解决方案。本文是针对在国家电网没有覆盖的地区,为满足野外工程施工人员居住的活动板房基本用电需求而提出的一套太阳能综合利用方案。文章在首先介绍太阳能光伏发电的原理和运作方式的基础上,以市的实际情况为例,通过对野外活动板房的人员和基础设施的用电需求进行统计,对当地气象信息分析和评估,并估算野外活动板房多晶硅太阳能电池板对太辐射能的收集情况,计算出最佳安

2、装倾角、多晶硅太阳能电池板发电量以及实际得到的有效电量,并且给出蓄电池的容量设计方案和其他周边部分的选择原则等。而后进行延伸,得到不同地区的设计模型。为居住在野外活动板房的施工人员,设计出系统性可靠性强的太阳能综合利用的最优方案。关键词：光伏 活动板房 hay模型 倾角 安装方案AbstractSolar-diesel engine complementary power generation system is the best solution for removable houses power supply. This article is aimed at the region wh

3、ich the national grid not covered in. And put forward a design of comprehensive utilization of solar energyto meet the engineering construction personnel basic electricity demand within the wild removable houses.First of all,the article introduces the principle of solar photovoltaic power generation

4、 and the ways of operating. With the actual situation of Beijing as an example. Through the statistics of personnel and the infrastructure power needs within the houses and local meteorological information analysis and evaluation,estimate the collection of sun radiant energy of polycrystalline silic

5、on solar energy panels in the wild removable houses. Then figuring out the best installation Angle,generating capacity and the effective power got by Polycrystalline silicon solar panels. And put forward the capacity of the battery and other peripheral part design scheme.Get the design model of diff

6、erent regions.Put out a reliable, systemiccomprehensive utilization of solar energy optimal design for construction personnel living in the wild removable houses.Key words：photovoltaic removable housesHay model dip Angle installation plan目 录第 1 章绪论11.1 研究背景11.1.1 当今的能源形势11.1.2 光伏发电的优势和现状21.2 课题研究的容2

7、1.2.1 课题研究的困难21.2.2 课题研究的目的、意义和创新点3第 2 章太阳能光伏发电技术42.1 太阳能电池板42.1.1 电池板工作原理42.1.2 影响电池板发电效率的因素52.2 柴油机-光伏混合供电系统基本组成62.2.1 光伏发电系统的基本组成62.2.2 柴油机-光伏系统7第 3 章活动板房电力需求与发电能力分析83.1 活动板房的电力需求83.2 电池板发电能力113.2.1 各地域气象信息分析113.2.1 活动板房房顶可用面积123.2.2 太阳辐射能收集情况12第 4 章野外活动板房电池板安装方案184.1 电池板的安装184.1.1 多晶硅电池板的选择184.1

8、.2 电池板安装角度184.2 系统周边的选择184.2.1 蓄电池的设计与选择184.2.2 控制器的选择204.2.3 逆变器的选择21第 5 章野外活动板房太阳能利用的前景23参考文献25致26附录27附录A Pvsyst软件介绍27附录B 翻译28原文28译文33第 1 章 绪 论1.1 研究背景本课题旨在为满足野外活动板房的基本用电需求,设计出一套方便安装和维护的太阳能综合利用方案。1.1.1 当今的能源形势能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。过去100多年里,发达国家先后完成了工业化,消耗了地球上大量的自然资源,特别是能源资源。世界能源以化石能源为主的结构特征,使得化石能源

9、走向枯竭和化石能源利用对环境的污染这两个老问题,一直困扰着人类。作为能源主体的化石能源如煤炭、石油、天然气等是不可再生能源,用一点就会少一点。这种状况更加剧了人们对不可再生能源走向枯竭的危机感。近年来国际市场油价持续走高,很大程度是这种危机感的直接反应。目前以煤炭、石油为主的世界能源结构带来全球性能源环境问题的主要表现为酸雨、臭氧层破坏、温室气体排放等。进入21世纪后的绝大部分时间里,能源供应趋紧。尽管在世界围石油供需总体上保持平衡,供略大于求,但这一平衡十分脆弱。往往受限制于自然灾害、气候变化、局部战争、社会动乱、恐怖活动等原因。总体看,能源生产能力增长缓慢,能源消费需求却快速上升。当前,一

10、些发展中国家正在步入工业化阶段,能源消费增加是经济社会发展的客观必然。中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。能源供应持续增长,为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长,为世界新能源市场创造了广阔的发展空间。中国能源资源有以下特点：能源资源总量比较丰富。人均能源资源拥有量较低能源资源分布不均衡。能源资源开发难度较大。这更加证明我国的能源形势不容乐观。自二战以后,特别是第一次石油危机以后,为抢占新能源行业制高点,力争在新的国际经济竞争中占据有利位置,各国都加大了对新能源发展的资金和政策扶持力度,推出了自己的新能源发展目标和战略规划。之所以各国都加快发展新能源,具体是因为：第一,新能源

