太阳能供电系统设计

PAGEPAGE1太阳能供电系统一、太阳能应用概述1、太阳能简介太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000KW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。7O年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，198O年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在7O年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。2、太阳能的特点太阳能之所以能成为一种有希望的能源，是因为其具有以下特点：2.1供给量丰富地球每小时从太阳获得的能量为1.48×1017卡，其中30%被直接反射回去，70%则被地面吸收。据统计，世界全年的耗能总量，只相当于30分钟降落于地球的全部的太阳能。2.2清洁、干净化石燃料和原子能等被利用后，都形成热，会破坏地球的平衡并造成污染。而利用太阳能直接发电，不影响地球的热平衡，在确保能量供给的同时解决环境污染的问题。2.3太阳能的分散性太阳光尽管辐射全球，但单位面积上的入射功率却很小（照射于地面的太阳能的最大密度为1KW/m2）。要得到较大的功率，需要庞大受光面积的发电装置。对于小功率发电问题不大，但对于大功率发电，要涉及的设备的材料、结构、占用土地等的费用问题，目前投资比其他能源高得多。2.4间歇性和周期性太阳的高度角一日内及一年内在不断变化，且于地面纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化也相当大。因此，太阳能利用的随　　机性很大。利用太阳能发电必须有相当容量的贮能设备，如蓄电池等，这不仅增加了设备及维护费用，也限制了功率的规模。3、太阳能电池的特点3.1具有与单晶硅相同甚至更高的转换效率，保证20年无衰减。3.2采用氮化硅作减反射膜，增强太阳电池对阳光的吸收率，同时对太阳电池有很好的表面和体内钝化作用，提高了少数载流子的寿命。减反膜的颜色可满足顾客的要求，适用于不同的场合。3.3采用了体内吸杂技术和背面场技术，提高了电池的转换效率。3.4电池内应力小，易于切割和光焊。3.5安装简便，不需要高度技术和大量工程材料；安装后，不需要日常维护；以太阳光线为能量来源，运行费用为0。4、我国的太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2·a，中值为586kJ／cm2·a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ／cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。我国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。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3200～3300小时，辐射量在670～837kJ／cm2·a。相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。特别是西藏，地势高，太阳光的透明度也好，太阳辐射总量最高值达921kJ／cm2·a，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉萨是世界著名的阳光城。二类地区全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670kJ／cm2·a，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。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2200～3000小时，辐射量在502～586kJ／cm2·a，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。　　四类地区　　全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502kJ／cm2·a。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，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1000～1400小时，辐射量在335～419kJ／cm2·a。相当于115～40kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。　　一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总量高于586kJ／cm2·a，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、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。二、太阳能供电系统的设计1、供电系统的组成太阳能电池、充电控制器、蓄电池、电源线、避雷器、方阵支架、电池箱。1.1太阳能电池板特征参数峰值功率(Wp)：80W开路电压：21.6V短路电流：5A最大功率电流：4.65A最大功率电压：17.2V外形尺寸：1196×534×35抗风压强：2400Pa工作原理：太阳能光电池简称为太阳能电池或太阳电池，又称为太阳能芯片；在中国大陆称为硅芯片；在物理学上称为光伏打效应(Photovoltaic)，简称PV(photo=light光线，voltaics=electricity电力)。太阳能电池系一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，其将高纯度的半导体材料加入一些不纯物使其呈现不同的性质，如加入硼可形成P型半导体，加入磷可形成N型半导体，PN两型半导体相结合后，当太阳光入射时，产生电子与电洞，有电流通过时，则产生电力，发电原理可参考下图。由于单一太阳能电池所输出的电力有限，为提高其发电量，将许多太阳能电池经串并联组合封装程序后，做成模板，成为太阳能电池模板(SolarModule)。太阳能电池的发电能源来自于光的波长。太阳光是一种全域波长。