太阳能活动板房.doc

1、黑龙江农业经济职业学院毕业论文野外太阳能活动板房的设计姓 名： 连 坤 指导教师： 刘宁宁 专 业： 机电一体化技术 班 级： 1 2 2 2014 年 10 月 20 日黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文目 录摘 要 1前 言 21 柴油机-光伏混合供电系统基本组成 31.1 光伏发电系统的基本组成 31.2 柴油机-光伏系统 32. 活动板房电力需求与发电能力分析 32.1 活动板房的电力需求 32.2 电池板发电能力 62.3 活动板房房顶可用面积 73. 野外活动板房电池板安装方案 103.1 多晶硅电池板的选择 103.2 蓄电池的设计与选择 103.3 控制器的选择 123.

2、4 逆变器的选择 12结 论 14参考文献 15致 谢 16黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文0野外活动板房太阳能综合利用摘 要：光伏-柴油机互补发电系统是野外施工活动板房供电的最佳解决方案。本文是针对在国家电网没有覆盖的地区，为满足野外工程施工人员居住的活动板房内基本用电需求而提出的一套太阳能综合利用方案。文章在首先介绍太阳能光伏发电的原理和运作方式的基础上，以北京市的实际情况为例，通过对野外活动板房内的人员和基础设施的用电需求进行统计，对当地气象信息分析和评估，并估算野外活动板房多晶硅太阳能电池板对太阳光辐射能的收集情况，计算出最佳安装倾角、多晶硅太阳能电池板发电量以及实际得到的有效

3、电量，并且给出蓄电池的容量设计方案和其他周边部分的选择原则等。而后进行延伸，得到不同地区的设计模型。为居住在野外活动板房内的施工人员，设计出系统性可靠性强的太阳能综合利用的最优方案。关键词：光伏 ，活动板房，hay 模型，倾角，安装方案。黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文1前 言本课题的研究目的是针对国家电网没有覆盖的地区，设计一套绿色环保、可靠性强的，系统性的太阳能综合利用方案，以满足野外活动板房内的工程施工人员的基本用电需求。对于野外施工人员来说，以往单纯的柴油供电车不但在生活方面会带给工作人员噪音污染，废气污染和安全隐患等等，并且也会对自然环境带来破坏。在我国大力提倡节能环保, 低

4、碳型社会的今天，利用太阳能发电技术，抓住电池板价格滑至低谷的良好机遇，推陈出新，大力提倡新能源的使用和开发，缓解化石能源紧张，是我们共同的的责任。况且目前国内缺少系统性的设计方案，本文会在前人研究的基础上，进行拓展，并总结概括。本课题的创新之处是通用性、自主性和可靠性。就是此设计是一套适用范围广，可选择性高，功能稳定可靠的方案。其通用性体现在本课题的结论适用于多种地域，多种环境。自主性体现在客户可以自主选择发电系统中的各种配件以适应不同的预算需求；可靠性则是太阳能电池板可以高可靠性的运行，并且方便维护。黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文21.柴油机-光伏混合供电系统基本组成1.1 光伏发

5、电系统的基本组成图 1-1光伏发电系统组成图 1-2 光伏-柴油机发电系统组成1.2 柴油机-光伏系统光伏-柴油机互补发电系统(如图 1-2)是由以上几个部分组成：(1)发电部分：主要供电单元由太阳能电池阵列组成，完成光能到电能的转换，并且通过充电控制器部分与直流配电中心完成给蓄电池组自动充电的工作。同时柴油发电机组作为互补备用电源，保证大功率用电设备(冰箱、微波炉等)或电池板电量透支后的系统用电的连续和稳定。(2)蓄电池部分：由多块蓄电池组成，完成整个光伏-柴油机互补系统的电能储备和应急供电任务。(3)充电控制器及直流配电中心部分：由太阳能-柴油机充电控制器、直流中心、控制柜、避雷设备等组成

6、。主要功能是完成光伏系统各部分的连接、组合和对蓄电池组充放电的自动控制，以及负担光伏和柴油机供电之间的互补切换任务，同时监测和控制整个系统的稳定性。(4)逆变器部分：由 UPS 逆变电源组成，有逆变和稳压的功能，把蓄电池或柴油机提供的直流电变换成标准的 220V 交流电，保证交流用电设备的正常用电。(5)直流控制中心部分：由双电源切换配电柜构成，保证在使用太阳能电池板或柴油机发电时，全部负荷由电池板或柴油发电机组供电任务的分配，并向蓄电池组充电。2. 活动板房电力需求与发电能力分析控制器蓄电池组直流负载DC/AC 逆变电源太阳能电池板交流负载太阳能电池板 柴油发电机光电板控制器直流控制中心直流

