太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

1、太陽能供電系統(tǒng)一、太陽能應(yīng)用概述1、太陽能簡介太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。太陽能是一個巨大、久遠、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75X1026W）的22億分之一，但已高達173,000KW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。7O年代以來，鑒于常規(guī)能源供給

2、的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能和可再生能源的熱潮。1973年，美國制定了政府級的陽光發(fā)電計劃，1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計投入達8億多美元。1992年，美國政府頒布了新的光伏發(fā)電計劃，制定了宏偉的發(fā)展目標(biāo)。日本在7O年代制定了“陽光計劃”，1993年將“月光計劃”（節(jié)能計劃）、“環(huán)境計劃”、“陽光計劃”合并成“新陽光計劃”。德國等歐共體國家及一些發(fā)展中國家也紛紛制定了相應(yīng)的發(fā)展計劃。90年代以來聯(lián)合國召開了一系列有各國領(lǐng)導(dǎo)人參加的高峰會議，討論和制定世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、國際太陽能公約，設(shè)立國際太陽能基金等，推動全球太陽能和可再生能源的開發(fā)利用。

3、開發(fā)利用太陽能和可再生能源成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制訂可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。2、太陽能的特點太陽能之所以能成為一種有希望的能源，是因為其具有以下特點：供給量豐富地球每小時從太陽獲得的能量為1.48X1017卡，其中30%被直接反射回去，70%則被地面吸收。據(jù)統(tǒng)計，世界全年的耗能總量，只相當(dāng)于30分鐘降落于地球的全部的太陽能。清潔、干凈化石燃料和原子能等被利用后，都形成熱，會破壞地球的平衡并造成污染。而利用太陽能直接發(fā)電，不影響地球的熱平衡，在確保能量供給的同時解決環(huán)境污染的問題。太陽能的分散性太陽光盡管輻射全球，但單位面積上的入射功率卻很小（照射于地面的太陽能的最大密度為

4、lKW/m2）。要得到較大的功率，需要龐大受光面積的發(fā)電裝置。對于小功率發(fā)電問題不大，但對于大功率發(fā)電，要涉及的設(shè)備的材料、結(jié)構(gòu)、占用土地等的費用問題，目前投資比其他能源高得多。間歇性和周期性太陽的高度角一日內(nèi)及一年內(nèi)在不斷變化，且于地面緯度有關(guān)，即使沒有氣象的變化，太陽輻射的變化也相當(dāng)大。因此，太陽能利用的隨機性很大。利用太陽能發(fā)電必須有相當(dāng)容量的貯能設(shè)備，如蓄電池等，這不僅增加了設(shè)備及維護費用，也限制了功率的規(guī)模。3、太陽能電池的特點具有與單晶硅相同甚至更高的轉(zhuǎn)換效率，保證20年無衰減。采用氮化硅作減反射膜，增強太陽電池對陽光的吸收率，同時對太陽電池有很好的表面和體內(nèi)鈍化作用，提高了少數(shù)載

5、流子的壽命。減反膜的顏色可滿足顧客的要求，適用于不同的場合。采用了體內(nèi)吸雜技術(shù)和背面場技術(shù)，提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。電池內(nèi)應(yīng)力小，易于切割和光焊。安裝簡便，不需要高度技術(shù)和大量工程材料；安裝后，不需要日常維護；以太陽光線為能量來源，運行費用為0。4、我國的太陽能資源我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽年輻射總量達335837kJ/cm2a,中值為586kJ/cm2a。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。尤其

6、是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時間為3005.7h,相對日照為68%，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽總輻射為816kJ/cm2a，比全國其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時數(shù)僅為1152.2h,相對日照為26%，年平均晴天為24.7天，陰天達244.6天，年平均云量高達8.4。其它地區(qū)的太陽

7、年輻射總量居中。我國太陽能資源分布的主要特點有：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯2235這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個自治區(qū)外，基本上是南部低于北部；由于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯3040地區(qū)，太陽能的分布情況與一般的太陽能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增長。按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區(qū)：一類地區(qū)全年日照時數(shù)為32003300小時，輻射量在670837kJ/cm2唱。相當(dāng)于225285kg規(guī)范煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北

8、部和新疆南部等地。這是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當(dāng)。特別是西藏，地勢高，太陽光的透明度也好，太陽輻射總量最高值達921kJ/cm2a，僅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉薩是世界著名的陽光城。二類地區(qū)全年日照時數(shù)為30003200小時，輻射量在586670kJ/cm2，相當(dāng)于200225kg規(guī)范煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。此區(qū)為我國太陽能資源較豐富區(qū)。三類地區(qū)全年日照時數(shù)為22003000小時，輻射量在502586kJ/cm2,相當(dāng)于170200kg規(guī)范煤燃燒所發(fā)出

