太阳能离网系统设计

离网系统设计离网系统方案一、 项目基本信息客户信息项目名称 兆维信源监控供电项目地址 内蒙古乌兰察布盟客户名称客户地址电话传真邮箱备注设计方信息公司名称 北京康利亚科技有限公司公司地点 北京昌平设计人员设计时间 2013-9-26 电话 15801579901 传真邮箱备注离网系统设计二、现场信息工程位于 内蒙古 乌兰察布市 / 化德 内， 北纬 41.9 ， 东经 114， 海拔 1484m。通过 国际通用卫星数据 库得到以下气象信息，作为系统设计的依据。月份水平面上的平均日辐射风速 大气压力 月平均温度kWh/m2/日 米 / 秒 KPa ℃一月 2.51 3.9 87.33 -14.6 二月 3.49 3.9 87.25 -11 三月 4.8 4.2 87.01 -4.1 四月 5.98 4.7 86.73 4.9 五月 6.55 4.1 86.64 12.2 六月 6.45 3.6 86.4 16.9 七月 6.02 2.9 86.38 19.1 八月 5.41 2.7 86.72 17.6 九月 4.81 3.1 87.11 12 十月 3.73 3.6 87.39 4.4 十一月 2.69 4 87.43 -5.2 十二月 2.2 3.9 87.46 -12.4 年平均 4.55 3.72 86.99 3.32 离网系统设计三、负载统计3.1 统计方式统计方式分为按年统计、 按季度统计、 按月统计三种， 负载全年用电均衡可直接按年统计， 各月或各季度用电差别大可按月或按季度进行统计， 考虑工程实际情况，此处 按年统计 。3.2 负载类型负载类型分为普通性负载和特殊性负载， 普通性负载和特殊性负载的区别在于对供电系统的可靠性的要求， 普通性负载允许全年中存在缺电的现象， 而特殊性负载要做到全年一分钟都不停电，比如极为重要的通信设备、灾害测报仪器、军用装备等。 特殊性负载的太阳能供电系统投资要远大于普通性负载， 所以在选择负载类型时要确定负载对供电系统可靠性的要求， 避免造成不必要的浪费。 考虑工程实际情况，将负载作为 特殊性负载 设计。3.3 负载统计负载统计列表负载名称负载类型负载数量额定功率 W 每天工作时间工作电压可能起始工作时间可能终止工作时间全年枪机监控感性负载1 24 24 小时DC 12V 0 点 23 点离网系统设计四、系统优化系统优化的主要目的是得到各月倾斜面上的平均辐射量 Ht、最佳的阵列倾角 β best、 最佳工作电流 I best、 蓄电池理论容量 B， 以下对相关计算做如下介绍1、各月倾斜面上的平均辐射量 Ht任 意 倾 角 任 意 方 位 的 光 伏 阵 列 倾 斜 面 月 平 均 辐 射 量 采 用 Klein 和Theilacker1981提出的天空各向异性模型， 此种计算方法是国际上公认及最常用的计算方法，模型做以下简述，详细请查阅相关文献，具体内容不再赘述。公式 4、 Ht Hbt Hdt Hrt 公式 5、 Ht1 fβ ， γ ， ρ ， N， E， Hbt， Hdt 公式 6、 Ht2 fβ ， γ ， ρ ， N， E， Hbt， Hdt 公式 7、 Ht3 fρ ， N， E， Hbt， Hdt 注具体解释、定义及图释Ht 倾斜面上的月平均辐射量Ht1 固定式倾斜面上的月平均辐射量Ht2 单轴跟踪倾斜面上的月平均辐射量Ht3 双轴跟踪倾斜面上的月平均辐射量Hbt 直接太阳辐射量Hdt 天空散射辐射量Hrt 地面反射辐射量β 倾斜面与水平面之间的夹角γ 倾斜面的方位角ρ 地面反射率，取值为 0.2见附表 N 当地纬度E 当地经度不同地表状态的反射率地面状态 反射率 地面状态 反射率 地面状态 反射率沙漠 0.24～ 0.28 干湿土 0.14 湿草地 0.14～ 0.26 干燥地带 0.1～ 0.2 湿黑土 0.08 新雪 0.81 离网系统设计湿裸地 0.08～ 0.09 干草地 0.15～ 0.25 冰面 0.69 2、最佳的阵列倾角 β best、最佳工作电流 I best、蓄电池理论容量 B计算建立了模拟电流及倾角的数学模型， 对某一倾角下的电流模拟， 得到最佳电流 I best，对所有倾角模拟，得到最优倾角 β best，确保了计算的精确性。以下列出了最佳电流、最佳倾角的逻辑关系式及计算公式。