光伏应用

第7章太阳能光伏发电系统的应用 太阳能空调器太阳能电动车太阳能照明系统太阳能路灯 太阳能空调器的开发 1 家用太阳能空调器系统的开发背景2 太阳能空调器系统的构成单方向型系统双方向型系统3 实际应用效果抑制夏季尖峰功率的效果减少CO2效果 太阳能电动车 1 太阳能电动车的工作原理车身表面的太阳能电池镶嵌板把太阳能转化成电能 再通过最大功率跟踪装置给负荷供给能量 2 太阳能电动车的研究方向提高太阳能电池的转换效率最大功率跟踪技术蓄电池充放电技术 3 太阳能电动车的系统总体设计六部分组成 太阳能电池阵列 DC DC变换器 A D转换回路 控制电路 蓄电池 辅助电源 PFC整流部分 太阳能光伏照明系统概述 太阳能照明系统以太阳能为能源 白天充电晚上用 无需外接电源 安全可靠 绿色节能 充电及开关灯 无需人工操作 使用寿命长 是现代生活环境中理想的照明工具 太阳能照明系统控制模式一般分为光控方式和计时控制方式 一般采用光控或者光控与计时组合工作方式 黄昏时分当电池板没有充电电流超过5分钟时 系统默认为天黑 控制器启动将灯点亮 同时开始计时 当计时到设定时间时光源自动关闭 太阳能照明系统的工作原理 利用 光生伏打 效应原理制成的太阳能电池板在白天接收太阳辐射能并转化为电能输出 经过充放电控制器储存在蓄电池中 夜晚当照度逐渐降低至设定照度值 太阳能电池板开路电压达到设定电压后 充放电控制器检测到这一电压值后立即动作 蓄电池便开始对光源放电 蓄电池放电达到设定小时后 充放电控制器立即动作 蓄电池放电结束 太阳能光伏照明系统特点 清洁 环保长寿命高效率高亮度便捷管理安全可靠施工快捷 方便 太阳能光伏照明系统组成部分 太阳能电池板控制器蓄电池光源 1 太阳能晶体硅电池板 太阳能电池板是整套照明系统的核心 它将太阳辐射能直接转换成直流电 储存于蓄电池内 用于夜间照明 太阳能电池板可分为单晶硅板和多晶硅板 2 太阳能控制器 控制器是对太阳能光伏发电系统进行控制和管理的设备 控制器在整套系统中的功能与作用 定时开关 运行状态指示 对蓄电池进行最优的充电控制 对蓄电池进行放电管理 故障诊断定位 4 照明光源 照明光源是夜间照明的发光体 常用的光源类型有 三基色节能灯 高压钠灯 低压钠灯 LED 陶瓷金卤灯 无极灯等 几种常用光源的介绍 预热式电子节能灯 属于低压照明新的专利产品 高压钠灯是一种高强度气体放电灯 属于第三代电光源 低压钠灯是一种低压钠蒸气放电管 内管系用特种抗钠玻璃吹制而成 点然后能辐射出5890A 5896A钠谱线 针对应用最多的太阳能光源分析比较 太阳能照明成本分析 采用太阳能灯光亮化工程 每年可节省大量的资金 既亮化了城市 又生态地发展了城市 并充分地利用了能源 是目前世界上最合理的发展方向 以 层高层住宅的太阳能楼梯走道灯为例 以太阳能庭院灯为例 太阳能灯具与普通灯具的对比 普通灯具1 传统的供电方式 需挖沟铺设线缆 安装极其复杂 2 对于农村 山区等地区安装费用高昂 3 需要支付电费 停电则无法使用 太阳能灯具1 无需电缆 不受位置限制 安装简便 2 先期投入大 一次性投资终身受益 3 不需支付电费 不受停电限制 4 节能能源 促进环保 无污染 符合当今社会发展方向 5 充分体现绿色照明的概念 给人以全身心的视觉感受 6 融入了新能源新技术的概念 太阳能照明的应用 太阳能灯具太阳能灯具相对普通照明灯具 增加了太阳能电池板 控制器和蓄电池等配件 独立式太阳能照明系统主要指采用太阳能灯具可能受到环境的影响不适合安装的场合 可以将太阳能电池板集中放置 采用统一控制提供供电的方式提供照明 与市电结合的太阳能照明系统对于城市内照明可靠性要求高的灯具照明 为了增强系统的可靠性 可以采用与市电相结合的方式 太阳能灯具的种类 太阳能灯具的种类 庭院灯 道路灯 装饰灯 草坪灯和杀虫灯等 灯具以太阳光为能源 白天充电 晚上使用 无需进行复杂昂贵的管线铺设 而且可以任意调整灯具的布局 太阳能照明方案 城市亮化照明建筑物楼道照明 光伏 建筑照明一体化 技术 城市亮化照明 由太阳能电池板作为发电系统 让电池板电源经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电 当蓄电池电源达到一定程度时 控制系统内设的自动保护系统动作 电池板自动切断电源 实行自动保护 到晚上 太阳能电池板又起到了光控作用 给控制系统发出指令 此时控制系统自动开启 输出电压 