9、的熱量。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部和安徽北部等地。四類地區(qū)全年日照時數(shù)為14002200小時，輻射量在419502kJ/cm2a。相當(dāng)于140170kg規(guī)范煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要是長江中下游、福建、浙江和廣東的一部分地區(qū)，春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還可以。五類地區(qū)全年日照時數(shù)約10001400小時，輻射量在335419kJ/cm2。相當(dāng)于11540kg規(guī)范煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括四川、貴州兩省。此區(qū)是我國太陽能資源最少的地區(qū)。一、二、三類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2000h，輻射總量高于586kJ/

10、cm2a,是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。四、五類地區(qū)雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價值。二、太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計1、供電系統(tǒng)的組成太陽能電池、充電控制器、蓄電池、電源線、避雷器、方陣支架、電池箱。1.1太陽能電池板特征參數(shù)峰值功率(Wp)：80W開路電壓：21.6V短路電流：5A最大功率電流：4.65A最大功率電壓：17.2V外形尺寸：1196x534x35抗風(fēng)壓強：2400Pa工作原理：太陽能光電池簡稱為太陽能電池或太陽電池，又稱為太陽能芯片；在中國大陸稱為硅芯片；在物理學(xué)上稱為光伏打效應(yīng)(Photovolta,

11、c簡稱PV(photo二light光線，voltaics=electr電力X0。太陽能電池系一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，其將高純度的半導(dǎo)體材料加入一些不純物使其呈現(xiàn)不同的性質(zhì)，如加入硼可形成P型半導(dǎo)體，加入磷可形成N型半導(dǎo)體，PN兩型半導(dǎo)體相結(jié)合后，當(dāng)太陽光入射時,產(chǎn)生電子與電洞，有電流通過時，則產(chǎn)生電力，發(fā)電原理可參考下圖。序軌危憶窶壬注？i玉円爭拘疋施孔魅Ffi.正遍換巴出正気由于單一太陽能電池所輸出的電力有限，為提高其發(fā)電量，將許多太陽能電池經(jīng)串并聯(lián)組合封裝程序后，做成模板，成為太陽能電池模板(SolarModule）。太陽能電池的發(fā)電能源來自于光的波長。太陽光是一種全域波長

12、。此外白熾燈的波長與日光燈的波長不同。而太陽能電池以陽光或白熾燈之波長為較適用。而且太陽能電池有三種，其中太陽能電子計算器上的太陽能電池是屬于室內(nèi)型的非晶，如果長期拿到戶外曝曬，且串并聯(lián)為較大電壓及電流時，將導(dǎo)致其內(nèi)部連結(jié)組織燒斷而損壞。太陽能電池能量的轉(zhuǎn)換效率較低，單晶硅可以達到1720，多晶硅達到14。1.2充電控制器：SV26-02A特征參數(shù)蓄電池過充電壓：28.70.1V29.10.1V過充恢復(fù)電壓：26.00.1V蓄電池過放電壓：21.6V0.1V過放恢復(fù)電壓：25.5V0.1V電壓顯示精度：0.1V電流顯示精度：0.2A過壓保護：32V0.1V工作原理當(dāng)太陽光照射在太陽電池板上，產(chǎn)

13、生充電電流，給蓄電池充電，使蓄電池電壓不斷升高。當(dāng)蓄電池電壓升高到過充電壓(28.7V)時，第一組方陣被斷開，停止充電，另一組方陣仍處于充電狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓繼續(xù)升高到29.1V時，第二組方陣被斷開，停止充電。此時蓄電池不斷給負載供電，使蓄電池電壓有所下降，當(dāng)蓄電池電壓下降到過充恢復(fù)電壓26.0V時，太陽能電池自動恢復(fù)充電?？傊谟嘘柟獾那闆r下，蓄電池電壓能使終維持在26V29.1V之間，多余的能量直接流向負載，使蓄電池工作在浮充狀態(tài)。在遇連陰雨天的情況下，蓄電池將得不到充電，而使蓄電池過放。本設(shè)備具有過放切離的功能。當(dāng)蓄電池電壓下降到過放電壓21.6V時，控制板上過放指示燈(紅色)亮，同時控