11、资源潜力巨大,发展新能源能够保障能源供应安全。第二,新能源尤其是可再生能源污染相对较小,是解决环境问题的有效方法。第三,发展新能源是全球能源产业结构优化和升级的重要方向,是全球新的经济增长点。亟待解决的能源问题必将把新能源行业推向本世纪的发展前沿。1.1.2 光伏发电的优势和现状新能源如太阳能、风能、海洋能等可再生能源储量巨大,只要技术可行,成本可接受,可再生能源的开发利用从理论上讲是没有上限的。本世纪人类能源结构将发生根本性的变革,光伏发电将作为最干净、最具可持续发展理想特征的能源技术进入能源结构,其比例将愈来愈大,并成为能源主体构成之一。自100多年前,法国物理学家A.E.贝克勒尔发现光伏

12、效应以来,人们将目光开始纷纷投向光伏行业,随着研究的深入,硅提纯技术的改革,P-N结的制造,电池板的开发,到效率的提高,再到成本的降低,光伏技术开始得到不断的完善和发展。这一步步坚实的脚印注定了这个产业的先进性和长久性。当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视,针对其指定规划,增加投入,大力发展。在20世纪90年代,光伏发电技术产业不但保持10%15%的递增速度,而且发展迅速,成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。各国一直在通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等手段来降低光伏电池的制造成本,并出台相应的法律法规和扶持政策,鼓励发展光伏技术。太阳能光伏发电以其独具的优势,其开发利用必将在

13、21世纪得到长足的发展,并终将在世界能源结构转换中担当重任,成为2l世纪后期的主导能源。1.2 课题研究的容1.2.1 课题研究的困难由于本课题是活动板房太阳能电池板方案的系统性设计,需要对典型地区气象信息的详细数据进行大量搜集和评估筛选,最后再进行处理,所以在信息可靠性方面会存在一定的疑虑。至于野外活动板房人员和基础设施的用电需求统计,由于不同的环境情况会有不同的需求,这里得到的用电量粗略估计值可能会与实际情况存在一定的出入。野外活动板房多晶硅太阳能电池板的实际安装效果可能会与设计有所偏差,多晶硅太阳能电池板发电量和蓄电池的转换效率随着使用会有衰减,故而对的收集情况以及实际得到的电量也会与初

14、始设计值存在一定差异。1.2.2 课题研究的目的、意义和创新点本课题的研究目的是针对国家电网没有覆盖的地区,设计一套绿色环保、可靠性强的,系统性的太阳能综合利用方案,以满足野外活动板房的工程施工人员的基本用电需求。对于野外施工人员来说,以往单纯的柴油供电车不但在生活方面会带给工作人员噪音污染,废气污染和安全隐患等等,并且也会对自然环境带来破坏。在我国大力提倡节能环保, 低碳型社会的今天,利用太阳能发电技术,抓住电池板价格滑至低谷的良好机遇,推出新,大力提倡新能源的使用和开发,缓解化石能源紧,是我们共同的的责任。况且目前国缺少系统性的设计方案,本文会在前人研究的基础上,进行拓展,并总结概括。本课

15、题的创新之处是通用性、自主性和可靠性。就是此设计是一套适用围广,可选择性高,功能稳定可靠的方案。其通用性体现在本课题的结论适用于多种地域,多种环境。自主性体现在客户可以自主选择发电系统中的各种配件以适应不同的预算需求；可靠性则是太阳能电池板可以高可靠性的运行,并且方便维护。第 2 章 太阳能光伏发电技术2.1 太阳能电池板太阳能电池板是整个太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中最具价值的部分。其作用是将太阳能转化为电能,之后送往蓄电池中存储起来,或驱动不同的负载工作。太阳能电池板的质量将直接决定整个系统的质量和运行可靠性。由于本课题选择的是多晶硅太阳能电池组件,下面便以此为根本进行研

16、究设计。2.1.1 电池板工作原理本课题研究所用到的多晶硅太阳能电池,在这里首先介绍晶体硅的发电原理1。当太阳照射到硅的表面时,一部分光子的能量会被硅原子吸收,使原子的电子发生跃迁,从而在材料部形成一定的电位差,这样光能就转化为电能储存了起来。当太阳能电池接通电路时,电池板两端的电压就可以产生电流流过外部电路了,原理图如图2-1。图2-1硅电池板发电原理图详细来说,太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应。当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼、磷等,当掺入硼时,硅晶体中就会存在着一个空穴。因为硼原子周围最外层只有3个电子,所以就会相应地产生一个空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子

17、而中和,形成P型半导体。同样,硅晶体中掺入磷原子以后,因为磷原子最外层有五个电子,所以就会有一个电子变得非常活跃,形成N型半导体。P型半导体中含有较多的空穴,而N型半导体中含有较多的电子,当P型和N型半导体结合在一起时,就会在接触面形成电势差,也就是P-N结。当P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面的区域里会形成特殊的薄层,如图2-2P-N结的形成图2-2。这是由于P型半导体空穴浓度高,N型半导体自由电子浓度高,出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区,部分电子与空穴会在两种半导体交界面上中和。一旦扩散就形成了一个由N指向P的电场,从而阻止扩散进行。达到平衡后,