使各式灯具达到设计的照明效果 建筑物楼道照明 太阳能走廊灯由太阳能电池板供电 整栋建筑采用整体布局 分体安装 集中供电方式 太阳能安装在天台或屋面 用专用导线 可预留 传送到每层走道和楼梯口 光伏 建筑照明一体化 技术 由多片单晶硅太阳能光电池组合而成的电池板 经过太阳光的照射之后产生光电效应而发出直流电 再由系统中的电源转换器将直流电转换成一般电器所需的交流电 经由配电系统供照明 空调等系统使用 以及蓄电池储存电力 尚可提供防灾紧急用电需求 光伏照明应用问题分析 光源问题蓄电池问题控制器问题系统配置问题 太阳能照明系统的推广 规范并促进标准化科学合理设计选择优良配件 太阳能路灯 太阳能电池蓄电池控制器光源灯杆及灯具外壳 太阳能路灯结构 太阳能路灯设计所需的数据 太阳电池组件的倾斜角与方位角太阳能标准峰值日照时间太阳能路灯所选用光源的功率 W 太阳能路灯每天晚上工作的时间 H 太阳能路灯需要保持的连续阴雨天数 d 两个连续阴雨天之间的间隔天数 D 太阳能路灯系统设计思路 先确定光源的功率 每天的工作时间 保证几个阴雨天然后计算蓄电池的容量和太阳电池组件的功率 太阳能路灯有其特殊性 需要确保系统工作的稳定与可靠 设计时要注意 太阳能路灯工作流程 太阳能路灯系统设计的关键部件 太阳能电池板太阳能电池板的选型阳光充足的地区 采用多晶硅太阳能电池阴雨天较多 阳光相对不是很充足的地区 采用单晶硅太阳能电池 太阳能电池板功率的选择 依据当地的太阳平均辐射强度 考虑灯具功率和灯具每天的工作时间 以及所要求的连续阴雨天数等 太阳能电池板功率的选择可用下式估算 太阳能电池板的安装问题 当日发电量达到最大值时 即为最佳倾角 最佳倾角的求取 可在表1中数据范围内再结合当地的实际情况通过实验来确定 在使用多块太阳能电池方阵时 要注意阴影的影响 在下雪较多的地区 还要考虑积雪滑落的倾斜角 蓄电池 蓄电池的选型太阳能路灯用的蓄电池因要求放电速率慢 放电时间长 一般均采用大容量的铅酸蓄电池 而高能阀控式免维护铅酸蓄电池是较好的选择 高能阀控式免维护铅酸蓄电池 高能 蓄电池的使用寿命长 储备容量和容量保持率高 充电接受效率高 密封性能好 使用温度范围宽 铜质接线端子 自放电率低 放电性能好 阀控式 在电池盖上装设单向排气阀 免维护 使用期间无需加水加酸维护 蓄电池容量的选择 蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要 容量过大 蓄电池始终处在亏电状态 影响蓄电池寿命 太阳能路灯的蓄电池容量选择可用下式计算 蓄电池的使用问题 蓄电池不可直接并联对外供电在蓄电池电路中要设置熔断丝加以保护电箱结构设计既要照顾维护方便 也要防备蓄电池被窃取 蓄电池能否近地安装 需要了解当地气象情况 控制器 太阳能电池与蓄电池的耦联采取最大功率跟踪技术使太阳电池的负载特性能自动跟踪气候的变化条件 以得到最大的能量采集 主电路一般采用BUCK型降压电路 其控制电路可用单片机或低功耗集成电路 防止反向充电电路 为了避免蓄电池向太阳的电池充电 一般是在回路中串联一个二极管用来阻止反向充电 充电电流小 采用肖特基管 充电电流大 采用低导通电阻的场效应管 蓄电池的充放电管理 为了保证蓄电池的正常使用寿命 必须对它的充放电条件加以限制 防止蓄电池因过充电或深度放电而过早地损坏 防止过度充电过放电保护温度补偿 灯的自动开关 傍晚自动开启LED灯的电源 拂晓定时自动关闭灯电源 亮度跳跃现象 灯闪烁 延时电路 光源LED LED的主要参数电特性LED的电流 电压参数具有典型的PN结伏安特性 正向压降 V 和正向电流的 I 关系曲线如图所示 LED需采用恒流源驱动 光通量LED向外辐射通量中能引起人感知的那部分当量 是照明用LED的重要指标 LED光通量随工作电流的增加而增大 光通量还会随环境温度的升高而下降 当环境温度超过5O 时 应降低LED的工作电流 否则容易引起LED老化 散热问题LED芯片温度的升高 将直接影响到LED的寿命 并且会增大LED的光衰 情况严重的会将LED烧坏 普通方法采用铝制散热器最新方法采用回路热管技术 散热设计 德国OSRAM公司将LED芯片设置在散热片表面 热量能够以最短距离传导散发 东芝Lighting公司利用灯具的框体来提高热传导性 美国Lumileds公司开发的高功率LED芯片容许结温最高达185 LED阵列 计算LED的数量按照实际所需的光通量和单个LED的光通量 