7、负载 蓄电池组DC/AC逆变电源交流负载交流充电机黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文32.1 活动板房的电力需求本文所研究的活动板房规格为： 彩钢活动板房，如图14.569.12.7m层2-1 所示。一般中型野外作业施工队大概有 60 人左右，大概需要 2-3 个活动板房。板房的屋体结构采用标准模数进行长宽组合和全螺栓连接。以轻型冷弯 C 型钢为钢构主体材料，内外墙体体使用彩钢夹芯板或其它隔热材料，太阳能电池板用螺栓固定在房顶。房屋整体可重复拆装 3次以上，拆装无须重型机械。屋顶集成的太阳能发电系统，所采用的多晶硅电池板使用高强度的强化玻璃包装，可以耐受大冰雹的打击，安装简便，屋体结构可

8、实现一体化设计，如图 2-2。北半球的活动板房需南北正向建设，保证太阳能电池板南向正对，以收集更大量的辐射，安装图如图 2-3 所示。房间利用大致安排为：每间房子大小为 ，每个活动板房3.67.2m的二层和一层部分为住宿所用，按照每个宿舍 6 人标准，一层剩余部分用作办公或贮存室。二层中间有过道，二层有四个宿舍，一层也有一个宿舍，共 5 个宿舍。整个活动板房的宿舍可容纳住宿人数为 30 人。大厅位于一楼左边。办公室位于一楼右边。一楼剩余的一个贮存室可以换为办公室使用。图 2-1 活动板房主视图14400黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文4图 2-2 板房侧视图图 2-3 板房俯视图太阳能

9、电池板黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文5这样的一个施工队每日的电力需求大致情况可以通过如下表格统计得到。用电设备日平均耗电量统计方法：。 iiiQKPhn(2-1)其中 为所有日常用电设备的日平均耗电量； 为同一组用电设备日平均耗电量； 为Q i iP用电设备组中单件用电器的额定功率； 为用电设备组负荷系数(即用电设备的实际负荷与该i设备的额定容量的比值)，一般电器工作时都是在负荷系数 =11.1 之间； 为用电设备组中i in负载数； 为用电设备组平均每日使用时常。活动板房内日平均耗电量大致统计情况，如表 2-1ih所示。表 2-1 一个活动板房的负荷统计表其中表中照明灯为 24V

10、直流高效节能灯。(均)表示此项可由 2 个活动板房公用，且成本均摊。直流电风扇选择 30W，24V 三相直流无刷型，静音，省电，环保。电器用电负荷系数由工业与民用配电设计手册(第三版)得到。照明部分为供电基本保障部分，由 24V，11W 直流高效节能灯承担，电源由控制器直接输送。此类照明灯亮度高，低功耗，安装方便，无需改线路，节能效果显著。室内灯管安装在屋顶，照射立体角为 180 度。按照节能灯的标准，发光效率为 6080lm/W，光通量可达到近 1200lm4。相当于 80W 白炽灯或 24W 日光灯(学生宿舍照明)的水平。完全可以达到室内照明使用标准。2.2 电池板发电能力太阳能电池板发电

11、的能力与很多方面因素有关，其中之一的气象信息是很重要的因素，根据气象信息可以估计一个地区的太阳能可利用程度；根据某地区的位置可以估算太阳能辐射量，负载 类型 in/WiP/kWi/hih/kWhiQiK/kWhQ1 照明灯(直流) 15 15 0.225 5 1.125 1.03 1.1592 计算机(laptop)2 60 0.12 4 0.48 1.05 0.5043 电视机(26 寸 led) 5 100 0.50 3 1.50 1.05 1.5754 无线电台(均) 1/2 100 0.05 3 0.15 1.07 0.16055 卫星接收器(均) 1/2 20 0.01 3 0.03

12、 1.07 0.03216 电风扇(直流) 7 30 0.21 5 1.05 1.03 1.08157 电冰箱(均) 1 90 0.09 10 0.9 1.05 0.9458 电热水器 1 1000 1 2 2 1.05 2.19 其他电器 - 500 0.5 2 1 1.05 1.05总计 最大总功率：2.705kW 最大总用电量： 8.6071kWh黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文6相应的可以得到太阳能电池板的收集能力。下来结合对倾角的优化设计下电池板的对太阳辐照的收集情况，和太阳能电池板的安装条件，即由所选取的多晶硅电池板的规格以及有效安装面积，可以估算出本系统大致的发电能力。2

