2012B题数学建模太阳能小屋的设计

数学建模太阳能小屋的设计摘要介绍了浙江省慈溪市天和家园住宅小区 43kW．屋顶太阳能并网光伏发电系统的设计思路， 以及系统的具体功能与配置， 提出了设计中需要注意的问题及具体的解决方案。包括： ①光伏系统提供公用设施用电， 在阴雨天时使用城市电网为公用负荷供电；②光伏系统在小区内局部并网． 不考虑将电能输入上级城市电网；③太阳能电池组件方阵倾角确定为 3O。，选用常州天合光能有限公司生产的 TSM一 175D型高效单晶硅电池组件。分析了组件分组串接原则， 确定了布置方案； ( 并网逆变器选择德国艾思玛 (SMA)公司 SMC6o(》 0rIL 型无变压器集中式逆变器和 SB5o0仇 1．型无变压器多组串逆变器； ( 地下车库照明负荷曲线与日照曲线接近． 因此选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统负荷；⑥ 简介了防直击雷和防感应雷措施．以及选择电缆和设计支架时应考虑的因素；⑦监控系统选用 SMA的 Sunny Boy Control Plus 产品。关键词 住宅小区 并网光伏发电 太阳能电池组件 多组串逆变器 1 项目简介1 ． 1 天和家园住宅小区概况浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积 64 788m2，总建筑面积 13． 4 万 m2。小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈人字形，楼高 22． 2— 22． 86m。计划在天和家园 2O号楼屋顶装设太阳能电池板，建住宅小区太阳能光伏发电示范电站。 2O号楼目前处于在建状态， - 屋顶可利用面积有：西侧平台，面积 87m ；斜屋面， ～ 7 共 7 块，总面积 ( 斜面 )113 ． 9m。；露台，厶一厶共 5 个，总面积 233． 44m 。1-2 设计要求a ．该项目有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求光伏电池组件的安装应保持屋顶的风格和美观， 并与小区及周围环境相协调。b ．该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地下车库西区照明灯 35． 2kW，地下车库东区照明．灯21． 4kW，智能化设备 2kW等。要求在阴雨天气时，’应能使用城市电网为公用负荷供电。c ．光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物业管理，要求节省投资。维护管理方便。2 光伏发电系统运行方式的选择太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类。 即： 独立运行和并网运行 [1] 。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。 由于必须有蓄电池储能装置， 所以整个系统的造价很高。在有公共电网的地区。光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。 并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池， 而将电网作为自己的储能单元。 由于蓄电池在存储和释放电能的过程中， 伴随着能量的损失， 且蓄电池的使用寿命通常仅为 5～ 8 年，报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价， 还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。在建筑密度很大的城市住宅小区中， 能够安装太阳能电池板的面积有限， 住宅小区屋顶光伏发电系统的容量通常远远小于其变压器的容量， 即光伏系统的发电功率始终小于小区负载的功率， 没有剩余电能送入上级城市电网 [2 】。综合考虑， 该光伏发电系统拟采用并网运行方式． 并在小区内局部并网， 不考虑将电能输入上级城市电网， 系统原理图如图 l 所示。采取小区内局部并网 3 系统设计3 ． 