此外白炽灯的波长与日光灯的波长不同。而太阳能电池以阳光或白炽灯之波长为较适用。而且太阳能电池有三种，其中太阳能电子计算器上的太阳能电池是属于「室内型的非晶」，如果长期拿到户外曝晒，且串并联为较大电压及电流时，将导致其内部连结组织烧断而损坏。太阳能电池能量的转换效率较低，单晶硅可以达到17－20％，多晶硅达到14％。1.2充电控制器：SV26-02A特征参数蓄电池过充电压：28.7±0.1V~29.1±0.1V过充恢复电压：26.0±0.1V蓄电池过放电压：21.6V±0.1V过放恢复电压：25.5V±0.1V电压显示精度：±0.1V电流显示精度：±0.2A过压保护：≥32V±0.1V工作原理当太阳光照射在太阳电池板上，产生充电电流，给蓄电池充电，使蓄电池电压不断升高。当蓄电池电压升高到过充电压(28.7V)时，第一组方阵被断开，停止充电，另一组方阵仍处于充电状态。当蓄电池电压继续升高到29.1V时，第二组方阵被断开，停止充电。此时蓄电池不断给负载供电，使蓄电池电压有所下降，当蓄电池电压下降到过充恢复电压26.0V时，太阳能电池自动恢复充电。总之在有阳光的情况下，蓄电池电压能使终维持在26V~29.1V之间，多余的能量直接流向负载，使蓄电池工作在浮充状态。在遇连阴雨天的情况下，蓄电池将得不到充电，而使蓄电池过放。本设备具有过放切离的功能。当蓄电池电压下降到过放电压21.6V时，控制板上过放指示灯(红色)亮，同时控制器中的输出继电器动作，切断负载以保护蓄电池。系统接线图继电器J4整流桥控制板蓄电池负载继电器J4继电器J4整流桥-+BAT+PV1+PV2+OUT+BAT-PV1-PV2-OUT-PV1PV2+-+-+-整流桥1.3蓄电池特征参数：额定电压：2V额定容量：500Ah（10HR）工作原理在化学电源的装置中，可以实现氧化还原反应中还原剂失去电子的氧化过程和氧化剂得到电子的还原过程，而且，氧化反应和还原反应是在不同的电极上分别进行的，由此便产生了电流。为了区别于化学反应中的氧化还原反应，电池中的氧化还原反应习惯称为电流的成流反应。为了实现上述的化学能转变为电能这一过程，必须满足以下条件：1）化学反应中失去电子的氧化过程（放电时在负极进行）和得到电子的还原过程（放电时在正极进行），必须分别在两个区域进行，这不同于一般化学反应的氧化还原反应；2）两电极之间必须有电解质溶液或胶体；3）电极反应过程中电子的传递必须经过外线路，这点区别于金属腐蚀的氧化还原过程。2、设计计算2.1常用术语直接辐射：太阳以平行光线的方式直接投射到地面。占辐射量的60％左右，影响辐射强弱的因素很多，其中最主要的是太阳的高度角，其次是大气的透明度。散射辐射：地面上收到来自天穹2π的体角向下的大气等的散射。占辐射量的40％左右，影响散射强弱的因素较多，主要是太阳的高度角，其次是太阳经过大气的路程长。在阴雨天，存在较弱的散射辐射。标准光强：表征光辐射强弱的单位。1000w/m2为1标准光强。平均日辐射时数：表征日辐射多少的量。它是平均日辐射量与标准光强之比。作为太阳能光伏系统计算的依据，是下面重点讨论的。日照时数（实照时数）：太阳受云层和天气地物的影响，实际照射地面的时数。可照时数：一天内太阳从东地平线到西地平线所经历的时数。日照百分率：实际时数与可照时数之比。它是衡量一个地区的光照条件。月日照百分率作为供电系统可行性设计的主要参考。2.2计算公式负载日能耗Q=P：负载总功率；η：负载利用率（全频率取1.0，载波机取0.85）；t：工作时间，全天工作，取24小时；U：工作电压；辐射时数H==：单位面积上年平均辐射量，单位：KJ/m2K：转换系数1KJ=2.778×10-1Wh；1千卡=1.162Wh标准光强：单位面积上光功率。1000W/m2为一个标准光强。H==×2.778×10-4（H）太阳能板数量N=K：太阳能电池板的串连数量；Q：负载日耗电量；：蓄电池的效率，0.85：电池板的安装修正系数，（0.9~0.95）；：电池板工作电流；(80W/17V)H：所选地区的辐射时数。理论上要求蓄电池的容量B=B：蓄电池容量；η：蓄电池容量的利用率，（0.6~0.7）；ΣΔQi：连续辐射赢余月份赢余之和。由于ΣΔQi在不同地区很难得到相应数据，故实际计算中简化如下：实际应用蓄电池的组数（仅考虑连续阴雨天）=：蓄电池组数；D：连续阴雨天；：单块蓄电池的容量；η：蓄电池容量的利用率，（0.6~0.7）；例如：某地要建一个通信信号转发站，该地处偏僻，没有市电供给，需要太阳能供电。通信设备电源功率为80W工作电压是24V，需要全天候工作。知该地区倾斜面上年平均辐射量12702KJ/m²，最长阴雨天为4天，请对该设备的供电系统进行设计。1）计算日能耗Q=PT/U=80×24÷24=80(AH)2）日辐射时数H=Qs×2.778×10-4=12702×2.778×10-4=3.53(H)3）假如采用80W，峰值电压是17V，最大功率电流是4.65A，则太阳能电池板的数量为：N=KQ÷(HIKcηc)=2×80÷(3.53×4.65×0.95×0.85)=12.07取整：太阳能电池板的数量是12块。4）现有2V500AH和2V650AH的蓄电池供选用.则电池的数量是：θ=DQ/Qcη=4×80÷(0.65×500)=0.98取整：1组蓄电池蓄电池用2V500AH12节。5）充电控制器选用24V，20A.。则充电控制器的数量是C=20÷4.65=44组(8块)电池板用一个控制器。12块电池板用2个控制器。2.3标准配置见标准配置附表.3、供电系统的维护与保养3.1维护与保养的目的保证设备稳定，可靠运行，排除潜在的故障，延长设备受命，降低综合成本。3.2太阳电池组件方阵的维护每年应有一次的维护工作，维护时间最好选择11月。包括：检查紧固件的牢靠程度，是否有松动和锈蚀。检查连接电缆的节点的接触状况，清洗电池板表面灰尘，鸟粪等杂物，检查电池板是否有破裂，清除周围遮挡物。冬季下雪后，有条件的站点对积雪及时处理。3.3蓄电池的维护由于每批电池生产日期不同，所以请在出货时一定要遵守先进先出的原则，并且不能将不同批次的电池混合成一组使用。仓库堆放不要超过二层，避免压损电池。存放和运输过程中请按电池纸箱上的向上标记正确摆放,避免电池由于倒放,卧放而压损电池。运输过程中只能堆放一层，搬运过程中对电池一定要小心轻放。现场维护应检查检查蓄电池存放环境。通风。潮湿。温度等等。严禁在密封的容器放置。检查电池单体间连接螺丝是否松动。电池表面是否漏液。电极是否腐蚀。检查单体电压，压差超出0.2V须对电池进行恒压处理。有条件的站点在冬半时中后期应对电池进行一次深充，长期欠能会使蓄电池的容量下降。