太阳能供电系统技术方案

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1、一 前言1.1 前景随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，石油的枯竭几乎像一个咒语，给人类带来了不安。何为石油等不可再生能源的替代者？各国都开始力推可再生能源，其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的“新宠”，发展太阳能已是大势所趋，太阳能时代已为时不远了。太阳能利用指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能称太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域。近几年，国际光伏发电迅猛发展。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8

2、亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了23.4；1997年美国和欧洲相继宣布百万屋顶光伏计划，美国计划到2010年安装10003000MW太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴屋顶光伏计划的经费高达9200万美元，安装目标是7600Mw。印度计划19982002年太阳电池总产量为150MW，其中2002年为50MW。在这场阳光革命中领先的国家是德国。面对强势竞争，德国太阳能业依然傲视群雄，硕果累累。2005年，业内企业营业额达37亿欧元，从业公司约5000家，从业人数包括研发和服务达42000人。德国联邦太阳能经济协会有关人士说：“全球范围内太

3、阳能发电装机容量将从2005年的1210兆瓦上升至2010年的3000兆瓦，年增长率为22%。”德国对太阳能的认知最早，位居前列；全球四分之一的太阳能电池产自德国，五年来德国所占全球市场份额始终保持在10%。为了加快太阳能产业的发展，德国政府通过多种推广活动来普及太阳能的利用。去年6月份，享誉世界的德国Intersolar大会在德国弗赖堡举办。德国太阳能展览会Intersolar始于2000年，每年一届，是欧洲最大的、侧重于光电、太阳热能技术及太阳能建筑方面的专业展览会，由EATIF欧洲光伏工业联盟、BSW德国太阳能工业协会、ISES国际太阳能联盟共同主办。由于太阳能产业增长势头强劲，这次弗莱

4、堡国际展览中心的场馆（共10个馆）被完全启用，总展示面积达31000平方米。据统计共有90多个国家的647家参展商和26000多名参观者到场，中国国内有50家太阳能行业企业参展。国内著名的业内企业参展，再次证明了该展会在太阳能领域不可替代的重要性，绝大多数展商表示效果满意，2008年将继续参展。因展会规模爆增，2008年该展将告别弗莱堡，转移到德国慕尼黑新贸易展览中心。据主办方介绍，该展会2008年的总展示面积将达到62000平方米，预计将会有来自世界的800多家厂商，35000名专业贸易观众到场。这对于中国太阳能厂商来说将一个难得的拓展海外市场的契机。近几年来，太阳能产业在我国得到了迅猛的发

5、展，中国已成为仅次于日本和德国之后居世界第三的光伏产品生产大国，这是我国为改善全球日益恶化的环境做出的巨大贡献，而中国随着相关法律和政策的出台，能源长期性短缺的中国将有望成为世界上最大的光伏发电市场。化石能源终将耗尽，绝对储量不可能满足人类长期发展的需要，寻找替代能源势在必然。太阳能是人类必然的能源选择。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展和提高人民都有极为重要的意义。太阳能光伏发电由于资源无限、无污染和能把太阳能直接转变为电能，系统无运动部件、运行可靠、维护少、寿命长，且电能有益于输送、储存的优点。所以光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。太阳能光伏发电应用技术已

6、经日趋成熟，世界上发达国家已经在广泛利用太阳能发电。我国拥有丰富的太阳能资源，全国太阳辐射平均值为5800MJ/m2，太阳能光伏发电业已经在我国得到了广泛的利用：城市的太阳能光伏并网电站、电网无法延伸的边远农村独立光伏电站、通讯网络的太阳能光伏电源、交通领域的道路照明和道路设施供电，甚至在国防军事都有广泛的利用，并且这种趋势正在得到进一步的扩大。1.2 工程概况西安高速公路机电工程监控系统用太阳能供电系统是一种典型的光伏独立发电系统应用，主要由太阳电池方阵、蓄电池组、安装支架、机箱、蓄电池保温箱以及辅助设备组成，为了提高系统的可靠性，还增添了应急充电口等做为配套使用。华通远航（北京）科技发展有

7、限公司设计、制造的太阳能供电系统，其主要组成部分全部采用现行先进的设计经验，满足设备性能、安全性以及维护方面的要求。太阳能供电系统所采用的产品为我公司定型的成熟产品，并且所使用的配件为批量生产且为当前市场上的标准产品。我公司的设计人员对太阳能供电系统进行设计时，针对西安高速公路全线的实际情况（地理、气象及负荷等条件），在首先保证系统安全、可靠、满足负荷能够正常使用的前提下，使系统各部分的容量设计达到合理配置。华通远航（北京）科技发展有限公司结合多年太阳能供电系统的设计制造经验，特为西安高速公路机电工程监控系统提出太阳能供电系统技术方案。技术方案主要包括以下内容：-太阳能电源系统原理和构造-太阳

8、能电源系统设计计算-太阳能电池板介绍-充放电控制器介绍-密封阀控式铅酸免维护胶体蓄电池、蓄电池保温箱介绍-太阳能及蓄电池监控软件介绍二 陕西省高速公路网监控设备光伏供电系统总体设计概述2.1设计原则 本设计遵循西安高速公路机电工程的总体建设目标，坚持使整个系统具有安全可靠性、先进性、可扩充性、灵活性和示范性等特性为设计原则。以下对设计原则进行阐述：（1） 安全可靠性 为保障系统可靠运行，系统设有完整的在线检测系统；系统采用了多项自我保护盒，负载保护的安全措施，选用性能优良、可靠性高的成熟技术产品；最大保证系统的安全可靠性。（2） 先进实用性 选用的设备（包括组件、蓄电池、太阳能充放电控制器、在