14、制器中的輸出繼電器動作，切斷負載以保護蓄電池。+eAdiAd+w_rl寸I唏寸I唏WE田田2冒田2寸I唏1.3蓄電池特征參數(shù)：額定電壓：2V額定容量：500Ah（10HR）工作原理在化學(xué)電源的裝置中，可以實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)中還原劑失去電子的氧化過程和氧化劑得到電子的還原過程，而且，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是在不同的電極上分別進行的，由此便產(chǎn)生了電流。為了區(qū)別于化學(xué)反應(yīng)中的氧化還原反應(yīng)，電池中的氧化還原反應(yīng)習(xí)慣稱為電流的成流反應(yīng)。為了實現(xiàn)上述的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓@一過程，必須滿足以下條件：1）化學(xué)反應(yīng)中失去電子的氧化過程（放電時在負極進行）和得到電子的還原過程（放電時在正極進行），必須分別在兩個區(qū)域進行，

15、這不同于一般化學(xué)反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)；2）兩電極之間必須有電解質(zhì)溶液或膠體；3）電極反應(yīng)過程中電子的傳遞必須經(jīng)過外線路，這點區(qū)別于金屬腐蝕的氧化還原過程。2、設(shè)計計算常用術(shù)語直接輻射：太陽以平行光線的方式直接投射到地面。占輻射量的60左右，影響輻射強弱的因素很多，其中最主要的是太陽的高度角，其次是大氣的透明度。散射輻射:地面上收到來自天穹2n的體角向下的大氣等的散射。占輻射量的40%左右，影響散射強弱的因素較多，主要是太陽的高度角，其次是太陽經(jīng)過大氣的路程長。在陰雨天，存在較弱的散射輻射。規(guī)范光強：表征光輻射強弱的單位。1000w/m2為1規(guī)范光強。平均日輻射時數(shù)：表征日輻射多少的量。它是平均日

16、輻射量與規(guī)范光強之比。作為太陽能光伏系統(tǒng)計算的依據(jù)，是下面重點討論的。日照時數(shù)（實照時數(shù)）：太陽受云層和天氣地物的影響，實際照射地面的時數(shù)。可照時數(shù)：一天內(nèi)太陽從東地平線到西地平線所經(jīng)歷的時數(shù)。日照百分率：實際時數(shù)與可照時數(shù)之比。它是衡量一個地區(qū)的光照條件。月日照百分率作為供電系統(tǒng)可行性設(shè)計的主要參考。計算公式負載日能耗PQ=XrXtUP：負載總功率；n：負載利用率（全頻率取1.0,載波機取0.85）；t：工作時間，全天工作，取24小時；U：工作電壓；輻射時數(shù)Qsxk=日輻射量x係數(shù),KJ變WH時）標(biāo)準(zhǔn)光強標(biāo)準(zhǔn)光強Q：單位面積上年平均輻射量，單位：KJ/m2SK：轉(zhuǎn)換系數(shù)1KJ=2.778X1

17、0-iWh；1千卡=1.162Wh規(guī)范光強：單位面積上光功率。1000W/m2為一個規(guī)范光強。=QX2.778X10-4(H)SQKJ/m2x2.778x10-1WH/KJH=1000W/m2太陽能板數(shù)量N=rCKQxKxHxICoK：太陽能電池板的串連數(shù)量;Q：負載日耗電量;耳：蓄電池的效率，0.85CK：電池板的安裝修正系數(shù)，（0.90.95）CI：電池板工作電流;（80W/17V）oH：所選地區(qū)的輻射時數(shù)。理論上要求蓄電池的容量ZAQinB：蓄電池容量；n：蓄電池容量的利用率，（0.60.7）；工AQi:連續(xù)輻射贏余月份贏余之和。由于EAQi在不同地區(qū)很難得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，故實際計算中簡化如

18、下：實際應(yīng)用蓄電池的組數(shù)（僅考慮連續(xù)陰雨天）DxQe=nxQCe：蓄電池組數(shù)；d：連續(xù)陰雨天；Q：單塊蓄電池的容量；Cn：蓄電池容量的利用率,（0.60.7）；例如：某地要建一個通信信號轉(zhuǎn)發(fā)站，該地處偏僻，沒有市電供給，需要太陽能供電。通信設(shè)備電源功率為80W工作電壓是24V，需要全天候工作。知該地區(qū)傾斜面上年平均輻射量12702KJ/m2，最長陰雨天為4天，請對該設(shè)備的供電系統(tǒng)進行設(shè)計。1）計算日能耗Q=PT/U=80X2424=80（AH）日輻射時數(shù)H=QsX2.778X10-4=12702X2.778X10-4=3.53(H)假如采用80W，峰值電壓是17V,最大功率電流是4.65A，則太陽能電池板的數(shù)量為：N=KQF(HIKCnc)=2X80F(3.53X4.65X0.95X0.85)=12.07取整：太陽能電池板的數(shù)量是12塊。現(xiàn)有2V500AH和2V650AH的蓄電