發(fā)布時間:2018/8/14 8:53:00 來源:本站
光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計要求遵守合理性、實用性、高可靠性和高性價比的原則。要做到既能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的長期可靠運行,充分滿足負載的用電需要;同時又能使系統(tǒng)的配置最合理、最經(jīng)濟,特別是確定使用最少的光伏組件功率和蓄電池的容量。需要協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系,在滿足需要、保證質(zhì)量的前提下節(jié)省投資,達到最好的經(jīng)濟效益。
光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計流程一般包括容量設(shè)計和硬件配置兩大部分。對于太陽能路燈系統(tǒng),一般采取如圖1所示的設(shè)計流程。
圖1 太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計流程圖
2.1 氣候地理條件分析
太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計的基本要求是要滿足負載用電的需要,所以在進行設(shè)計時,必須考慮系統(tǒng)在最差天氣條件下的穩(wěn)定運行。
根據(jù)調(diào)查,徐州地區(qū)冬季約有14 h處于黑夜狀態(tài),夏季的發(fā)電總量約為冬季的2.33倍(該數(shù)值并未考慮溫度和天氣變化的影響)。冬季發(fā)電量低而負載使用時間長,且氣溫較低,為了使蓄電池在冬季不至于過放電,系統(tǒng)設(shè)計時要考慮根據(jù)冬季發(fā)電用電情況進行系統(tǒng)設(shè)計與配置,兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟效益。
徐州位于華北平原東南部,117.18°E,34.27°N;全年平均最高氣溫36 ℃,年平均最低氣溫-7 ℃;年輻射總量為1500 kWh/m2,日平均峰值日照時數(shù)為4.14 h。
太陽能路燈系統(tǒng)受天氣影響較大,配置蓄電池可消除或減弱不良天氣對路燈系統(tǒng)正常工作的影響。由于陰雨天光伏組件基本不發(fā)電,主要依靠蓄電池進行供電,為了系統(tǒng)的穩(wěn)定,一般使用全年最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為依據(jù)。根據(jù)近幾年每月徐州最大連續(xù)陰雨天數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),為保證太陽能路燈的系統(tǒng)供電穩(wěn)定性,選取最大連續(xù)陰雨天數(shù)為9天。
2.2 路燈光源的優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)我國建設(shè)部發(fā)布的《城市道路照明設(shè)計標準》規(guī)定,次干道需使用半截光型燈具。半截光型燈具的安裝高度在燈具單向布置時,不小于路面有效寬度的1.2倍;當燈具雙側(cè)布置時,安裝高度不小于路面有效寬度的0.8倍;此時,兩盞路燈的間距不能大于路燈高度的3.5倍。
設(shè)燈具高度為H,路面有效寬度為W,路燈間距為S。路燈安裝的位置在綠化帶中央,故選擇機動車道寬度加單綠化帶寬度為路面有效寬度,取W=15 m。燈具高度取設(shè)計標準規(guī)定的最小值,路燈間距取設(shè)計標準規(guī)定的最大值,即燈具安裝高度為路面有效寬度的0.8倍,路燈間距為燈具安裝高度的3.5倍。則:
設(shè)計路段全長為1105 m,則所需路燈數(shù)量n=1105/42=26.3≈27盞。因道路兩側(cè)交替布置路燈,所以,單側(cè)路燈數(shù)量為27盞,另一側(cè)為26盞,共計53盞。
平山南路設(shè)計路段為次干道,路面為瀝青路面。按照國家標準規(guī)定,次干道路面平均照度應至少為10 lx,對應的平均亮度為1 cd/m2 。計算路面平均照度與平均亮度時,路燈可視為點光源,路燈向外發(fā)射的光平均分布在以路燈燈頭為圓心的球面內(nèi)。路燈光源發(fā)光效果以光通量來衡量,光源功率設(shè)計的目的是選擇合適的路燈來提供國家標準所需的平均照度。
設(shè)路面平均照度為E,路燈光源光通量為Φ。計算路面平均照度時,對應的球面半徑為路燈光源有效高度即燈具高度H?色@得以下關(guān)系式:
根據(jù)式(3)可知,當E=10 lx時,對應的路燈光源光通量為:
次干道使用半遮光型燈具,光源向上射出的光線除了部分散失外,其余部分會被燈罩反射,增加了向下的光密度?紤]80%的反射率,路燈光源實際所需的光通量Φ1為:
所以,選擇光源的光通量最小應為5024 lm。
目前,LED燈因具有壽命長、能耗低、啟動快、發(fā)熱少、綠色環(huán)保等特點,常被用作太陽能路燈的光源。選取LED燈發(fā)光效率為130 lm/ W,則所需光源的功率為:
2.3 蓄電池組容量的優(yōu)化設(shè)計
