智慧城市申报.doc

宁波赛华新能源科技有限公司智慧城市应用示范工程项目申报材料宁波赛华新能源科技有限公司 2011-06-06宁波赛华新能源科技有限公司智慧城市应用示范工程项目材料目 录一、项目实施情况总结1、单位基本情况- 12、项目实施及应用情况（重点介绍项目的创新性和示范性）- 23、成功经验及存在问题- 44、今后发展思路- 13二、项目获奖情况（可提供图片或扫描件）- 14宁波赛华新能源科技有限公司智慧城市应用示范工程项目材料项目实施及应用情况太阳能发电发展已经有多年的历史，国外以拥有先进的技术。但在国内才刚刚起步，很多技术都不成熟。在全球能源即将枯竭的今天。发展新能源显的尤为重要。特别是太阳能这种无污染的可持续再生能源将在不久的将来成为首要能源。国家建设部，财政部已经发文确定对太阳能能源进行高额补贴，相信在不久的将来我国将大规模应用太阳能发电产业。为了拉近与国际的距离。建立拥有中国自主知识的太阳能发电系统。我公司出巨资与浙江大学电气工程学院于2008年开始联合研发太阳能发电系统。该系统的研发将成为中国研究太阳能利用的先驱。为中国太阳能研发做出榜样。弥补中国太阳能发展这块空白。公司成立了工程技术中心，添置了必要设备，太阳能能量变换系统被立为宁波市科技局列为工业攻关项目，经过几年的努力太阳能发电技术已在太阳能汽车排污风扇、太阳能停车警告灯、太阳能水泵、太阳能喷泉、太阳能路灯、太阳能移动电源、太阳能手机充电器、太阳能小型电站上得到应用。除上述产品外还成功研发了3000W级太阳能并网发电系统和3000W及以下太阳能独立发电系统；并网发电系统在国内由于电网质量和上网电价等问题没有解决，还没有大规模运行，现在只有个别省份在试点运作；太阳能独立发电系统由于与电网完全隔离，已得到广泛应用，本公司开发的太阳能独立发电系统实行充电逆变一体化方法，具有最大功率点追踪（MPPT），以及蓄电池最优充电方式。采用直流电逆变交流电系统。同时使用了尖端的控制芯片DSP数字控制，整体效率较高。整体系统都采用了保护电路，其中包括电池的过充保护，过放电路保护，和整体的过流保护等！独立式太阳能发电系统整体具备下列特点：性能卓越：控制逆变一体化设计，工频隔离，解决非阻性负载启动冲击问题。-2-广泛应用：产品广泛应用在国内、外多个重要项目，长达10年的可靠稳定运行经验。适应性强：环境适应能力强，可在高海拔、高寒、自然环境应用。可靠性高：架构简洁，元器件都是经过长期验证的高可靠性器件，从设计和运行上保证了低故障率。保护齐全：具有直流输入反接，输出短路、过载，直流过、欠压，等保护功能。使用方便：机架式方便组屏，便携式方便携带。并网式太阳能发电系统整体具备以下列特点：1高效率和创新技术采用国际先进的IGBT和智能功率模块（IPM），MPPT自寻优技术，先进的设备冷却系统，保证了逆变器即使在环境温度达到50 （个别产品甚至达到55 ）时也能够100%全功率地输出电能，总体效率高，这些保证了逆变器的更高性能和更长的使用寿命。2高质量和高可靠性赛华电源的高质量和高可靠性的光伏并网逆变器是经过CE型式认证的高质量产品。优化的软硬件设计使逆变器即使在电网条件较恶劣的情况下也不停机。输入电压的范围大，保证了接入的光伏阵列有了更多的组合方式。性价比高，它不仅仅只表现在迅速和优质的服务上。3快速和简便的安装方式最优化设计，便于运输和安装。输入电压的范围大，保证了接入的光伏阵列有了更多的组合方式。4界面友好和操作简便赛华电源的光伏并网逆变器外观设计漂亮，多语种液晶显示，界面友好，使用更简便。赛华电源的光伏并网逆变器标准配置了RS485接口，并可拓展以太网、GPRS通讯模块，确保了数据传输具有更多的选择。赛华电源已在欧洲、美国、日本等地使用，效果良好；2000W太阳能独立发电系统已在余姚市安全电器厂运行近一年，反映良好，附用户使报告。-3-4-宁波赛华新能源科技有限公司智慧城市应用示范工程项目材料成功经验及存在问题一、由于太阳能并网发电系统在国内还没有正式推广使用，现就独立式太阳能发电系统成功经验作以下介绍:经过光伏工作者们坚持不懈的努力，太阳能电池的生产技术不断得到提高，并且日益广泛地应用于各个领域。