即可求出所需LED的数量 计算公式如下 LED阵列设计用1W的LED组成路灯光源时 选用光束角120 的LED比较好 用70mA规格的LED组成路灯光源 有较好的抗雾性能 路灯组合发光源使用上研制出十字型和矩型组合发光源 在超高亮白光LED使用上采取平头和圆头LED合理比例搭配 LED驱动电路路灯采用常规集成电路来组成恒流驱动器 与LED连接灵活 成本相对比较低 LED恒流驱动电路主电路采用单端正激DC DC变换器 电源控制芯片采用电流模式 LED恒流驱动电路 驱动电路技术指标 振荡频率欠压锁定斜坡补偿恒流控制异常保护 LED的驱动电流 例如 设计一个典型的太阳能路灯LED驱动 设计目标是 初始输出为4200lm 采用单层光学器件 采用 12V电池工作 假定所采用的LED技术参数如下 输出 典型100lm350mA结温Tj 25 驱动电流 350mA 电光器件 单层 且耦合良好 光学损耗为12 最高环境温度 40 驱动器损耗 15 目标效率85 估计LED的数量及总功率 计算出的所需LED数量约为60 灯具总功率约为89W 拓扑结构需要采用恒流结构来进行驱动 针对上述设计要求 采用安森美半导体的大功率LED恒流降压稳压器NCP3066 结构设计采用模块化设计 即采用8只LED光条 每个光条含1个驱动器电路及8只LED 太阳能路灯的安装与调试 白光LED技术 1 用InGaN蓝色LED激发钇铝石 YAG 荧光粉或其它荧光粉 2 利用三基色 RGB 将红 绿 蓝三种高亮度LED混和成白光 3 用紫外光LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉 产生多色光混合成白光 白光LED结构 光谱分析 白光LED光源的特点1 寿命长LED的使用寿命可以长达十万小时 2 启动时间短LED的响应时间只有几十纳秒 3 结构牢固LED是用环氧封装的半导体发光的固体光源 4 功耗低 光效高白光LED的光效已经达到50 1001m W 效率可以达到80 90 5 发光体接近点光源LED的发光体芯片尺寸很小 在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源 6 可以做成薄型灯具 太阳能路灯的LED参数1 单只LED光度参数的选择 2 光强 光效与工作电流的关系 3 发射角的确定LED发出光束的角度用半宽度角来表示 即光强降到峰值光强一半时的光束角 稳定性检验1 单只LED光强衰减 2 荧光节能灯与LED灯稳定性比较 3 室外太阳能LED路灯光照衰减 4 单只LED的色度变化 太阳能LED路灯设计实例 LED光源设计1 LED类型的选择选择自行封装的色温为7080K 光效为48 281m W 20mA 发射角为60 70 直径为5mm小功率白光LED 单只功率为0 064W 作为灯具设计的基本单元 青岛地区非主干路的路灯设计 2 LED灯具结构设计一盏太阳能LED路灯需要两块LED面光源 每一块需36只由5mm的高亮度大角度白光LED 间隔2cm阵列排布 在支架管头处安装了两个球灯 每个灯需要6只LED 整个系统共需要84只LED 3 灯架结构 4 功率及照度的确定单只LED工作电压3 0 3 2V 采用12V蓄电池 因此负载连接方式为3个LED串为一组 共28组并联 选择流过单只LED的电流16mA 每盏路灯的总电功率为5 4W 在12V的直流电压下 总电流450mA 照射到地面的中心最大照度为12lx 5 负载驱动方式负载分为均衡型负载和季节型负载 LED驱动分为恒流和恒压 由集成运放构成的电压比较器作为控制电路的恒压式驱动方式 蓄电池容量设计路灯每日工作6小时 工作电流为450mA 由此可得出每日耗电2 7Ah 设计自给天数为3天 能保证连续3 5个阴天仍能维持系统工作 取蓄电池的放电深度为50 选用12V17Ah的免维护铅酸阈控式蓄电池 控制器的合理选择充放电控制器的基本原理控制器主要有四种类型 旁路控制器 串联控制器 多阶控制器和脉冲控制器 本设计为小型光伏系统 选用第一种旁路控制器 太阳能电池功率的确定1 太阳辐射的理论计算太阳赤纬角太阳时角太阳高度角太阳方位角日出 日落时角日照时间 根据有关公式计算出每月21日的赤纬角 结合青岛地区的地理纬度 36 1 给出太阳高度角 日照时间 2 青岛地区气象资料青岛的地理位置为 东经119 30 121 00 北纬35