9、线检测设备等）均为国内或国际上先进实用的技术和产品。建成后的系统具有最为先进的蓄电池充放电管理技术、系统管理技术、系统在线检测技术，让系统的使用和维护变得更加简单。（3） 扩充性和灵活性 系统的设计全部采用了模块化设计，系统的扩容将变得简单而灵活，增加数量的太阳能光伏电源很容易融入整个的在线网络，而不需对其他设备做任何的改动，也不会影响其他设备的正常使用。这也相对减少了扩容资金投入。（4） 示范性 从项目的设计、施工、培训和售后服务都要进行周密的计划，并规范化实施，取得过程管理与实施结果的全面成功，为以后同类工程的实施起示范作用。2.2设计依据陕西省高速公路网监控设备光伏供电系统设计计算主要依

10、据是设备的招标文件和相关国际、国家标准和气象地理等数据。主要有：GBT2297太阳光伏能源系统术语GB/T6495.1-10(IEC60904.1-10)光伏器件 第1部分-第10部分GB/T9535(IEC61215)地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型GB/T11012太阳电池电性能测试设备检验方法GB/T12632单晶硅太阳电池总规范GB/T18210(IEC61829)晶体硅光伏(PV)方阵I-V特性的现场测量GB/T18479(IEC61277)地面用光伏(PV)发电系统 概述和导则SJ/T11127(IEC61173)光伏发电系统过电压保护导则YD/T1073通信用太阳能供电组合电源

11、DL/T724-2000电力系统用直流电源装置运行与维护技术规程DL/T637阀控式密封铅酸蓄电池订货技术条件IEC61194独立光伏系统特征参数IEC61724光伏系统性能监测、测量、数据交换以及分析导则IEC61204直流输出低压供电装置：特性和安全要求IEC60068-2基本环境试验 第2部分：试验IEC61427太阳光伏系统用蓄电池和电池组IEC60364建筑物的电气设施IEEE928地面光伏系统标准IEEE937光伏系统铅酸蓄电池的安装与维护IEEE1374地面光伏发电系统安全导则中国国家气象局提供的西安高速公路沿线的气象数据2.3系统考虑因素一个完善的太阳能供电系统需要考虑很多因素

12、，进行各种设计，如电气性能设计、热力设计、静电屏蔽设计、机械结构设计等等，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，决定太阳电池方阵和蓄电池规模，以满足正常工作的需求。光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少最合适的太阳电池组件和蓄电池容量，以尽量减少不必要的投资，即同时考虑可靠性及经济性。系统设计总体考虑主要是通过技术经济分析合理的确定满足要求的太阳电池组成件数量和蓄电池容量。包括安全性、可靠性方面的要求。系统设计主要考虑两种因素： 根据负载需求（包含负载的类型特性）、周围环境参数、和太阳能供电系统部件的电气特性和电气参数，选择适合的部件满足系统需求。

13、用计算机仿真方法在前述条件下计算出结果。并用计算结果进行校核。输入数据主要包括（不限于）：-安装地点的日照辐射-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-控制器调节特性与参数-太阳电池组件和蓄电池的特征参数-系统供电可靠性和供电电源可用率用计算机仿真方法计算出结果参数，主要有：-太阳电池方阵的倾斜角和方位角-太阳电池组件的数量和组件与组件之间的关系-蓄电池的容量和数量和电池之间的串并联关系 太阳电池方阵容量和蓄电池容量是相互配套和匹配的，一般来说可能计算出几个结果方案（特别是大型系统），相对来说，蓄电池容量大时，太阳电池容量小。最后通过成本经济分析，选取

14、出符合安装地点和实际情况的结果，用两年以上的时间进行运行校核。并不断调整参数，直至符合要求为止。2.4系统设计步骤2.4.1 影响系统设计的因素 A. 光照条件：太阳照在地面上的辐射光的光谱、光强受到大气质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响，其能量在一日、一月和一年间都有很大的变化。B. 太阳电池方阵的光电转换效率：由于转换效率受到电池本身的温度和太阳光强、蓄电池电压浮动等因素的影响，因而方阵法人输出功率也随着这些因素的改变而出现一些波动。C. 太阳电池方阵的组合损耗和环境：太阳电池方阵受安装盒组件一致性，环境温度、污蚀等的影响，加之太阳电池运行年数后转换效率会略有下降。D.

15、 蓄电池充放电效率：蓄电池充放电效率会影响蓄电池的有效使用性能和能量的有效传递。E. 负载用电情况：由于用途不同，耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等各不相同。这些因素相当复杂，原则上需要多每个系统进行计算，对一些无法确定数量的影响因素，只能采用一些系数或数学方法来进行估量。由于考虑的因素及其复杂程度不同，采取的方法也不一样。2.4.2 基本参数A所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无特殊要求等。B当地的地理位置：包括地名、纬度、经度、海拔、温度等。C当地的气象资料：主要有逐月平均太阳总辐射量，直接辐射及散射量，年平均气温及极端气温，最长连续阴雨天数、最大风速及冰雹等特殊气候情况。这些气象数据需取积累几年或几十年的平均值。2.4.3 负载日耗电量和每小时负载变化情况负载日耗电量：负载算出所有负载工作电流与平均每天工作小时数相乘积之和。负载每小时变化情况即根据每天负载的运行情况计算出每隔一个小时的耗电情况。2.4.4 计算日辐射量和决定方阵倾斜角从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量，直接辐射量及散射辐射量。因此需换算成倾斜面上的太阳辐射量。依据不同的倾斜角，分别计算倾斜面上的太阳辐射量。包括直接辐射量、散射辐射量和反射辐射量。