1 设计依据该系统的设计依据有： 《光伏系统并网技术要求》 (GB／ T19939— 2005) ；当地气象资料；建设方提供的相关资料及要求等。3 ． 2 光伏系统太阳能电池组件的配置方案3 ． 2． 1 最佳方阵倾角的确定慈溪市介于北纬 3O。 O2 一 3O。 24 和东经 121。 02 一121。 42 之间，处于北亚热带南缘，属季风型气候。平均年日照时数 2 038 小时，太阳年辐射量 4 000 ～ 4 800MJ／ m ，年日照百分率 47％。查阅相关资料可知，太阳能电池组件方阵最佳倾角为 30。。3 ． 2-2 太阳能电池组件的选择与布置3 ． 2-2 ． 1 太阳能电池组件的选择目前，高效晶体硅太阳能电池的光电转换效率已达2l ％以上， 大批量生产的单晶硅光伏电池组件的光电转换效率也已达到 14％以上。该系统选用了常州天合光能有限公司生产的rlSM 一 175D型高效单晶硅电池组件．其外形如图 2 所示。TSM 一 175D型电池组件技术参数如下，峰值功率：Pm=175WP；开路电压： =43 ． 58V；最佳工作电压： =36． 2V；短路电流： 厶 =4． 97A； 最佳工作电流： ， m=4． 85A； 重量： G=16kg；尺寸：长×宽×厚 =l 581 mm× 809mm × 40mm。3 ． 2． 2． 2 太阳能电池组件的布置将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时， 与建在边远地区、 荒漠地区的独立光伏电站有很多不同点， 不能简单地将太阳能电池方阵按最佳倾角的要求布置， 必须要充分考虑与周围环境的协调和美观。根据建设方提供的加号楼屋面图 ( 参见图 3) 以及现场考察情况，电池方阵布置方案如下：a ．西侧平台面积 87mz。采用锯齿型方阵。共安装组件36 块，方阵倾角为 30o。功率为： 175Wp× 36=6 300W 。b ．斜屋面 一，共 7 块小屋面可安装太阳能组件，总面积 ( 斜面 )113 ． 9m：，与斜屋面平行安装组件 87 块，方阵倾角为斜屋面坡度 31。。功率为： 175W × 87=15 225Wp。c ．顶层露台上方装饰性花架有厶一共 5 个可安装太阳能组件。面积 233． 44m。，考虑露台的采光和建筑的整体布局和美观。 将露台上方装饰性花架前半部分空出一定面积， 保持装饰性花架的原貌，后部约有 163 m2 安装组件，共安装组件 126块，为减少风压及屋顶的美观，方阵倾角为 7。。功率为：175Wp× 126=22 050Wp。该布置方案共安装了 1’ SM一 175D型高效单晶硅太阳能组件 249 块， 总功率为 43 575W。 ， 设计按 43kWp配置、计算3 ． 2． 3 太阳能组件的分组串接从系统效率考虑， 直流电压越高效率就越高， 住宅用电电压为 220～ 400V。安装组件时原则上要在同一日最低的组件影响导致整体输出严重下降。 该方案屋面布置的太阳能电池组件在安装后的光照有两种情况：a ．平台、露台上方装饰性花架安装的组件将不会受到建筑物等的挡光影响；b ．斜屋面安装的组件在每天的不同时间段，其光照将会受到不同方向建筑的一定影响。为了将组件串接后的热斑效应损耗降到最低， 受到不同方向建筑物影响的组件进行分组。 将受到相同方向建筑物影响的组件归为一组。并且在系统中采用多组串逆变器 ( 在后面的逆变器中详述 ) 。为了平衡逆变器的功率，每台多组串逆变器都接入了多组的组件。由多组串逆变器的每路 MPPT(最大功率跟踪 ) 电路对每路组件进行最大功率点跟踪， 从而使因挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。电池组件分组数参见图 3 所示 ( 电池组件被圈的为一组 ) 。3 ． 3 并网逆变器选择与配置方案3 ． 3． 1 并网逆变器的选择并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备． 