多功能太阳能停车棚的设计

多功能太阳能停车棚设计 摘要：本项目利用太阳能光伏阵列发电，电能可用于给电动车辆的充电，也可用于给笔记本电脑、手机等便携设备充电和使用，夜间还可提供节能照明。系统节能环保，减少二氧化碳排放，符合低碳经济、绿色环保的全球性发展趋性。 本项目需要完成多功能太阳能停车棚的设计，其中包括结构设计、电能变换系统、节能照明及控制系统、储能及充放电控制系统和总体设计。 关键词：太阳能、光伏阵列、电动车充电、逆变器、蓄电池。  Abstract: We use solar energy photovoltaic array to generate electricity, the electricity can be used to charge for electrically driven vehicle, laptop, mobile phone and other portable equipment. It can also provide power for illumination at night. The system is energy saving and environmentally friendly. It lets out less carbon dioxide and accords with the trend of low carbon(LC) economic and the globalization of green environment.   We will achieve the designing of multifunction solar motor pool which includes structure design, electric energy transformation system, energy conservation illumination , control system, energy storation and charge-discharge control system and the totally design. Keywords: Solar energy, photovoltaic array, charging for electrically driven vehicles, iverter and storage battery. 一、结构设计 在进行光伏阵列设计时，为了能让光伏阵列更多地获取太阳辐射能量和更多的日照时间，除了提高光伏阵列材料的能量转换效率等问题外，还要考虑放置光伏阵列方位和倾斜角的最佳设计。这些设计都要涉及相关的各种太阳角等变量的计算问题。   太阳光线与光伏阵列表面法线之间的夹角，称为太阳入射角θ。对于光伏阵列表面来说，从任意角度入射的太阳光线均可分解为垂直分量和水平分量两部分，其中只有垂直分量的辐射可以被有效吸收，而平行分量则对于获取太阳能能量毫无价值。所以通常希望太阳光入射角θ越小越好。 下面用三角函数的计算形式分别列出各种有关太阳角变量之间的关系。公式中符号对应变量如下：太阳入射角θ、光伏阵列倾斜角β、光伏阵列方位角γ、太阳赤纬度δ（赤纬度是地心与太阳中心的连线与天赤道之间的夹角，反应了地球绕太阳公转的规律，春分或秋分时候，太阳直射在赤道，δ为0，夏至时δ=23°27′，冬至时δ=-23°27′）、当地纬度、太阳时角θh、太阳高度角α、太阳方位角。 1.1高度角 任意条件下的太阳高度角α为   （1） 在这里我们不考虑时角，令其为0（即正午时候的角度）。这样就得到 （2）   若<δ,则正午时分太阳在天顶的北方，该地区     （3）     （4） 若>δ,则正午时分太阳在天顶的南方，该地区     （5）     （6） 1.2方位角 太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。 1.3位置安放   阴影对发电量的影响一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。因此选择一个无阴影遮挡的地区尤其重要。考虑到十二块电极板所占地是比较大的，学校又多有树木、楼房等遮挡，故经过多方面考察，选取理学院楼顶作为地址。 1.4抗风性   虽然极板放在南侧建筑顶层，周围的建筑可以起到一定的挡风作用，但到了风大的冬季，这远远是不够的。