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1、题目：苏州太阳能公交车站建设可行性研究报告学院：物理科学与技术学院能源学院完成人：邵雅婷 李振宝 潘富林指导教师：张晓俊完成日期：2013/5/25摘要世界范围内的能源危机和环境污染致使新能源的应用成为热点，而太阳能凭借其清洁、可再生、分布广等优势获得了普遍关注。目前，北京、三亚和杭州等城市已建成太阳能示范公交车站，投入使用后照明效果好、亮度高、节能多、污染小。据现有的数据研究，苏州用电形势极为严峻，因而为了缓解苏州地区电力紧张的问题，实现电力、生态、社会的可持续发展，开发利用太阳能公交车站具有重要的现实意义。本文针对苏州太阳能公交车站建设的可行性进行了深入调查研究和分析。首先，阐述了苏州建设
2、太阳能公交车站的必要性和苏州地区现有的太阳能资源。其次，基于实际调查的数据设计出了总体的方案。接着，就着现有的具体数据，深入探讨设备的主要技术参数和设备选型。最后展望苏州太阳能公交车站建设的前景。关键词：太阳能、公交车站、蓄电池、控制器、LED、太阳能电池正文一、项目必要性和苏州太阳能资源1项目必要性1.1 普通公交站台能耗严重常见的公交站台，包括雨篷、座椅、站牌及广告灯箱等设备。内照明广告灯箱尺寸一般为3.21.6米，配置56瓦日光灯15支，若以每晚照明8小时，工商电价1.1元度计算，一个广告灯箱一年耗电2452.8度，需花电费2698元。苏州中心城区共有411个公交站台，常规公交站保用年限
3、以10年计，共耗电1008万度，需花费1109万元。有些公交车站还有车牌指示灯和照明设备，能源消耗将更为可观。随着社会经济发展的逐步加快，公交车站逐渐由结构简单、功能单一向实用美观、功能多样化方向发展，耗能问题日益突出。1.2 其他问题为了保证车站的正常运作，普通公交车站必须配有专门的电气设施并铺设供电线路，这间接造成了投资的大量增加。一些偏远路段的公交车站也因此没有任何照明设备，这对市民的夜间出行造成了极大的不便并且存在着潜在的人身危险。个别城市还因广告牌接触不良漏电，造成了不必要的人员伤亡。2008年苏州市全社会用电量达到848.42亿千瓦时，在全国城市中仅次于上海，位居第二，网供最高负荷
4、在全国地级市中位列第一，用电形势极为紧张。沿路公交车站广告灯箱的照明用电经常被停掉，导致客户与广告公司纠纷不断，影响了苏州经济的正常发展。1.3 太阳能公交车站的优势及必要性1、太阳能是取之不尽，用之不竭的自然能源，使用过程中无污染、清洁、可靠。2、安装简便且运用灵活，可根据系统的不同要求采用不同数量的太阳电池组件以满足实际工作需要；3、太阳能公交车站作为独立单位，无须市电网进线，故而省略很多环节，安装后可即刻开通使用。4、安全性能稳定的太阳能供电系统设计电压为12V低压电源，避免了市电220V供电因接触不良时的漏电、触电事故。5、单、多晶硅太阳能电池组件能抗冰雹冲击，并在高低温剧变的环境下使
5、用，在使用期间内无须维护，系统性能稳定可靠。2. 苏州太阳能资源通过查找资料，按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区，如图1.2.1所示。从图中可看出苏州处于第四类地区：该区域全年日照时数为14002200h，年辐射量在41905020MJ/m2。图1.2.1 中国太阳能资源分布图苏州全年太阳总辐射4605.55兆焦/平方米，日平均太阳辐射为12.62兆焦/平方米，其中7月份日平均太阳辐射最多，达到17.17兆焦/平方米；1月份最少，为7.05兆焦/平方米。全年日照时数1829小时，年日照率为42%。图2-2为苏州1-12月日平均太阳辐射数据图。图1.2.2 苏州1-12月日平均太