公式 8、 I best f D1， D， γ ， β ， Imin， Imax， 0.01 公式 9、 β best f I best， β n 公式 10、 Bt Σ| -Δ QiQL| / DOD* η 2公式 11、 D1 Σ| -Δ Qi| / QL公式 12、 QLΣ P * h/ U 公式 14、 Δ QQg-Qc QgN*I*Ht* η 1*η 2 QcN*QL公式 15、 IminQL/Htave *η 1*η 2 公式 16、 ImaxQL/Htmin* η 1*η 2I best 方阵某一倾角或跟踪方式下的最佳电流 改变 I 得到 I best的循环函数 β best 最佳倾角，注双轴跟踪时无此计算 改变 β 得到 β best的循环函数 Bt 蓄电池理论额定容量U 蓄电池工作电压QL 各月负载平均日耗电量D 蓄电池维持天数Qg 方阵各月发电量Qc 负载各月耗电量Δ Q 蓄电池各月盈亏量 当特殊性负载时，即全年各月 ΔQ ＞ 0 Σ| -Δ Qi| 蓄电池各月累计盈亏量 以 24 个月为单位 i 24 组蓄电池累计盈亏量Imin 方阵输出的最小电流Imax 方阵所需输出的最大电流I 方阵实际工作电流 在 Imax与 Imin之间，每次循环增加 0.01 η 1 从方阵到蓄电池输入回路效率；离网系统设计η 2 蓄电池到负载的输出回路效率；Htmin 方阵面上 12 个月中平均太阳辐照量的最小值Htave 方阵面上 12 个月中平均太阳辐照量的平均值N 当月天数Ht 该月倾斜面上的太阳辐照量D1 与维持天数的比较值 D1 与 D 相比较 ,接近最最佳电流 DOD 蓄电池的放电深度P 负载额定功率h 负载工作时间4.1 跟踪方式确定阵列的跟踪模式分为平铺固定、倾角固定、单轴跟踪、双轴跟踪四种方式，此处采用 倾角固定 式。 根据上述公式计算及综合考虑，阵列倾角为 51，阵列方位为 0。4.2 最佳电流、蓄电池容量计算在蓄电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。通常普通太阳能蓄电池放电深度在 50 80，若放电深度超过标定值，蓄电池性能和寿命将受到很大影响。根据工程实际情况确定放电深度为 75。蓄电池维持天数即在连续阴雨天情况下， 蓄电池可维持系统运行的天数。 提高蓄电池维持天数可提高系统的可靠性， 但也会相应的增加投资， 根据当地连续阴雨天数，确定蓄电池维持天数为 10 天。例如学校、 部分企业等周末几乎无需供电的单位， 可通过设置负载每周工作天数来减少不必要的投资， 做到供电系统的最优化设计。 根据工程需要， 此处确定每周工作天数为 7 天。根据上式计算得到最佳电流为 11.6026 A，蓄电池理论容量为 666.67 A2h，理论维持天数为 10 天。离网系统设计月份水平面上的日辐射量kWh/m 2/ 日 阵列倾斜面上的日辐射量kWh/m 2/日 一月 2.51 5.33 二月 3.49 5.74 三月 4.8 6.13 四月 5.98 6.05 五月 6.55 5.64 六月 6.45 5.22 七月 6.02 5.01 八月 5.41 5.05 九月 4.81 5.48 十月 3.73 5.57 十一月 2.69 5.27 十二月 2.2 5.04 离网系统设计五、蓄电池设计蓄电池设计主要是根据选择的蓄电池确定蓄电池组的串联数及蓄电池组的并联数， 计算过程中需要考虑温度及放电率对蓄电池的影响， 以下对蓄电池组的串联数 Nc、蓄电池组的并联数 Qc 及蓄电池选择的原则做简要介绍公式 1、 Nc Bc/C 公式 2、 QcU/Udc 公式 3、 BcBt*1 - 25- E* α *β原则 1、 C* Qc≥ Bc原则 2、 Udc* Nc U Nc 蓄电池组串联数Qc 蓄电池组并联数Bc 蓄电池组修正后的需求容量C 蓄电池额定容量U 蓄电池组电压Udc 蓄电池额定电压Bt 蓄电池组理论额定容量E 冬季蓄电池工作温度α 温度对容量的修正系数 n≥ 10 α 0.006 ， 10＞ n＞ 1 α 0.008， n≤ 1 α 0.01 β 放电率 n 对容量的修正系数 见附表 放电率 n 对容量的修正系数 β 插入取值 放电率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 24 β 0.51 0.61 0.75 0.78 0.83 0.89 0.90 0.93 0.97 1 1.05 1.1 一般而言， 深循环蓄电池的最大允许放电深度为 80％。 如果在严寒地区， 就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正。 如果放电率偏离额定容量的放电率过大， 也需要进行放电率修正。 设计时可以适当的修正蓄电池的容量， 以延长蓄电池的使用寿命。当温度降低的时候， 蓄电池的容量将会减少。 