电池板的面积较大，受风很大，所以应将支架在楼顶用水泥浇筑固定。  二、电能变换系统 光伏阵列产生的电一般需经过一定的变换使用，电能变换系统的主要工作方式包括直流变换为交流和直流变换为直流两种，利用逆变器直流变换为交流，利用Boost-Buck电路直流变换为直流。 2.1 逆变器 逆变器是把蓄电池输出的直流电变成交流电的装置，照明负载为交流负载时须使用，直流时不必使用，我国室外照明一般为220 V、50 Hz 交流，因此，逆变器多为DC 24 V（或12 V、36 V）/AC 220 V的电压形式．逆变器也应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。   按隔离方式逆变器可分为独立光伏逆变器和并网光伏逆变器。在这里我们所采用的是后者。 通过光伏组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。 逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。 2.2 Boost-Buck 变换器 直流变换电路是依靠半导体开关器件的开关动作将某一直流电压变换为另一个直流电压的电路。这里的变换电路相当于交流电源变压式的变压器，它通过开关器件的导通和关断时间，配合电感和电容器件以连续的改变直流电压。直流变换电路分为直接变换和间接变换两类，前者没有中间变压器的介入，直接进行直流电压的变换；后者将先将直流变换为交流电压，经变压器转换后再变为直流电压。 直流变换电路可分为两大类。一类是直流斩波器，其包括：1. Buck变换器、2. Boost变换器、3. Buck-Boost变换器、4. Boost-Buck 变换器。另一类是开关电源型DC/DC变换器，其包括：1.单端正激变换器、2.单端反激式变换器、3.推挽变换器、4.桥式变换器。 我们分析了各个电路的有缺点，再根据实际的情况选择了Boost-Buck电路进行升直流降压变换。下面具体的分析Boost-Buck变换器。 Boost-Buck电路是在Boost电路后面串联一个Buck电路构成的，其电路图如图2.1所示。经等效简化，其电路由开关管T、二极管D、电感器L1和L2和电容器C1和C2等组成，如图2.2所示。 图2.1  Boost-Buck变换器 图2.2 Boost-Buck变换器简化电路 工作原理：将Buck-Boost变换器进行对偶变换，可以得出Boost-Buck变换器。Buck-Boost变换器是由电压源、电流源转换器、电压负载组成的一种拓扑，而Boost-Buck变换器是由电流源、电压源转换器、电流负载组成的，中间含有一级电容储能的电压转换器。电路能量的存储和传递是同时存在于开关期周期的ton和toff阶段，分别在两个环路中进行，如图2.3所示。 图2.3 Boost-Buck变换器中电流和电压的分配 设开关控制周期为Ts，导通占空比为D，则导通期为ton = DTs，截止期为  toff =(1- D) Ts。当经过若干周期进入稳态后： ①在ton期间(图2.2中T导通)，把输人输出环路闭合，二极管D反偏而截止，构成如图2.3 ( a)所示的等效电路。这时输入电流i1使电感L1储能；C1经T放电，放电电流i2使C2和L2储能，并供电给负载R。 T中流过输人、输出电流之和为i1 + i2 。 ②在toff期间(图2.2中T截止)，二极管D正偏而导通，将输人、输出环路闭合，构成如图2.3(b)所示的等效电路。这时电源输人和L1的释能电流i1向C1充电，同时L2的释能电流i2以维持负载。流过D的电流亦为输人、输出电流之和i1+ i2。 ③这个电路无论在ton及toff期间，都能够从输人向输出传递功率，只要输人、输出电感L1 、L2及电容器C1有足够大容量，则L1和L2中的电流基本上是恒定的。在toff期间，输入电流i1使C1充电储能;而在ton期间，C1向负载放电释能，C1是个能量的传递元件。电流i1和i2波形如图2.3c)所示。   该电路的输出、输入电压关系如下：     （1） 其中D为开关管T导通的占空比。 显然， 调整D 可以改变输出电压Uo和输入电压Us的关系。 设输出电压Uo加在纯电阻负载两端。