6、阳辐射分布图二 总体设计方案本项目提出了一种太阳能公交车站方案，旨在利用太阳能配合环保高效的固态电光源（LED），形成具有节能、环保、绿色的新型公交站台，整个系统如图3-1所示。太阳能公交站台由雨篷、座椅、太阳能电池组件、控制器、蓄电池及LED广告灯箱、LED指示站牌及信息提示牌等部件组成。LED指示站牌信息提示牌图2.1 太阳能公交车站示意图太阳能电池密封组件以一定的倾角固定在雨篷上，与太阳能电池组件相连接的控制器，及与控制器相连接的蓄电池共同安装在一个箱体内，此箱体由金属材料构成且固定在所述的座椅下面。箱体外壳设置有通风散热设施，这种通风散热设施可以是多孔结构，也可以是百叶窗式，一方面避免
7、箱体内温度过高，另一方面起到挡风避雨的作用，使蓄电池和控制器免遭损伤。LED广告箱、LED指示站牌及信息指示牌分别与所述的控制器相连接。天气晴好时，太阳能电池组件将太阳能转换为电能，一方面通过控制器将直接送入LED广告箱、LED指示站牌及信息指示牌，从而发挥照明、指示公交线路及提示信息等多种功能，如有需要还可通过AC/DC逆变器为交流负载提供电能。另一方面也可通过控制器将多余的电能送入蓄电池内贮存起来，提供夜间所需的电能。图3-2为系统原理图。图2.2 系统原理图此外，为了保证整个系统安全稳定的运行，在控制器中设置了蓄电池运行保护线路、超负载保护线路及开关控制线路。从而使整个公交站台系统具有夜
8、间防反充电、蓄电池过充电和过放电保护、太阳能电池接反保护和蓄电池接反保护、负载过电压保护、输出过载保护、输出短路保护等功能，保证太阳能电池组件始终处于发电的最大功率点，保证负载始终处于最佳工作状态。三 系统设备配置3.1 太阳能电池组件 太阳能电池是一种利用光生伏特效应的能量转换器件，通过采用光-电直接转换方式将太阳辐射能直接转换成电能，为整个系统提供能量输入。将许多个电池组件串联或并联起来可构成有较大输出功率的太阳能电池方阵。目前，商用太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅及非晶硅三种。考虑到苏州地区的气候特点和系统成本问题，选用的太阳能电池组件，如图3.1所示。电池组件采用固定倾斜角的安装方式，其
9、技术指标如下：表3.1 CS6P-240型太阳能电池技术参数性能参数性能指标最大输出功率240W组件尺寸1638 x 982 x 40 mm重量18.5 kg开路电压37 V短路电流8.61A运行温度-4085功率最大偏差5W3.2 蓄电池由于太阳能电池板的输出不稳定，且夜间无能量来源，因此系统需要配置蓄电池才能工作。蓄电池是系统中的储能器件，白天将太阳能电池板输出的电能转化为化学能储存起来，晚上再转化为电能输出到负载给其供电。目前运用于太阳能能光伏系统中的蓄电池为牵引式蓄电池，正常使用中放电率可超过80%，主要有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池和Ni-H蓄电池三种类型。涉及2V、4V、6V、12
10、V和24V等型号电池，品种有0.5AH2000AH近百个规格。图3.2 蓄电池蓄电池容量的选择要遵循以下原则：1、在满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池板输出的电能尽量存储下来；2、要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小则不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、负载相匹配。可采用一种简单方法大致确定它们之间的关系。太阳能电池板额定输出功率和负载输入功率之间的关系在华东地区大致是24:1,系统才能正常工作，具体比例要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。太阳能电池的电压要超过蓄电池的