18、就在这样一个特殊的薄层两端形成电势差,这就是P-N结。当多晶硅受到光照时,P-N结中N型区的少子空穴移向P型区,而P型区中的少子电子移向N型区,从而形成从N型区到P型区的电流,随之在P-N结两端形成电势差,这就形成了电源。由于半导体不是电的良导体,电子在通过P-N结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖P-N结,以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太,不能被电池板利用。为此,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜,实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜,厚度在1000埃左

19、右。将反射损失减小到5甚至更小。一个电池片所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多个电池片并联或串联起来使用,形成太阳能电池组件,并且将电池组件进行串联或者并联,组装成光伏阵列。2.1.2 影响电池板发电效率的因素影响光伏电池效率的因素有很多,在整个光电转换过程中影响光伏电池效率的损耗基本可归纳为以下六个部分2：不同波长的太穿透能力不同,只有进入到电池材料部,且能量大于禁带宽度Eg的光子才可能产生电子-空穴对。这一过程太阳辐射能大约损耗25%左右。任何电池表面都对光有反射作用。即便是采用较好的抗反射工艺,辐射光也要损失大约10%左右。能量大于Eg的光子在半导体部,由于复合和寿命等原因,不

20、能全部产生有用的电子-空穴对。这一过程要损失60%左右。光伏电池的最大工作电压一般是开路电压的60%左右。由于串联电阻Rs和旁路电阻Rsh的影响,往往使输出效率降低5%左右。填充因数一般为0.750.8左右。本课题在此需要做的就是在考虑如上情况的前提下,计算电池板的最佳安装角度,选择合适的控制逆变电路,以求最大化电池板发电效率。2.2 柴油机-光伏混合供电系统基本组成控制器蓄电池组直流负载DC/AC逆变电源太阳能电池板交流负载2.2.1 光伏发电系统的基本组成图2-3光伏发电系统组成太阳能电池板柴油发电机光电板控制器直流控制中心直流负载蓄电池组DC/AC逆变电源交流负载交流充电机图2-4光伏-

21、柴油机发电系统组成2.2.2 柴油机-光伏系统光伏-柴油机互补发电系统是由以上几个部分组成3：发电部分：主要供电单元由太阳能电池阵列组成,完成光能到电能的转换,并且通过充电控制器部分与直流配电中心完成给蓄电池组自动充电的工作。同时柴油发电机组作为互补备用电源,保证大功率用电设备或电池板电量透支后的系统用电的连续和稳定。蓄电池部分：由多块蓄电池组成,完成整个光伏-柴油机互补系统的电能储备和应急供电任务。充电控制器及直流配电中心部分：由太阳能-柴油机充电控制器、直流中心、控制柜、避雷设备等组成。主要功能是完成光伏系统各部分的连接、组合和对蓄电池组充放电的自动控制,以及负担光伏和柴油机供电之间的互补

22、切换任务,同时监测和控制整个系统的稳定性。逆变器部分：由UPS逆变电源组成,有逆变和稳压的功能,把蓄电池或柴油机提供的直流电变换成标准的220V交流电,保证交流用电设备的正常用电。直流控制中心部分：由双电源切换配电柜构成,保证在使用太阳能电池板或柴油机发电时,全部负荷由电池板或柴油发电机组供电任务的分配,并向蓄电池组充电。第 3 章 活动板房电力需求与发电能力分析3.1 活动板房的电力需求本文所研究的活动板房规格为：彩钢活动板房,如图3-1所示。一般中型野外作业施工队大概有60人左右,大概需要2-3个活动板房。板房的屋体结构采用标准模数进行长宽组合和全螺栓连接。以轻型冷弯C型钢为钢构主体材料,

23、外墙体体使用彩钢夹芯板或其它隔热材料,太阳能电池板用螺栓固定在房顶。房屋整体可重复拆装3次以上,拆装无须重型机械。屋顶集成的太阳能发电系统,所采用的多晶硅电池板使用高强度的强化玻璃包装,可以耐受大冰雹的打击,安装简便,屋体结构可实现一体化设计,如图3-2。北半球的活动板房需南北正向建设,保证太阳能电池板南向正对,以收集更大量的辐射,安装图如图3-3所示。房间利用大致安排为：每间房子大小为,每个活动板房的二层和一层部分为住宿所用,按照每个宿舍6人标准,一层剩余部分用作办公或贮存室。二层中间有过道,二层有四个宿舍,一层也有一个宿舍,共5个宿舍。整个活动板房的宿舍可容纳住宿人数为30人。大厅位于一楼

24、左边。办公室位于一楼右边。一楼剩余的一个贮存室可以换为办公室使用。图3-1活动板房主视图图3-2板房侧视图图3-3板房俯视图这样的一个施工队每日的电力需求大致情况可以通过如下表格统计得到。用电设备日平均耗电量统计方法：。 其中为所有日常用电设备的日平均耗电量；为同一组用电设备日平均耗电量；为用电设备组中单件用电器的额定功率；为用电设备组负荷系数,一般电器工作时都是在负荷系数=11.1之间；为用电设备组中负载数；为用电设备组平均每日使用时常。活动板房日平均耗电量大致统计情况,如表3-1所示。负载类型/W/kW/h/kWh/kWh1照明灯15150.22551.1251.031.1592计算机26