温度修正的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照 25℃标准情况算出来的容量值， 从而使得设计的蓄电池离网系统设计容量能够满足实际负载的用电需求。放电率是考虑到过快的放电率无法从蓄电池中得到额定的容量， 而慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。 使用供应商提供的数据， 可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。所以使用修正后的需求容量与蓄电池实际总容量进行比较，使设计更为精确。5.1 蓄电池选择蓄电池选用 12180 型号蓄电池，具体参数如下蓄电池参数额定电压 V 12 长 mm 522310h 率容量 25 ℃ 180 宽 mm 2402单体电压 V 2 高 mm 2182单体数量 6 重量 kg 65.5 单体均充电压 25 ℃ 2.36 比重 kg/kWh 32.98 温度补偿 mV/ ℃ / 单体 -4 比容量 Wh/kg 30.32 5.2 设计结论共用 12180 型号蓄电池 4 块， 1 串 4 并，接入控制器。根据蓄电池冬季工作温度为 5℃，负载平均放电率为 320h，得到蓄电池修正后需求容量为 678.79 Ah 蓄电池实际总容量为 720Ah 满足设计要求蓄电池组电压为 12V 蓄电池串联电压为 12V 离网系统设计满足设计要求六、组件方阵设计组件方阵设计主要是根据选择的组件确定组件的串联数及组件的并联数， 计算过程中需考虑组件工作温度对组件电性能参数的影响，以下对组件的串联数Ns、组件的并联数 Np 及组件选择的原则做简要介绍公式 1、 Ns Uf Ud Uc/ Vmp f 公式 2、 Np Ibest / Imp 公式 3、 f fe K * S 公式 4、 Vmp f Vmp 1 γ △ T ㏑ e β △ S 公式 5、△ T T – T f 公式 6、△ S S / S f – 1 原则 1、 Ns * Vmp f ≥ Nc * Uf Ud Uc 原则 2、 Np * Imp ≥ I best Ns 组件串联数Np 组件并联数Nc 蓄电池串联数Imp 组件最大功率时电流Uf 蓄电池均充电压Ud 二极管压降Uc 其他因素引起的压降f 为组件的工作温度fe 为任意的环境温度S 为倾斜面辐照度K 0.025℃㎡ /W Vmpf 任意温度及辐照度时组件最大功率时电压 此处取冬季温度 Vmp 标准测试条件下的最大功率时电压T 标准测试条件下组件工作温度 25℃Tf 任意组件工作温度 此处取冬季温度 S 标准测试条件下的辐照度 1000W/㎡离网系统设计Sf 冬季温度下相应辐照度γ 开路电压温度系数e 常数β 0.5 Imp STC 下组件最大功率时电流组件的工作温度影响组件的电性能参数， 为使设计更加缜密， 计算过程中运用组件夏季或冬季工作温度下的电性能参数， 而不是标准测试条件下的电性能参数。 光伏组件在标准测试条件下的电性能参数 辐照度 1000W/㎡ AM1.5 电池板温度 25℃ 不能代表该光伏组件在工作时的实际数据。6.1 组件选择组件选用 110W型号组件，具体参数如下表组件参数最大额定功率 Wp 110 功率公差 3最大功率时电压 V 17.2 组件转化效率 12.51 最大功率时电流 A 6.40 开路电压温度系数 / ℃ -0.35 开路电压 V 21.2 功率温度系数 / ℃ -0.5 短路电流 A 6.92 短路电流温度系数 / ℃ 0.04 系统最大电压 V 1000 标准组件发电条件 ℃ 472长 * 宽 * 厚 mm 1088*808*35 附图 I V曲线离网系统设计附图 P V曲线6.2 设计结论共用 110W型号组件 2块， 1串 2并，接入到控制器。离网系统设计蓄电池充电电压为 14.04 V 阵列输出电压 60℃ 为 14.34 V 满足设计要求最佳工作电流为 11.6026 A 阵列输出电流 STC为 12.8 A 满足设计要求七、控制器设计原则 1、控制器光伏支路应能承受 1.2～ 1.3 倍的光伏阵列短路电流原则 2、蓄电池组支路应能承受 1.2～ 1.3 倍的蓄电池组充电电流原则 3、输出回路应能承受 1.3～ 1.5 倍的系统最大负载电流原则 4、同时控制器应能承受 1． 5～ 2 倍的系统额定直流电压控制器光伏支路应能承受 1.2 ～ 1.3 倍的光伏阵列短路电流，蓄电池组支路应能承受 1.2 ～ 1.3 倍的蓄电池组充电电流， 输出回路应能承受 1.3 ～ 1.5 倍的系统最大负载电流；同时控制器应能承受 1． 5～ 2 倍的系统额定直流电压。