11、工作电压的2030%，才能保证给蓄电池正常充电。蓄电池容量必须比负载日耗电量高6倍以上为宜。3.3 专用控制器本系统的控制器电路主要完成以下功能：1、为延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电、放电条件加以限制，防止蓄电池过度充电及深度放电。2、兼有负载控制功能，可以采用光控或时控，实现自动切换路灯工作状态。3、在温差较大的地方，还应具备温度补偿功能。因此，控制器具有以下几个特点：防反充电控制；防过充电控制；防过放电控制；光控自动切换负载工作。该产品技术已极为成熟，设备型号有数十种之多。图3.3 控制器示意图四、具体的技术参数1、电池组件安装倾斜角苏州纬度31。为了使电池方阵得到的太阳辐射最大，其
12、最佳安装倾角+536。2、苏州地区的太阳能资源苏州全年辐射总量为4529.59兆焦/平方米，即1258度/小时。太阳电池方阵可接受的全年辐射量1258kWh/m2cos371005 kWh/m2。全年平均日照时间TP=1829h/365=5.01h。3、负载性能参数本系统中主要负载由LED灯箱和LED信息提示牌（包括指示站牌）组成。LED广告灯箱面积为5.12m2，具体技术参数如下：4-1LED广告灯箱性能参数系统电压DC 12V灯箱功率15W/m2系统寿命（除蓄电池）15年以上使用环境温度-30-+70保护功能过充、过放、防反、防雷击表面亮度30cd/m2表4-2列出了LED信息提示牌（智能
13、电子显示牌）性能参数：表4-2LED信息提示牌性能表LED颜色红绿双色输入设备 键盘LED数量 864（pcs）外壳材质 铝合金外壳颜色 黑色防护等级 一级4、系统能耗负载输入电压（即蓄电池工作电压） UL=24VLED灯箱功耗PL=15 W/m25.12 m276.8WLED信息提示牌功耗PE=8640.06=30.72W其他类电路耗能15W工作时间LED灯箱每天工作时间为晚上19：00凌晨4：00共9个小时；LED信息提示牌每天工作时间为凌晨4：00晚上12：00共20个小时。系统日耗电量WD=0.0768kW9h+0.03072kW20h+0.015kW24h=1.67kWh折合成安时
14、AHLWD/ UL=1670/24=69.58AH5、蓄电池参数系统设计负载在阴雨天可持续工作天数DW为5天；蓄电池放电深度DOD=70%。在蓄电池充满情况下，可以连续工作5个阴雨天，蓄电池容量=AHLDW/ DOD =69.585/0.6=579.8AH，于是选用4台24V150AH的蓄电池就可以满足要求。若根据负载需要设计匹配不同型号的蓄电池，可有效减少蓄电池的数量。此外，为了将蓄电池工作电压由24V降低到12V供负载使用，还需使用直流降压器，如图4-3所示。图4-3直流降压器6、太阳能电池组件蓄电池总充电电流式中为太阳能组件系统综合损失系数，取=1.05；为蓄电池充电效率，取 =0.9。
15、CS6P-240型太阳能电池组件数量N为了保证系统在太阳辐射最少的月份能稳定运行，必须对系统设计进行校对。苏州地区而言1月份日平均太阳辐射最低，为7.05兆焦/平方米即1.96 kWh/m2。系统日耗电量为3.39kWh，单晶硅电池效率为18%，则CS6P-240型太阳能电池组件数量N因此，系统需要将3块CS6P-240型太阳能电池组件并联安装，整个电池方阵占用长为4.91m，宽为0.982m，总面积为4.83m2的区域。电池方阵最佳总工作电流约为7.91A3=23.73A，最佳工作电压为30.4V，要高于蓄电池端电压2030，蓄电池容量比负载日耗电量高8.6倍，符合设计要求。7、控制器 根据负载电流、工作电压及系统性能要求，选用CMP45-30A型控制器，其具体性能参数如表4-4所示。表4-4 CMP45-30A型控制器性能参数规格额定电压（DC）最大负载/充电电流充满断开开机恢复电