25、00.1240.481.050.5043电视机51000.5031.501.051.5754无线电台1/21000.0530.151.070.16055卫星接收器1/2200.0130.031.070.03216电风扇7300.2151.051.031.08157电冰箱1900.09100.91.050.9458电热水器110001221.052.19其他电器-5000.5211.051.05总计最大总功率：2.705kW最大总用电量： 8.6071kWh表3-1一个活动板房的负荷统计表其中表中照明灯为24V直流高效节能灯。表示此项可由2个活动板房公用,且成本均摊。直流电风扇选择30W,24V

26、三相直流无刷型,静音,省电,环保。电器用电负荷系数由工业与民用配电设计手册得到。照明部分为供电基本保障部分,由24V,11W直流高效节能灯承担,电源由控制器直接输送。此类照明灯亮度高,低功耗,安装方便,无需改线路,节能效果显著。室灯管安装在屋顶,照射立体角为180度。按照节能灯的标准,发光效率为6080lm/W,光通量可达到近1200lm4。相当于80W白炽灯或24W日光灯的水平。完全可以达到室照明使用标准。3.2 电池板发电能力太阳能电池板发电的能力与很多方面因素有关,其中之一的气象信息是很重要的因素,根据气象信息可以估计一个地区的太阳能可利用程度；根据某地区的位置可以估算太阳能辐射量,相应

27、的可以得到太阳能电池板的收集能力。下来结合对倾角的优化设计下电池板的对太阳辐照的收集情况,和太阳能电池板的安装条件,即由所选取的多晶硅电池板的规格以及有效安装面积,可以估算出本系统大致的发电能力。3.2.1 各地域气象信息分析与电池板发电量有关的气象信息分析一共有以下几个方面：全年日照时数5,全年平均气温5；空气质量5作为辅助考察因素。如下表3-2给出了不同城市不同气象信息,在华北地区、东北地区以及地区年辐照量较大,而且空气质量相对较好,日照充足,故而发电量较大。表3-2 不同地区气象信息统计表城市所属区域纬度经度高度全年日照时数年平均温度东北41.46123.26422275.28.1华北3

28、9.56116.17552382.911.8西北34.17108.573972651.214.6西南25.01102.4118912136.814.6下表3-3为辅助考察因素,一般在野外,空气质量都属于二级以上,所以一般情况认为空气质量优,对电池板发电量影响影响很小,其影响并入发电系统总效率中。表3-3 主要城市空气质量指标 单位：毫克/立方米城市可吸入颗粒物空气质量达到及好于二级的天数空气质量达二级以上天数占全年比重0.10132990.10.10228678.40.15522361.10.072365100如上数据中：纬度信息为20XX数据；平均每日日照时数为20XX1月数据；全年日照时数

29、为20XX数据；年平均温度为20XX数据,空气质量指数来自20XX数据。3.2.1 活动板房房顶可用面积从本文研究的活动板房房顶视图中可知,此活动板房的房顶总面积为：其中一面房顶上必须南向安装太阳能电池板,所以有效房顶面积即为一半69.2055。实际安装需要避开房顶的斜面交界处,具体安装面积由板房房顶有效面积和太阳能电池板装机容量共同决定。本课题选择的活动板房房顶的有效面积比较大,理论上可以安装足够多的太阳能电池板。但是光伏系统的装机容量还是要由板房的用电需求和发电能力决定,接下来分析的是活动板房的太阳能组件的发电能力。3.2.2 太阳辐射能收集情况众所周知,光伏组件对太阳辐射能的收集情况直接

30、关系到组件的发电能力,更大限度的收集太阳能才能获得更多的电量,本课题要解决的问题就是如何设计,使光伏组件收集到的太阳辐射能最大化。太阳辐射能的收集情况是由当地的太阳能辐射量和倾角共同决定的。从全国太阳年辐射6的分布情况来看,我国、XX、南部、北部、西部、中部和西南部、东南部、东南部、岛东部和西部以及省的西南部等广区的太阳辐射总量很大。按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区：一类地区：全年日照时数为32003300小时,每平米年辐射量在67008370MJ。主要包括青藏高原、北部、北部和XX南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区。二类地区：全年日照时数为30003200小时,每平米

31、年辐射量在58606700MJ。主要包括西北部、北部、南部、南部、中部、东部、东南部和XX南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。三类地区：全年日照时数为22003000小时,每平米年辐射量在50205860MJ。主要包括、东南部、南部、XX北部、北部、东南部、南部、南部、北部和北部等地。四类地区：全年日照时数为14002200小时,每平米年辐射量在41905020MJ。主要是长江中下游、和等一部分沿海地区,春夏多阴雨,秋冬季太阳能资源还可以。五类地区：全年日照时数约10001400小时,每平米年辐射量在33504190MJ。主要包括、两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。一、二、三类地区,年