其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电， 并把电力输送给与交流系统连接的负载， 同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能， 即： ①尽可能有效地获取因天气变化而变动的太阳能电池方阵输出所需的自动运行和停机功能， 以及最大功率跟踪控制功能； ②保护电网安全所需的防单独运行功能和自动电压调整功能 ③ 电网或并网逆变器发生异常时， 安全脱网或停下逆变器的功能。 已进入实用阶段的并网逆变器的回路方式有电网频率变压器绝缘方式、 高频变压器绝缘方式和无变压器方式 3 种。其中无变压器回路方式因在成本、尺寸、质量和效率等方面具有优势而被广泛采用。 该系统的并网逆变器选用德国艾思玛公司 (SMA)生产的 Sunny Mini Central 系列 SMC6000TL型无变压器集中式逆变器和 Sunny Boy 系列 SB50OOTL Multi — String~ 无变压器多组串逆变器， 具有过压保护、 对地故障保护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保护等完善的保护功能，并具有内置逆变采集器和 RS485、 RS232通信接口，可方便地获取逆变器的运行参数 ( 直流输入电压和电流、交流输出电压和电流、功率、电网频率等 ) 。其技术参数如表 1 所示。多组串逆变器采用了每路独立的最大功率跟踪， 可以处理不同朝向和不同型号的光电组件， 也可以弥补不同连接串中的光电组件数量和部分阴影的影响。 因而可以有效地避免屋面安装的组件因阴影引起的功率损失。3 ． 3． 2 逆变器与电池组件的分组匹配逆变器与电池组件的分组串接如图 4 所示。 在标准测试条件下逆变器所接入的每路组件数量、 输入电压、 功率如表 2 所示。对照表 1 可知，该方案逆变器与电池组件的配置是合理的，满足要求。 3． 4 太阳能光伏发电系统负载的选择从严格意义上来讲。并网光伏发电系统是将整个城市电网作为自己的储能单元，因而，光伏系统所带负荷是任意的，不存在选择问题。但由于我国《可再生能源法》刚刚于 2006 年 1,q 1 日实施，《可再生能源法》 的“上网电价法”和“全网平摊”法规尚未实施， 这就带来了住宅小区移交物业管理后电费管理上的困难。 因而， 为了更好地保证上级城市电网的安全， 方便管理， 太阳能并网光伏系统负载的选择原则应是使屋顶并网光伏系统的发电功率小于所带负载的用电功率， 并且尽可能使负载的用电时间与光伏系统的发电时间相匹配。 天和家园设置了高压环网站一座， 在小区各负荷点设置了 7 个箱变． 其中 2 箱变为 800 kV· A， 6 箱变 l ooO kV． A．其它均为 630 kV· A。与光伏系统公共接入点相连的箱变变压器容量为 630kV· A，主要供小区公用负荷用电。天和家园公用负载主要有：地下车库西区照明灯 35． 2kW，地下车库东区照明灯 21． 4kW，智能化设备 2 kW，以及小区景观灯、围墙灯等。地下车库照明负荷曲线与太阳光日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统的负荷。 总负荷功率为 58． 6kW，大于光伏系统的峰值功率 43kW ，且所安装的光伏系统峰值功率 43kW。不到所连 4#箱变容量的 10％，保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。’3 ． 5 防雷设计3 ． 5． 1 防直击雷措施直击雷是指直接落到太阳能电池阵列、低压配电线路、电气设备以及在其旁的雷击。防直击雷的基本措施是安装避雷针。由于该光伏系统中的外置设备在整个环境中不是最高建筑物， 所以设计为： 把所有屋顶电池组件的钢结构与屋顶建筑的防雷网相连，以达防雷击的目的，并符合《光伏 (PV) 发电系统过电压保护一导则》 (SJ／ T11127)中有关规定。3 ． 5． 2 防感应雷措施太阳能光伏发电系统的雷电浪涌入侵途径， 除了太阳能电池阵列外。还有配电线路、接地线以及它们的组合。从接地线侵入是由于近旁的雷击使大地电位上升， 相对比电源高， 从而产生从接地线向电源侧反向电流引起的。根据 sJ／ T11127 中有关规定。该系统主要采取以下措施：。a ． 在每路直流输入主回路内装设浪涌保护装置， 并分散安装在防雷接线箱内。 