考慮平山南路路段的實際情況,為兼顧快車道與慢車道的照明,路燈選用雙臂式路燈,因此系統(tǒng)光源需采用兩只40 W的LED燈,燈具工作電壓為24 V。根據(jù)上文中用電量需求分析,設(shè)計系統(tǒng)采用定時工作方式,以冬季工作時長為設(shè)計標準,設(shè)計冬季路燈每天工作時間為18:00~24:00及次日5:00~7:00,每天工作時長為8 h;根據(jù)上文分析,最大連續(xù)陰雨天數(shù)取9天;峰值日照時數(shù)取4.14 h;蓄電池最大放電深度在0.5~0.8之間,考慮徐州冬季最低氣溫-7 ℃,從穩(wěn)定性角度分析,取最大放電深度為0.6 ;低溫修正系數(shù)為0.91,則:
1) 平均放電率==120小時率。120小時率屬于慢放電率,對應的放電率修正系數(shù)為0.9 。
2)負載日平均用電量==26.67 Ah。
3)蓄電池容量==395.65 Ah。
計算結(jié)果和蓄電池調(diào)研參考資料,可選擇蓄電池規(guī)格為12 V 200 Ah。
4)蓄電池串并聯(lián)的計算為:蓄電池串聯(lián)數(shù)=24/12=2;蓄電池并聯(lián)數(shù)=395.65/200=2;蓄電池組總數(shù)=2×2=4。
根據(jù)以上計算結(jié)果,共需12 V 200 Ah蓄電池4件構(gòu)成蓄電池組,串并聯(lián)形式為2串2并。
2.4 光伏組件方陣的優(yōu)化設(shè)計
2.4.1 優(yōu)化光伏組件方陣傾角
為了達到最佳發(fā)電效率,需要進行光伏組件陣列傾斜角的設(shè)計。傾斜角是光伏陣列平面與水平地面的夾角。光伏組件傾角取值與當?shù)氐木暥扔嘘P(guān),徐州緯度為34.27°,本地最佳傾角為緯度加7°,所以徐州本地斜面最佳輻射傾角取41°。
2.4.2 估算組件輸出電流
根據(jù)經(jīng)驗取蓄電池充電效率為0.9,組件損耗系數(shù)也為0.9。
組件電流==7.95 A。
2.4.3 確定估算功率
設(shè)光伏組件的最高工作溫度為60 ℃,則:
組件功率==231.27 W
根據(jù)以上計算結(jié)果,功率取整為240 W。2 塊120 W的光伏組件板可滿足使用要求(120 W光伏組件板理論面積為1200 mm×800 mm)。
2.5 太陽電池方陣的抗風設(shè)計
根據(jù)路燈燈桿行業(yè)標準,路燈燈桿材料需選用Q235鋼。標準規(guī)定,高12 m的燈桿鋼管壁厚為3.5 mm、鋼管上端口直徑為75 mm、下端口直徑為195 mm。
為減少周圍環(huán)境對光伏組件的遮擋,光伏組件裝配于燈桿頂端,設(shè)計中必須考慮光伏組件能否承受在此高度上的風壓。標準光伏組件經(jīng)受靜態(tài)載荷的最低值為2400 Pa,而在大風情況下其承受的壓強需要大于該值。
風壓是指垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力,當重力為9.8 m/s2時,根據(jù)伯努利方程可推導出此時垂直于氣流方向的平面所受的風壓為:
式中,P為風壓,Pa;u為風速,m/s。
12級臺風的風速是36.9 m/s,光伏組件在此情況下迎風放置,垂直面的面積需要進行折算。則:
光伏組件承受得風壓為558.26 Pa,遠低于標準規(guī)定的2400 Pa,故組件本身可以滿足抗壓需求。
傳統(tǒng)高壓鈉燈市場均價為1950元/套,每套燈具設(shè)一個檢查井。太陽能路燈市場均價為6300元/套,全套太陽能路燈包含:LED燈頭(40 W)、Q235燈桿(12 m)、光伏組件(120 W、2塊)、免維護鉛酸蓄電池(12 V 200 Ah、4件),以及路燈用控制器1套。燈具安裝費用參考市場平均價格,按燈具使用年限20年,使用期間平均每套燈具更換1次光源,其中蓄電池更換2次,進行對比分析。結(jié)果見表1。
表1 經(jīng)濟效益對比分析表
通過表1數(shù)據(jù)及以上分析可知,太陽能路燈在運行成本、環(huán)境維護、效益回流、安全性及維護等方面均優(yōu)于普通路燈,更加適合推廣,更符合國家可持續(xù)發(fā)展原則。
本文利用太陽能系統(tǒng)設(shè)計的基本原理與步驟,結(jié)合實地考察及市場調(diào)研獲得的信息,從路燈的高度與間距、光源功率、蓄電池容量、太陽電池板容量、燈桿支架等方面進行了統(tǒng)一的設(shè)計與計算,并對比傳統(tǒng)高壓鈉燈,對設(shè)計系統(tǒng)進行了經(jīng)濟效益分析。
本文設(shè)計的太陽能路燈系統(tǒng)采取分時工作方式,在滿足應用的情況下,較大程度節(jié)約了系統(tǒng)投資。系統(tǒng)所帶的控制器可以精確控制系統(tǒng)的運行與停止,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。光源采取LED路燈,既能提供高亮度,同時耗能遠低于高壓鈉燈,符合國家關(guān)于節(jié)能減排的號召。
通過經(jīng)濟效益分析可看出,太陽能路燈的價格雖然要高于傳統(tǒng)路燈,但由于其安裝簡單、維護方便,整體費用遠低于傳統(tǒng)路燈,使用更加經(jīng)濟;市政相關(guān)部門也給予了本設(shè)計的可用性評價。
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