32、日照时数大于2000小时,每平米年辐射总量高于5086MJ,是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区,面积较大,约占全国总面积的2/3以上,具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区显然太阳能资源条件不够理想,利用价值不是太高。本课题以市的野外活动板房为例,结合市的各项环境指标,对这个地区的太阳能收集情况和安装倾角进行研究。市属于太阳能辐射资源较丰富地区,首先要估算出指定地区的年太阳能辐射量,其算法由以下过程给出：众所周知,在倾斜面上所接收到的太阳辐射总量由直接辐射量、天空散射辐射量及地面反射辐射量三部分组成,即7, 与水平面上直接辐射量之间有如下关系：, 对于朝向赤道的倾斜面,两者的比值由下式确定：,

33、 式中,是当地纬度,是方阵安装倾角,太阳赤纬角可近似表示成：, 其中,n为一年中从一月一日算起的天数。水平面上日落时角：, 倾斜面上日落时角：, 有些文献认为天空散射是各向同性的,因而可得出较简单的表达式。实际上,在北半球,南边天空年平均散射辐射量显然要比北半边大,而南半球则正相反,可见天空散射辐射并不是均匀分布的。J.E.Hay提出了天空散射各向异性的模型,后来有些文献对他的模型又进行了分析。个人认为Hay模型比较简洁,也与本文计算使用的软件模型相符合。并具有足够的精确性,适合本课题的设计,其表达式为：, 式中,和H分别为水平面上散射辐射及总辐射量,为大气层外水平面上辐射量,它可由下式求出：

34、, 其中 ,为太阳常数,即。 地面反射辐射量的表达式为：, 式中,为地面反射率,一般情况下=0.2。 将式、及代人式即可得到倾斜面上太阳辐射总量的表达式：。 其次是要对倾角进行优化设计,得到最佳值,其算法遵循这样的原则：对于确定的地点,如已知全年各月的水平太阳辐射资料,即可确定夏半年和冬半年的月份围。由式算出不同倾斜面上全年各月的太阳辐射量,从而得出夏半年平均日辐射量H1及冬半年平均日辐射量H2值,进行分析比较后即可确定最佳倾角。对于光伏方阵的工作情况,通常具体步骤是从开始,每隔5度,到共取七种不同的倾角进行计算对比。从计算结果可以发现,随着倾角增大,H1下降很快,而H2逐渐上升,达最大值后又

35、变小。而全年平均日辐射量在附近达最大值,然后又下降。由于各地的H1、H2、变化的快慢不同,最佳倾角可以根据以下三种不同情况,分别选取：1在倾角增大时,H2达到某一最大值,同时始终有H1 H2,这时就取H2达最大值时所对应的角度为方阵倾角。2在H2到达最大值之前,已有H1 H2这表明夏天的辐射量已削弱太多,倾角不宜过大,这时可取H1 = H2 时所对应的角度作为方阵倾角。 3在以上角度围,始终有H1 H2,而且倾角越大,越小,这时方阵倾角可取相应于最大值的角度。本课题的计算选取过程遵循以上原则,利用hay模型求出太阳能辐射量。的辐射量和安装角度基于pvsyst软件求得,详细计算过程如下：根据的水

36、平太阳辐射量资料可得到的夏半年为4-9月,冬半年为10-3月。各月太阳能辐射量如表3-4所示：表3-4各月太阳能辐射情况月份123456789101112年总量水平辐射量64.780.6115.3150.5168.9164.2130.2130.9117.498.266.255.81342.9平均温度-4.3-1.95.113.620.024.225.924.619.612.74.3-2.211.8风速水平2.792.893.203.402.892.491.901.591.892.102.602.702.50接下来根据式分别计算七种倾角在不同月份的H1、H2、值,结果列于表3-5。表3-5各倾角

37、下的夏半年、冬半年、全年的日均辐照量月份角度0-5+5+10+15+20+2512.13.43.53.63.63.73.73.722.83.94.04.04.14.14.04.033.74.54.54.54.54.44.34.245.05.35.25.15.04.54.64.455.45.25.04.94.74.44.23.965.55.04.84.64.44.23.93.674.23.93.83.63.53.33.13.084.24.24.14.03.93.73.53.493.94.44.44.34.34.24.03.9103.24.24.24.34.34.24.24.1112.23.43.

38、53.53.63.63.63.6121.83.03.13.23.33.33.43.4H14.74.74.64.44.34.03.93.7H22.63.73.83.93.93.93.93.83.74.24.24.14.14.03.93.8单位：在可以达到足够精度的情况下,为简化计算过程,纬度数值仅取整数部分,如的39.56度,取39度。以为例,由表3-5可见,在到围,H1和H2不相交,直到时相交,基本上H1 H2,且在时H2达最大值,满足倾角选择原则的第一种情况,故选择方阵倾角为=44.56度。如仅从水平辐射量最弱的l2月份考虑,在时辐射量可能是最大值,似乎可以取,但此时在夏天六、七月份日辐射量