而如何根据各地区太阳能辐射条件，来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统，这是众多专家学者研究已久的课题，而且已有许多卓越的研究成果，为我国光伏事业的发展奠定了坚实的基础。我们在学习各专家的设计方法时发现，这些设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数）。这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视，因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立光伏电源系统，由于没有应急的其他电源保护备用，所以应该将此问题纳入设计中一起考虑。 我们综合以往各设计方法的优点，结合本公司多年来实际从事光伏电源系统设计工作的经验，引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。A、影响太阳能发电诸多因素太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。 太阳能电池方阵的光电转换效率，受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。 蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。 太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能。-5-B、蓄电池组容量设计太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。 （1）蓄电池的选用 能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。 （2）蓄电池组容量的计算 蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。 因此，蓄电池的容量BC计算公式为： BC=AQLNLTOCCAh(1) 式中：A为安全系数，取1.11.4之间； QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数； TO 为温度修正系数，一般在0以上取1，10以上取1.1，10以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。C、太阳能电池方阵设计 a、太阳能电池组件串联数Ns -6- 太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。 计算方法如下：Ns=UR/Uoc=（UfUDUc）/Uoc（2）式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为蓄电池浮充电压； UD为二极管压降，一般取0.7V；UC为其它因数引起的压降。 电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。b、太阳能电池组件并联数Np 在确定NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表1）： H=Ht2.77810000h（3）式中：2.77810000（hm2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。这个系数在当地气象部门可提供。太阳能电池组件日发电量Qp Qp=IocHKopCzAh(4) 式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数（我国主要城市的辐射参数表中能找到）；Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=AQLNLAh(5) 太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：Np=（BcbNwQL）/（QpNw）(6) 式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。 (c)太阳能电池方阵的功率计算 根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=PoNsNpW（7） 式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。D、充放电控制器的选用 在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏电池输出最大功率，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，通常只顾及到一个方面，如只追踪光伏电池最大功率点而放弃蓄电池的最佳充放电，从而限制了系统的效率和寿命。我们根据实际经验将就此问题进行研究探讨，并设计一套高效充放电电路，提出相应的控制策略。1 光伏发电系统充放电所面临的问题1.1 光伏电池的运行特点光伏电池所发功率取决于照射到其表面的太阳辐射量。由于受到当地纬度、经度、时间、空气状态及气象条件等各种因素的影响，实际上在某个地方所能接收到的辐射量时时刻刻都在变化着，偶然的阴影遮蔽也会使输出功率降低，因此，光伏电池所发功率是不断变化的。图1是光伏电池的IV与PV特性曲线1，图2是其输出变量与温度的关系曲线1，可以看出光伏电池的输出最大功率点Pmax、短路电流Isc、开路电压Voc随着辐射强度、环境温度在不停地变化，所以，光伏发电系统要不停地调整，以使光伏电池工作于最大功率点上，但这又同时使得光伏电池的输出电流、电压在不断变化，即输出功率是不断变化的。-7-图1 光伏电池的IV和PV特性曲线图2 光伏电池输出变量Pmax，Voc和Isc的相对值（对应于25时）与温度的关系1.2 铅酸蓄电池充放电特性目前，免维护铅酸蓄电池作为储能设备，由于维护量小，使用方便等优点，在光伏系统中得到大量应用。在独立太阳能发电系统中，其充放电方式与传统充放电方式不同，既要因夜间带负荷而需要循环充放电，又要在蓄电池快充满时进行浮充。而铅酸蓄电池有其充放电特性，如不按照其充放电特性进行充放电就会造成损坏且效率较低，日常的合理维护措施是必不可少的。目前，在光伏系统中蓄电池是一个薄弱环节，铅酸蓄电池用于光伏系统后寿命缩短，限制了光伏系统的使用寿命，增加了系统的成本和维护费用。研究发现，问题在于蓄电池用于光伏时，充电电流较小和充电时间受限。涓流充电和部分放电容易造成电极上树枝状晶体的生长，导致所谓的记忆效应，蓄电池的充电容量将会降低；强行过充电会使电解液分解，产生气体，造成电解液的丢失2。也有人指出，在光伏系统中限制蓄电池寿命的主要因素是蓄电池中的酸分层。在光伏系统中,由于蓄电池一般都处于欠充状态，进一步扩大了蓄电池底部和顶部的硫酸浓度之差，加剧了硫酸盐化和容量损失。同时小电流放电下所形成的PbSO4结晶颗粒粗大，这种结晶溶解困难，最终影响了蓄电池的寿命。在光伏系统中，蓄电池的放电率要比蓄电池应用在其他场合低3。-8-光伏电池板比较昂贵，在目前的光伏发电效率下，最大限度地节约所发出的电能是降低成本的一个有效途径，因此，要尽可能地存储和利用所发出的电能，减少光伏电池的空运行。而光伏系统的特点决定了铅酸蓄电池欠充的可能性比较大。目前，在设计光伏系统时，将光伏电池和负载及蓄电池进行固定匹配45，同时，存在上面空运行和欠充两个问题，其基本电路结构如图3所示。DC/DC变换器的输出端直接与蓄电池和负载相连，这样做可以避免过充，但却无法解决可能出现的欠充，蓄电池缺乏有效保护，得不到最佳充电，长此下去将导致蓄电池寿命降低，增加了系统维护费用。另外，当光伏电池输出功率较大时，由于负载一般不随意变化，在一定时间段内就可能出现充电功率过大现象，需要启动保护电路限制充电强度，这样势必会造成能源浪费，间接地增加了系统发电成本。同样，由于负载的不确定性，在蓄电池单独供电时就会出现所有电池单元部分放电现象，即蓄电池不能完全放电，这样对蓄电池也是有害的。