13、.3 活动板房房顶可用面积从本文研究的活动板房房顶视图中可知，此活动板房的房顶总面积为：(2-2)2=(4.502+.)(3.640+.325)=18.4mS顶其中一面房顶上必须南向安装太阳能电池板，所以有效房顶面积即为一半 69.2055 。2实际安装需要避开房顶的斜面交界处，具体安装面积由板房房顶有效面积和太阳能电池板装机容量共同决定。本课题选择的活动板房房顶的有效面积比较大，理论上可以安装足够多的太阳能电池板。但是光伏系统的装机容量还是要由板房的用电需求和发电能力决定，接下来分析的是活动板房的太阳能组件的发电能力。众所周知，在倾斜面上所接收到的太阳辐射总量 由直接辐射量 、天空散射辐射量

14、THbT及地面反射辐射量 三部分组成，即 7dTHtTH， (2-3)TbdTt与水平面上直接辐射量 之间有如下关系：bTb， (2-4)bbR对于朝向赤道的倾斜面，两者的比值由下式确定：， (2-5)cos()sinsin()si180ctTtTb tsR式中， 是当地纬度， 是方阵安装倾角，太阳赤纬角 可近似表示成： ， (2-6)3602.45sin(8)其中，n 为一年中从一月一日算起的天数。水平面上日落时角：， (2-7)1costans倾斜面上日落时角：， (2-8)1min,t()tatTs有些文献认为天空散射是各向同性的，因而可得出较简单的表达式。实际上，在北半球，南边天空年平

15、均散射辐射量显然要比北半边大，而南半球则正相反，可见天空散射辐射并不是均匀分布的。J.E.Hay 提出了天空散射各向异性的模型，后来有些文献对他的模型又进行了分析。个人认为 Hay 模型比较简洁，也与本文计算使用的软件模型相符合。并具有足够的精确性，适合本课题的设计，其表达式为：， (2-9)1(cos)()2d ddTbo oHHR黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文7式中， 和 H 分别为水平面上散射辐射及总辐射量， 为大气层外水平面上辐射量，它d oH可由下式求出：， (2-10)243601.(cosinsin)5180osc snI 其中 ， 为太阳常数，即 。 scI 27/W

16、m地面反射辐射量的表达式为：， (2-11)1(cos)tTH式中， 为地面反射率，一般情况下 =0.2。 将式(2-4)、(2-9)及(2-11)代人式(2-3)即可得到倾斜面上太阳辐射总量的表达式：。 (2-12)11(cos)()(cos)22d dTbdbo oHHRR其次是要对倾角进行优化设计，得到最佳值，其算法遵循这样的原则：对于确定的地点，如已知全年各月的水平太阳辐射资料，即可确定夏半年和冬半年的月份范围。由式(3-12)算出不同倾斜面上全年各月的太阳辐射量，从而得出夏半年平均日辐射量 H1及冬半年平均日辐射量 H2值，进行分析比较后即可确定最佳倾角。对于光伏方阵的工作情况，通常

17、具体步骤是从( -5)开始，每隔 5 度，到( +25)共取七种不同的倾角进行计算对比。从计算结果可以发现，随着倾角增大，H 1下降很快，而 H2逐渐上升，达最大值后又变小。而全年平均日辐射量 在 附近达最大值，然后又下降。由于各地的 H1、H 2、 变化的快慢不同，最T T佳倾角可以根据以下三种不同情况，分别选取：1在倾角增大时，H 2达到某一最大值，同时始终有 H1 H2，这时就取 H2达最大值时所对应的角度为方阵倾角。2在 H2到达最大值之前，已有 H1 H2这表明夏天的辐射量已削弱太多，倾角不宜过大，这时可取 H1 = H2 时所对应的角度作为方阵倾角。 3在以上角度范围内，始终有 H1 H2，而且倾角越大， 越小，这时方阵倾角可取相应T于 最大值的角度。T本课题的计算选取过程遵循以上原则，利用 hay 模型求出太阳能辐射量。北京的辐射量和安装角度基于 pvsyst 软件求得，详细计算过程如下：根据北京(纬度 39.56)的水平太阳辐射量资料可得到北京的夏半年(辐射量最多的 6 个月)为 4-9 月，冬半年(辐射量最少的 6 个月)为 10-3 月。北京各月太阳能辐射量如表 2-2 所示：表 2-2 北京各月太阳能辐射情况