39、下降很大,也减少很多,况且一般工程不宜在寒冷天气进行,所以应相应地选择较温暖的月份的辐射量为电池板角度选取的主要考虑因素,只单独照顾12月份是不合适的。解决了前面的问题,可以得到发电能力的计算方法：以上计算得出的是全年平均太阳日总辐照量,在最佳倾角满足的条件下,将的单位用表示,再除以标准辐照度1000,即：, 这样在数值上就等于当月平均每天峰值日照时数,以后就用以为单位的来代替。在方阵容量已知和实现最佳倾角的情况下,根据式3-13,由方阵面上各个月份所接收到的日均太阳能辐照量,可以得到日均发电量：。P为单个电池板组件的功率；为安装的电池板数目。为方阵到控制器的直流输入回路与逆变器的交流回路的总

40、效率,包括方阵面上的灰尘遮蔽损失、性能失配、组件老化损失、逆变控制器效率以及线路损耗等。第 4 章 野外活动板房电池板安装方案4.1 电池板的安装4.1.1 多晶硅电池板的选择多晶硅电池板部分选择性比较广泛多样,本文选用的多晶硅太阳能电池板规格是：峰值输出功率：140Wp；功率偏差：3%；转换效率：17%；输出电压：18.0V；输出电流：7.78A；开路电压：22V；短路电流：8.25A；重量：12千克；外形尺寸：1470*670*35mm；接线盒类型：二极管1只。本电池板可以自由串并联,串联不可以超过44块,并联不超过60块。则单个电池板组件的面积为,根据式3-14和野外活动板房的电力需求可

41、以得到日需实际的发电量：Q=8.60 kWh。由日需发电量得到安装数目：=8.6071/4.1/0.14/0.81=18.5。本课题采用24V两组为一路的蓄电池,给蓄电池充电需要3块电池板组件串联,安装时则共需安装21块多晶硅太阳能电池组件。三个多晶硅电池组件串联为一路,之后并联相同的七条线路。光伏组件总的最大开路电压为66V,输出电压为54V,输出电流为54.46A,最大短路电流为57.75A,装机容量为2.94kW。在天气良好的情况下,实际的日均发电量可以达到：。4.1.2 电池板安装角度根据以上的结论,可以得到在地区,本课题的活动板房电池板最佳安装角度应为44.56度,安装位置见第三章的

42、图3-3。其他的地区可以根据以上的计算方法求得,本文不再赘述。4.2 系统周边的选择4.2.1 蓄电池的设计与选择独立光伏发电系统一般是以蓄电池为储能设备的。蓄电池的选择主要应该考虑四个方面的因素：日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。独立光伏系统的蓄电池容量设计,首先要保证系统在太阳辐照量连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间持续正常工作。在辐照度低于平均值的情况下,太阳能电池组件产生的电能,不能完全补充每日负载需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺,这样蓄电池就会处于亏电状态。如果在一定时间光照度始终低于平均值,蓄电池持续放电供给负载,蓄电池的荷电状态会持续下降。本

43、文的设计中,可以通过柴油机互补发电的方式来为蓄电池充电,但为了最大化太阳能的利用,在一般工作状态下,不提倡调用柴油机进行互补发电。为了避免蓄电池的损坏,亏电状态下的放电过程只能允许持续一定的时间,直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低值,即对蓄电池的最大放电深度要有一定的要求,因此本文选用80%的放电深度。独立运行天数,即光伏系统在没有任何外来能源的情况下蓄电池供给负载正常工作的天数,本文中独立运行天数规定为3天。独立运行天数的确定主要与两个因素有关：光伏系统安装地点的气象条件、负载对应用场合的重要程度。同时,由于铅酸蓄电池的额定容量会随着温度的变化而变化,当蓄电池温度下降时,蓄电池的容量会下降,

44、所以安装地气温对确定蓄电池的容量影响非常重要。如果安装蓄电池的地区气温较低,实际需要的蓄电池容量就要比常温条件下需要的蓄电池容量大,反之则容量需求小。才能保证在最大蓄电池使用寿命的的情况下满足负载的用电需求。大多数铅酸蓄电池生产企业一般会提供相关的蓄电池温度-容量修正系数值。这里给出环境温度和电池容量的关系的计算式：, 式中：Cr非标准温度下电池的实际放电量；Ce为蓄电池标称设计容量；t放电的环境温度；温度系数；10小时率容量试验室=0.006/,3小时率容量试验室K=0.008/,2小时率容量试验室K=0.0085/,1小时率容量试验室K=0.01/。依据我国标准,阀控式密封铅酸蓄电池放电时

45、,若温度不是标准温度,则需将实际电量Cr根据式4-1换算成标称电量Ce8后再对蓄电池进行选择。蓄电池容量理论计算公式9：, 系统安全系数取值为,此处为平衡系统的可靠性和预算需求选择安全系数值为1.2。综上两方面所述,在考虑其他损耗因素后,应加入容量修正,最大应选用的实际蓄电池容量的的计算公式为：, 此处,Q为基本供电需求下的最大负载功耗；d为独立运行天数；U为蓄电池电压；t为平均环境温度；K为蓄电池温度系数；为逆变电源的效率。恒流充电电压设定为标称电压的1.23-1.35倍。浮充充电压设定为标称电压的1.125-1.15倍。在长期充电的情况下,为了保护蓄电池,充电电流数值大小应该控制在0.1C