屋顶光伏并网发电系统在组件与逆变器之间加入防雷接线箱， 不仅对屋顶太阳能电池组件起到防雷保护作用。还为系统的检测、维修、维护提供了方便。缩小了电池组件故障检修范围。该设计选用了 IP65 防护等级的 TRI— FL 型接线箱。并随组件方阵直接安装在室外。其接人方式参见图 4。b ． 在并网接人控制柜中安装避雷元件， 以防护从低压配电线侵入的雷电波及浪涌。并网控制柜原理图参见图 5 所示。3 ． 6 电缆选择组件之间的连接电缆和组件与逆变器之间的电缆都使用在户外，直接暴露在阳光下，因此，该光伏系统直流部分选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的 DCEYHR系列电缆，以保证系统长时间的安全正常运行。3 ． 7 支架设计慈溪地区为沿海地区。 在抗风压以及抗腐蚀方面采取了以下措施：a ．所有支架采用国标型钢，多点结合，即：增加钢支架与屋面结构和相关承重结构的连接点， 将受力点均匀分布于各承重结构上。按抗 l2 级台风要求进行力学设计计算．各连接点选用特制型钢和不锈钢螺栓连接。b ． 所有支架都采用热镀锌， 局部外裸部分喷涂氟碳涂料来有效防腐。3 ． 8 监控系统设计该监控系统选用德国艾思玛公司 (SMA)配套生产的Sunny Boy Contwl Plus 产品，具有强大的监控功能：a ． 监控系统内置可连接外部传感器的输入测量端口和操作界面。包含 8 个模拟量 ( 如温度、辐照度、气压、湿度等 )和 8 个数字量 ( 如风速、智能电表等 ) 输入接口。b ． 通过 RS485通信总线与逆变采集器相连接， 获取每组光伏组件的发电情况和每台逆变器的发电功率。e ．监控系统可以存储数据，记录 250 个数据通道，可以显示实时运行状况，分析运行数据。d ． 监控系统可以连接外置显示屏昆示户外系统运行情况。也可以与远程监控器相连，实现无线远程连接，远程管理员通过普通手机即可了解到系统的运行情况。4 结束语a ． 该设计方案充分考虑了各种因素和要求， 在遵循国家标准系统并网技术要求》 的前提下， 充分体现了其科学合理性、经济性、美观性、示范性、人性化等特点．选用的高效率单晶硅电池组件、高效率并网逆变器、多组串逆变器、监控系统 ( 可拓展到远程监控 ) 等也充分反映了这些特点，达到了最佳效果，有着较好的示范性和影响力。目前该工程正在申报国家示范性项目。b ．太阳能是一种清洁、可再生能源，太阳能光伏发电实现了直接将太阳能转化为电能。我国人 LI 众多。人均能源资源量较低， 发展可再生能源是落实科学发展观的必然选择。 其中太阳能发电是最有前景的技术之一， 从环境保护和能源战略上都具有重大意义。c ．将太阳能光伏发电技术应用于城市住宅小区建设项目，国内目前尚无先例。我国新能源法已从 2OO6年 1 月 1 日正式实施， 随着“上网电价法”和“全网平摊”等法规的进～步实施， 光伏发电的成本将接近于商业化， 这必将极大地推动我国光伏产业的发展． 相信不久的将来， 我国民用建筑物的屋顶太阳能并网光伏发电系统将会得到广泛的应用 [3I 最佳利用型太阳能光伏发电方案——通讯供电系统节能减排2009 年 12 月，《联合国气候变化框架公约》第 15 次缔约方会议在丹麦哥本哈根召开。会议对《京都议定书》一期承诺于2012 年到期之后全球应对未来气候变化的行动进行了激烈的讨论，并发表了《哥本哈根协议》。按照该协议，工业化国家应在2010 年 1 月 31 日之前向公约秘书处提交经济层面量化的 2020年排放目标， 发展中国家应提交在可持续发展的情况下计划实行的延缓气候变化举措。截至 2010 年 3 月末，据联合国消息，《联合国气候变化框架公约》 秘书处表示， 已经有 70 多个缔约方做出了到 2020 年的温室气体减排承诺，这些国家的排放量之和占世界总量的 80%以上。 其中 41 个工业化国家已经正式通告了它们到 2020 年的减排目标，另外 35 个发展中国家也已经宣布了各国在获得资金和技术支持的前提下计划采取的减排行动。节能减排是贯彻落实科学发展观、构建和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整， 转变增长方式的必由之路； 是维护中华民族长远利益的必然要求。 