图3 传统系统电路图2 系统拓扑结构及其控制方案对于上述问题，本文提出了一种新型充放电电路拓扑，采用动态功率跟踪匹配法加以控制。即根据实时功率差，动态地匹配充放电的蓄电池容量(蓄电池个数)，也就是动态地变换系统结构，从而实现最佳充放电。系统电路如图4所示，光伏电池经DC/DC变换器与负载和充电电路相连。负载可以变化。充电电路由直流母线和多个蓄电池充电单元组成，每个充放电单元包括双向DC/DC变换电路Hn和蓄电池Bn两部分。双向DC/DC变换电路如图5所示，蓄电池侧为低压侧，能够实现升压和降压6。该双向变换电路能实现高低压侧的有效电气隔离，效率高，控制灵活。与传统光伏系统相比，本系统运行灵活，高效可靠，整体寿命得到提高；另一个很大的优点是，容易进行规模扩充，易实现模块化系统集成，能够较好地解决蓄电池在目前的光伏发电系统中所面临的问题。由于蓄电池组容量是可以灵活变化的，所以，需要扩充规模时，只需增加光伏电池板、增加并联的DC/DC变换器数目、增加蓄电池充电单元、更改控制软件程序即可。-9-图4 系统电路图图5 双向DC/DC变换器本系统真正实现了在光伏电池最大功率输出下对蓄电池进行最佳充放电。由图1可看出，光伏电池的最大功率点电压、电流在不同的情况下是变化的。所以，在负载不变的情况下，就需要系统同时调节充电电流来协调光伏电池最大功率跟踪，这样才能实现光伏电池最大功率输出。为了实现光伏电池最大功率输出时对蓄电池进行最佳充放电，负载确定后，控制器同时同方向调整DC/DC变换器和充电器的占空比D，实现最佳充电，也使放电的蓄电池按最佳放电电流放电。在光伏电池运行于最大功率点的前提下，本系统方案包括：1）规定负载的最高限值，保证蓄电池能完成晚间或阴天的单独供电。2）充电时，同时调节光伏工作点跟踪DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，由其动态地确定需充电蓄电池数；3）放电时，同样要判断光伏输出功率和负载功率的最大差，以此来确定参加放电的蓄电池数；4）充放电都要维持蓄电池的最佳充放电模式。从图4可以看出，直流母线电压和DC/DC变换器输出电压及负载输入电压相等，总充放电电流ic为DC/DC变换器输出电流与负载电流之差。设DC/DC变换器输出电压uo，输出电流io，输出功率po，负载电流iL，负载功率pL，总充电电流ic，各充放电单元高压侧电流icn，低压侧电流icn，蓄电池电压uBn，（n为充放电单元的个数），则另外，对于双向DC/DC变换器，由功率守恒得出-10-又占空比D=ton/T，则式中：Dn为第n个充电器的开关占空比，充电时为高压侧开关，放电时为低压侧开关。所以，测得icn后即可得到icn，得到Ic。这样，控制器实时采集io，uo，iL，icn，各蓄电池端电压uBn等各数据，得出控制命令和保护措施。系统充放电流程图如图6所示。充放电之前，控制器将满荷电和已被开启充放电的蓄电池从荷电量序列中去掉。然后按照各个蓄电池荷电多少对其余电池进行排列，将荷电量不满且缺量最多的蓄电池Bmax作为第一个充电的电池，然后依次确定充电次序。充电器先从第一个开始充电，即先将第一个充电器与DC/DC变换器一起进行协调控制。当第一个充电器的充电电流达到其蓄电池的最佳充电电流时，转入保护充电模式，对其开始进行恒流充电。在蓄电池端电压达到水解电压（一般为2.3V/单体，高于此值便开始出现电池酸液水解现象）时，转为恒压保护充电，并对过充电压值进行温度补偿，温度补偿系数取4mV/，直至充满。然后按照上述所说方法开启第二个充电器，将其添加到被控制队列中，依次类推。控制器协调各个充电器，使其都尽可能处于最佳充电模式下，并尽可能将先充电的蓄电池充满。放电时与充电相似，实时计算po与pL之差，并以此计算出需放电的蓄电池数nf，计算时以单个蓄电池的最佳放电电流ifb为条件，即icn=ifb，nf=Ic/|icn|。放电顺序与充电相同，先从荷电量最大的蓄电池开始放电，以防荷电量小的个体电池完全放电后得不到及时再充。当po与pL之差减小时，以相反的顺序断开充放电单元。