46、以下。若要快速充电,可使用大电流,平时则使用小电流,在本课题中,由于电池会长期处于浮充状态下,所以应当使用较小的电流为蓄电池充电,以保证蓄电池的正常充放电,并延长其使用寿命,充电电流的上限应该不高于充电控制器所能承受的电流围。在保证以上条件满足的情况下,假设选取单体蓄电池的容量为XAh,那么需要的蓄电池数为：。总的充电控制器的输出电流应该在以下。本课题所用的24V,10小时率蓄电池,选择放电深度在80%左右的深循环蓄电池,采用VRLA阀控式密封铅酸蓄电池的AGM型玻璃纤维隔板电池,最长实际供电时间按照每天5个小时计算,蓄电池总容量可以由公式得出：C=2014Ah,即48334Wh单体蓄电池的恒

47、流充电电压为32V,浮充充电电压为27V,若使用65Ah 24V的蓄电池,那么理论选用数量应该是31,这里选择32个。此处充电电流选为0.01C,即0.65A。对蓄电池的其他要求：循环寿命长,自放电小,高耐过充放性能,高能质比,温度系数低,充电效率高,发热小,价格低廉,使用方便,免维护。蓄电池组的并联数由计算出的系统的蓄电池容量除以每一路蓄电池总的容量得到。在实际应用当中,要尽量减少并联数目,最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目,因为并联的单体蓄电池在充放电的时候会发生电流不平衡现象,会对整个电路的稳定产生影响。并联的组数越多,发生蓄电池回路电流不平衡的可能性就越大,本课题选用的蓄电池

48、为65Ah 24V,可以两个单体蓄电池为一组,串联之后以同样的16路并联。这要求充电控制器能够稳定输出的充电电流达到10.4A。选择较好的控制器就可以改善充电电流不平衡的情况。4.2.2 控制器的选择独立光伏发电系统是由光伏组件发电,经控制器对蓄电池进行充放电管理,并给直流负载提供电能或再通过逆变器给交流负载提供电能的新型电源系统。其中光伏控制器对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载,以及逆变器和之后的交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存。当所发的电不能满足负载需要时,控制器可以把蓄电池的电能回送给直流负载或逆变器及之后的交流负载。如果控制器的性能不好,整个光伏

49、回路的稳定性将会大大降低,并且对蓄电池的使用寿命影响很大,甚至很可能缩短蓄电池的寿命到其三分之一。最终影响系统的可靠性。控制器应满足系统输入输出电流和电压的基本要求10：为保证发电系统的可靠性,控制器在太阳能电池板的支路应能承受1.21.3倍的光伏阵列的短路电流,负载端和蓄电池端的输出回路应能承受1.31.5倍的系统最大负载电流；同时控制器应能承受1.52倍的系统额定直流电压。还要保证如下功能：蓄电池过放电保护和充电控制；充电控制的温度补偿；过放电保护的温度补偿。蓄电池过放电的保护措施：达到预置的待充电最低电位时,断开负载,同时控制器报警,显示蓄电池电压过低；在蓄电池组和光复阵列亏电的情况下,

50、自动连接到柴油发电机或者其他后备电源。控制器的其他功能要求：提倡使用带有MPPT最大功率点跟踪功能的控制器；可作为负载断路器；蓄电池低电压报警器和低电压断路功能；电压指示功能；电流指示功能；后备充电启动控制；日照情况监测；蓄电池充电指示；自动均衡充电。本文中的控制器在参数上应达到以下要求：要求可以耐受的太阳能电池板端输入直流电流约75A,电压100V。输出直流充电电流约60A,能够稳定提供蓄电池输出端54V的充电电压,实际转换效率为89%。具有上述的基本功能,并且可以灵活控制光柴互补供电的切换。4.2.3 逆变器的选择在本课题中,照明用LED节能等以及直流电风扇可以由控制器输出端直接提供电能,

51、但是其他电器无法直接使用直流电,需要通过逆变器来实现DC-AC的转换和稳定,可以利用UPS电源进行稳压,逆变部分做DC-AC转换和稳频。这里大致给出逆变器的选用原则11。为了保证太阳能光伏发电系统正常运作,在选择逆变器时应该注意到以下方面：额定输出容量：额定输出容量反映了逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带动更多的用电负载。选用逆变器时应首先考虑具有足够的额定容量,以满足最大负荷情况下设备对电功率的要求。输出电压的调压性能：逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品会给出输入直流电压在允许波动围该逆变器输出电压的偏差。性能良好的逆变器的电压调整率应3,负载调整率应6。因此为了保证

52、光伏-柴油互补供电系统以稳定的交流电压供电,必须要求逆变器具有很好的调压稳压性能。保护功能：过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施。功能完美的正弦波逆变器不但具有当温升超过规定的最高限度时的电路保护功能,而且还应有缺相保护等功能。逆变器整机效率：表示逆变器自身功率损耗的大小。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。本文中的逆变器选用的逆变部分效率为95%。光伏发电系统专用逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗,提高整机效率。将其用于光伏发电系统时将带来总发电量36的电能损耗。所以本文所用UPS逆变器整体的效率在91%左右。在活动板房中,除了照明用灯和夏用电扇需要