中国“十一五”规划纲要提出了“十一五”期间单位 GDP能耗降低 20%左右，主要污染物的排放总量减少 10%。通讯系统耗能逐年增加，信息产业已成全球第五大耗能产业，亟待大力推动节能减排。早在两年前，信产部就宣称：单就通信行业来讲， 我国通信行业年耗电超过 200 亿度以上， 已经成为一个高耗能行业。 重视通信系统节能减排， 不但有利于运营节约成本，更能实现增长方式转变，提高企业可持续发展能力，同时节能减排也是运营企业所应承担的社会责任。自 1954 年恰宾和皮尔松在贝尔实验室第一次研制出实用的单晶硅太阳电池开始， 经过半个多世纪的发展， 晶体硅太阳能光伏组件已经成为成熟的商用化产品。 太阳能光伏发电在通讯供电领域的应用也经过了多年探索。 由于太阳能光伏发电有不受地域限制的特点， 与风能发电等其他“绿色”能源相比， 太阳能光伏发电占据了通讯系统节能减排最重要的地位。中兴通讯在太阳能光伏供电应用方面积累了丰富的经验， 在已执行的海外通讯项目中， 累计在网运行的太阳能光伏发电总容量超过 10 兆峰瓦（ 1 兆 =106）。 2009 年 6 月，中兴通讯应邀提供了上海世博会场馆移动通信基站的太阳能光伏供电解决方案。本着节能减排最大化， 充分利用太阳能资源的原则， 特别推荐了“最佳利用型”太阳能光伏供电解决方案。 最佳利用型太阳能光伏供电系统结构示意图如图一。图一最佳利用型太阳能光伏供电系统结构世博会场馆移动基站对太阳能供电要求的特点：需要考虑社会效益，最大化降低全年碳排放量；上海地区各月太阳辐照量差别较大；热点通信地区基站功耗较大；组件安装方式需要根据现有建筑条件设计；对通信供电可靠性要求特别高。设备功耗表：功率 (W) 每天工作时间 (Hr) 耗电量 (WHr) BTS 900 24 21600 传输设备 50 24 1200 照明等 50 24 1200 全天耗电量 24000 上海地区地理位置信息和气象资料：纬度： 31° 13 48“N ；平均海拔： 7m。月份 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 辐照量kWh/m2/day 2.61 3.08 3.54 4.46 5.05 4.64 5.15 4.82 4.09 3.47 2.91 2.56 透明度0.46 0.44 0.41 0.44 0.46 0.41 0.46 0.46 0.45 0.46 0.48 0.49 温度( ° C)4.92 5.94 9.05 13.92 18.47 22.25 25.84 25.74 22.7 17.91 12.74 7.26 根据“最佳利用型”太阳能光伏供电解决方案设计原则， 按照全年能接收到的最大太阳辐射量设计光伏阵列安装倾角， 最大化利用太阳能资源， 减少碳排放量； 光伏不足部分能量由市电提供，确保基站供电 CAPAX（资本性支出）和 OPAX（运营性支出）均最低； 按照蓄电池备份供电时间 3 天设计蓄电池容量， 延长蓄电池使用寿命和供电高可靠性。由此计算得出太阳能方阵最佳倾斜角为 30°（朝向正南）。更进一步可绘出不同倾斜角时的日均太阳辐射能：图二不同倾斜角的日均太阳辐射能通过一系列的运算，太阳能光伏组件配置需要 40 块 175Wp（ 7kWp），蓄电池组配置 3 组 800AH胶体电池（ GEL）。然后进行太阳能光伏组件容量配置验证：图三太阳能光伏发电量由图三可以看出，“最佳利用型”太阳能光伏供电方案中，太阳能光伏发电量只在太阳辐照量最多的月份恰好满足负载消耗， 而其他月份的发电量均不足以维持负载供电。 太阳能光伏发电量不够负载耗电量的部分， 通过供电系统中太阳能充放电控制器的控制， 自动由市电补充供给。 市电补充供电量只占负载总耗电量的 8%，说明此方案最大程度的利用了太阳能光伏发电能力。太阳能光伏发电全年累计为负载供电 8488.3kWh。按照单位发电量需要平均碳排放量 0.785kg/kWh 计算， 每年可以减少 CO2排放量约 6.7 吨，相当于减少燃烧约 4.8 吨煤。综上所述， 太阳能光伏发电系统， 采用中兴通讯长期深入研究和工程实践而提出的“最佳利用型”解决方案， 可以实现通讯供电系统最大化的节能减排。