当所有蓄电池端电压到达设置的放电终止电压后，立刻停止放电，避免发生过放电。可以看出，放电控制比充电控制相对简单。-11-图6 充放电系统运行流程图3 实验结果为了验证方案的有效性，进行了相关实验。出于冗余考虑，实验用了额定功率3800W的38D1010X400型光伏电池方阵，15只100A·h（20h率），放电深度为60的蓄电池和一台1000W的负载、一台500W的负载，每3个蓄电池串联为一个单元。其中1000W的负载一直运行，而500W的负载在13时加入，并在15时退出。实验数据见表1，结果表明，在各充放电电流为最佳的情况下，总充放电电流仍能够跟踪光伏电池输出功率的变化。最大功率跟踪和蓄电池充放电情况良好，只有一组蓄电池由于负载变化没有充满。系统既实现了光伏发电最大功率跟踪，又对蓄电池实现了最佳充放电。实验结果与理论分析一致，证明该充放电电路拓扑及其控制方法是可行的。2、 独立式太阳能发电系统存在的问题和解决方法太阳能发电，现在已经不是一件新鲜事了。各国政府陆续出台的一系列对绿色能源的扶持政策，预示着这个产业将会不断的扩大，利用太阳能发电可能会成为未来人类生活的主要能源之一。利用太阳能发电虽然已经开始推广普及，但是由于使用时间不长，人们认识还不足，在实际使用中发现还有一些障碍问题需要去解决。那么问题在哪里呢？我们认为问题主要有两个方面，一个是政策面，另一个是技术面。-12-在政策面方面，我国虽然出台了一些扶植政策，但我们认这些政策还远远不够的，要彻底解决投入大，产出小，回报小的问题必须有一整套扶植政来支撑。下面我们着重对技术面所产生问题来进行探讨：1. 太阳能电组件的效率问题：这个问题随着科技的不断进步已经有比较大跨跃式发展，从最初的5-6到现在的最高的23，随着时间的推移还会不断提高。2. 要解决附着太阳能电池板上面灰尘、沙暴和积雪问题：附着太阳能电池板上面灰尘、沙暴和积雪对太阳能电池的充电有直接影响，从早上9点开始接受光照，电流是0.9。如果有了灰尘覆盖，电流是0.6。当灰尘多的时候，电流只达到0.3。前后相差两倍左右。所以，当灰尘覆盖以后每天的电池板所接受的光照时间和获得的电能都大大降低了。所以，仅靠增大瓦数来解决灰尘的问题，一是增加了成本，二是作用并不明显。有什么办法可以完全解决这个问题？使用自动除尘，除雪的太阳能电池板可以较好的解决这个问题。 自动除尘，除雪的太阳能电池板是利用电子自动控制，通过机械传动来达到这个目的的。就目前很多的除尘，除雪的方案中，这是一个最简便，实用，实惠，有效的方法。它是安装在电池板的两边，比普通的电池板宽度增加50MM，两头只要留出各60MM的空白。和太阳能电池板很好的成为一体。在安装前设定好每天除尘的次数它就会自动清除灰尘或积雪。它每天工作所耗用的电基本可以忽略不计。 这个装置也很简单。所使用的材料基本都是铝合金，钢材等和太阳能电池板同等寿命的材料。 由于各地的地理环境，气候，温度不同，这个自动除尘，除雪的太阳能电池板可以根据不同地区的气温和风沙严重程度调整，以获取最佳的效果。由于使用了自动除尘除雪的太阳能电池板，在设计中，原来考虑增大的瓦数可以省去一部分。这样所增加的除尘除雪这块费用相等于原来该增加的费用，因此，对用户来说，成本并不会增加多少。由于瓦数的减少，支架部分也相应缩小，使用的土地面积也会减小。这样，即不用担心成本的增加，也解决了日后的麻烦。3. 要建立自己独立的气象数据库,来正确掌握各地日照系数,日照时间往往依赖国外的天文数据，一般是美国宇航局的，有很大的局限性。4. 做系统工程要有一套完整的价廉物美的检测手段，现在大多多做系统工程的人没有组件的实测功率值，其做好的系统到底能达到什么效果，根本没有一个彻底的衡量的标准；5. 要解决太阳能电池板安装的角度问题: 要用计算机三维模拟辅助来解决太阳能电池板安装的角度问题,改变工程师“大口一张”北半球正负5度，的错误理念。6. 要解决系统防雷、接地问题，目前很多系统这方工作不到位，这是容易解决的。7. 系统做好后形成这件化管理程序。8. 企业之间技术交流尺度太小了，真正深入的很少，企业之间屏蔽大多，制约科技进步与发展。-13- 宁波赛华新能源科技有限公司智