53、直流供电外,其他日常用电设备都是交流供电制式。所以逆变器是光一柴互补供电系统中不可缺少的部件。正弦波逆变器的输出特性具有良好的负载能力,不仅可以为各种用电器供电,而且对其他电器设备没有大的干扰,适合野外活动板房和施工现场通讯设备的使用。本文的设计选用5kW,48V DC/220V AC的UPS逆变电源,将蓄电池组或柴油发电机输出的48 V直流电转换为220 V、50 Hz的标准正弦波交流电。第 5 章 野外活动板房太阳能利用的前景太阳能发电无需燃料,具有无污染、安全、无噪声、运行简单可靠、资源广泛、充足、以及长寿命等其他常规能源所不具备的优点。光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源,以及最重

54、要的可再生的绿色能源。光伏系统与建筑本是互不相关的领域,将这两个不相关的领域相结合,所涉及的方面很多,要发展太伏与建筑一体化,不但要靠国家政策的扶持,还需要拥有最佳的的设计理念。太阳能活动板房集成了太阳能-柴油机互补发电系统12,是海岛居民、部队哨所、偏远山区、沙漠地带等缺电或无电地区的生活居住以及工程建设的最佳供电解决方案。本文的太阳能野外活动板房可以广泛适用于工矿、建筑企业工人以及大型土木工程的工地临时居住方案,也可以适用于广大无电地区的民用住宅。通过建设太阳能活动板房,既解决了住宅的问题,也解决了住宅的照明基本用电的问题。屋顶部分集成了太阳能发电系统,活动板房能够为自身的生活必需用电设备

55、提供基本的电力供应,也能够为其他的多种用电器提供稳定的电源,不但可以为野外施工工作人员提供方便,还可以为发展较为落后的地区的人民生活提供生活用电保障,避免高昂的电网敷设成本。财政部和住建部日前联合下发通知公布了20XX太阳能光电建筑应用示项目,值得注意的是,由于市场环境的变化,我国光伏产品市场价格也发生了改变。通知指出,根据光伏产品市场价格变化最新情况,对20XX度中央财政对太阳能光电建筑应用示项目的补助标准进行了适当调整。具体为：对与建筑一般结合的利用形式,补助标准为5.5元/瓦,对与建筑物高度紧密结合的利用形式,补助标准为7元/瓦。20XX初,财政部暂定的补贴标准提升为,对建材型等与建筑物

56、高度紧密结合的光电一体化项目,补助标准暂定为9元/瓦,对与建筑一般结合的利用形式,补助标准暂定为7.5元/瓦。目前太阳能光伏发电与常规能源相比仍存在着初期投资成本较高的问题,但通常概念下的直观对比并不十分恰当,如果兼顾治理常规能源所造成的严重环境污染的费用,光伏发电所产生的社会效益和环境效益是不可言喻的,况且如今电池板的价格日趋降低,国家扶持力度非常之大,正是光伏应用的大好时期。本课题的活动板房的太阳能供电系统建设的成本在长期看来还是比较低的。我国要走节能减排,低碳环保的可持续发展之路。我们相信,在如今这个经济高速发展,能源需求剧增的时代,光伏发电必将在能源结构中占据更加重要的地位,而光伏建筑

57、一体化也必将成为光伏应用中重要领域之一,其必定会是未来的建筑发展趋势。我们铁道工程人员常年在外施工,本文的设计也相应地填充了这些需求的空白。本文的设计即经济又高效,还能顾及环境和施工人员的身体健康,这也很符合现今的野外施工需求。对于活动板房的太阳能综合设计,目前国缺少系统性的设计方案,本文便是在光伏发电的各领域发展现状的基础上,提出的一个基本的设计模型和理念。相信太阳能活动板房设计的利用前景必将是一片大好。参 考 文 献1 罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术M.:化学工业,2005.2 争鸣.太阳能光伏发电及其应用M.:科学,2005.3 王春明,周强,王金全,朱瑞德.风-光-柴互补供电系

58、统J.解放军理工大学学报,2005,10,6:474-478.4baike.baidu./view/78630.htm.5 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴-2011M,:中国统计,.stats.gov/tjsj/ndsj/2011/indexch.htm.6 健.中国太阳能资源现状EB/OL,国际能源网,newenergy.in-en./html/newenergy-.html.7 金焕,于化丛,亮.太阳能光伏发电应用技术M,:电子工业,2009.8 耀.独立光伏系统系电池的选择J,电源世界,2011,6:47-49.9 希禹.VRLA蓄电池的可靠性和主动维护J,The World of Power Supply,2010,9: 38-44,47.10 隆正,国权.光伏系统中TDK控制器的选择和使用J,新能源,1994,16:11-13.11 周强,王金全,王春明.DC/AC在风-光-柴互补供电系统中应用的探讨J,电气开关,2006,1:44-46.12 唐刚敏,唐海浪.太阳能光伏发电的现状与前景探讨,电力高等专科学校学报,2012, 1:190-191.13 Sun Yunlin,Du Xiaorong,Wan