7.1 控制器选择控制器选用 20A-12V 型号控制器，该控制器产品主要参数如下控制器参数组件输入侧 负载输出侧额定电压 V 12 额定电压 V 12 额定充电电流 A 20 额定放电电流 A 20 阵列输入控制器路数 1 控制负载路数 1 每路阵列最大电流 A 20 每路放电电流 A 20 过高保护电压 V 17 过放保护电压 V 11.1 离网系统设计过高恢复电压 V 15 过放恢复电压 V 13.1 其它均衡电压 V 14.4 电压降落 光伏阵列与蓄电池 0.26 提升电压 V 14.6 电压降落 蓄电池与负载 0.15 浮充电压 V 13.6 温度补偿 4mv/℃ /2V7.2 设计结论共用 20A-12V 型号控制器 1 台。蓄电池组电压为 12V 控制器额定电压为 12V 满足设计要求光伏阵列每路短路电流为 13.84 A 控制器每路充电电流为 20A 满足设计要求八、设备及材料清单所有设备及材料清单如下表所示设备及材料名称 型号 数量 单位一、发电设备光伏组件 110W 2 块组件支架 定制 220 W 控制器 LSL20A-12V 1 台蓄电池 DGM12180 4 块蓄电池地埋箱 180AH-12 4 台控制箱 110-17.5 1 台二、其他离网系统设计九、能量平衡模拟各月盈亏量月份 盈亏量 Δ QA2h 月份 盈亏量 Δ QA2h一月 258.1 七月 153.27 二月 354.44 八月 166.37 三月 520.18 九月 297.33 四月 478.03 十月 336.72 五月 359.65 十一月 230.75 六月 214.9 十二月 163.09 附图能量平衡模拟图从能量平衡模拟图中可以形象的看到各月的发电量和耗电量， 当发电量小于耗电量的时候进入亏欠期， 亏欠期内亏欠的电量需蓄电池来补充。 从各月亏欠量表中可以直观的看到各月的盈亏量， 结合放电深度模拟， 可以详细的了解系统工离网系统设计作时各个月份的工作状态。十、放电深度模拟各月荷电态 充电 / 放电 月份 荷电态 充电 / 放电 月份 荷电态 充电 / 放电一月 100 / 92.9 七月 100 / 92.9 二月 100 / 92.9 八月 100 / 92.9 三月 100 / 92.9 九月 100 / 92.9 四月 100 / 92.9 十月 100 / 92.9 五月 100 / 92.9 十一月 100 / 92.9 六月 100 / 92.9 十二月 100 / 92.9 附图放电深度模拟图从荷电态图中可以形象的看到各月蓄电池内的剩余容量， 与其相对应的是蓄离网系统设计电池的放电深度，在蓄电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。通常普通太阳能蓄电池放电深度在 50 80，若放电深度超过标定值，蓄电池性能和寿命将受到很大影响。从荷电态图可以直观的了解系统的优化程度。十一、节能减排二氧化碳是造成全球变暖的祸首， 引发了一系列环境问题， 为此， 我国签署京东议定书 ，并根据联合国报告减少 20的碳排放。太阳能光伏发电能够实现近乎为零的碳排放量，能够有效控制我国在生产生活中的二氧化碳排放。公式 1、 EsΣ P*n 公式 2、 Scoal Es*Ci， Sco2 Scoal*Ci， Sso2 Scoal*Ci， Sno Scoal*Ci， St Scoal*Ci Es 每年节约电量Ci 相应转化系数及节能参数Scoal 每年节约标准煤Sco2 每年减排 CO2 Sso2 每年减排 SO2 Sno 每年减排氮氧化物St 每年减排粉尘P 负载功率n 负载全年工作时间根据以上公式计算 此工程的节能减排效应如下每年节约电量 210.24 KWh 每年节约标准煤 0.07 t 每年减排 CO2 0.182 t 每年减排 SO2 0.00168 t 每年减排氮氧化物 0.000651 t 每年减排粉尘 7E-05 t 离网系统设计十二、财务分析项目费用名称 数量 单位 单价 元 总价 万元 光伏组件 2 块 660 0.13 组件支架 220 W 1.5 0.03 控制器 1 台 480 0.05 蓄电池 4 块 2160 0.86 控制箱 1 台 500 0.05 线缆、线缆敷设及其它 1 项 800 0.08 场地处理 1 项 200 0.02 总计 1.22 备注1， 含税、出厂价格；货物可集中后送至贵公司北京单位，进行包装及物流处理；2， 地埋储能部分基础图纸请参阅附件，根据高寒地区需加强保温深度处理，保证在冬季土地冻层以下。不像我们城市架设在杆体上面。根据以上蓄电池配置，地埋储能保温箱费用约等于 2650 元。3， 现场安装工程费用 300 元 / 天 / 人；此工程需 2 人。