从太阳能电池端口看进去， 虚线后Boost-Buck 电路和负载可视为一个等效输入电阻Req，且它在数值上等于Us与Is的比值。若以理想情况考虑， 忽略中间环节的能量损耗，设光电输出100％ 转换为负载消耗，则由功率平衡可得： （2） 而纯电阻负载消耗的功率可表示为：     (3) 联立（1）（2）（3）式得：   （4） 上式稍作变形即得： 由此可见，改变D，就就可以改变变换电路输入端的等效电阻值， 相当于改变了负载特性曲线的斜率， 于是负载曲线与太阳能电池I - U 曲线的交点也随着改变， 而此交点正是太阳能电池的工作点。因此， 通过调节D， 就可在限定范围内调节太阳能电池的输出电压， 使其有最大功率输出。 Buck-Boost变换器输出电压可高于或低于输人电压，提供一个反极性不隔离的输出电压，其输入和输出电流都是连续的，具有较小的纹波分量，可输出较平稳的波形 。 三、光伏照明及控制系统 太阳能车棚光伏照明及控制系统主要由太阳能电池组件、智能控制器、蓄电池和照明光源等组成，它们构成了一个独立的照明系统 3.1智能控制器 智能控制器的作用是控制太阳能灯系统的工作状态，如照明灯的光控或设置开关、调光、雷电保护、电路短路保护、最大功率点跟踪等，对蓄电池进行过充电保护、反充电保护、过放电保护、温度补偿等。控制器是光伏照明及控制系统的关键组件．主要由单片机及逻辑电路组成，有了优良性能的控制器，系统才能顺利工作，同时可延长蓄电池等器件的使用寿命． 3.2光伏照明及控制系统的工作原理 光伏照明及控制系统的工作原理：在能电池组件白天向蓄电池组件充电，晚上蓄电池则给照明负载供电。智能控制器的控制下，太阳控制系统采用MPPT技术，实现最大功率点跟踪。在充电控制过程中，控制系统通过测量太阳能电池的电压和电流实时检测太阳能电池的最大功率输出，判断太阳能电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽、调制输出占空比、改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断。通过这样的寻优过程，可保证太阳能电池始终运行在最大功率点，提高光电转换效率。 在给照明负载供电过程中，控制器需实现太阳能与市电互补的功能，当白天太阳能电池的发电量不足以提供照明负载供电，需切换到公网供电。通过对蓄电池电压的监测，当蓄电池电压不足时，由市电直接向照明负载供电，避免了蓄电池电压不足时照明负载不亮的情况。 3.3 光伏照明系统的光源选择 光源的性能指标有很多，与人眼感觉相关的有色温、色度及显色指数。白炽灯给人以温暖的感觉，荧光灯、水银灯则给人以清冷的感觉，这主要是由于它们的色温不同所致。常用照明中我们选用白炽灯、荧光灯而不选用钠灯，是因为钠灯的显色指数小，看到的物体不真实，人眼也容易疲劳。 因此，对系统光源进行选择需要考虑多方面，包括色度参数、光度参数、可靠性、供电方式等。常用光源有很多种，但并不是每种都适合用于光伏照明系统。太阳能车棚光伏照明系统可用于普通照明，也可应用于路灯、草坪灯、广告灯等方面。 3.3.1 普通照明 照明供电方式有交流和直流两种，光伏系统提供的是直流电，传统光源要想使用太阳能，还要增加逆变电路，中间能量损耗要大于使用L E D 灯，在这样的情形下，理想的选择当然是使用L E D 灯。L E D 已经更加接近普通照明的要求，在过去几年中，L E D 的光色指标有了极大的提高。但L E D 作为太阳能照明系统的光源，还有不足的地方：一是性能不稳定；二是寿命短。 3.3.2 草坪灯 草坪灯功率小，主要以装饰为目的，对可移动性要求高。如选用传统的节能灯，电路铺设困难，防水要求高，另外，三基色高效节能灯启动时有高达10～20倍常态电流的启动电流，系统在承受这样大的电流情况下，电压可能有大幅度的下降，这样用于太阳能供电的草坪灯则无法启动或者反复启动，直至损坏。LED由低压直流供电，其光源控制成本低，使调节明暗、频繁开关都成为可能，并且不会对LED的性能产生不良影响，还可以方便地控制颜色，改变光的分布，产生动态幻景。另外，LED可以闪烁变光，渐亮渐暗也是节能的好办法，它一方面可以增加太阳能草坪灯的照射效果，另一方面也可以通过改变闪烁占空比控制蓄电池的平均输出电流，延长系统工作时间，或者在同等条件下，可减小太阳能电池的功率，成本将大幅度下降。以上提到这些使得由太阳能电池供电的草坪灯显示出许多前所未有的优势。目前多数草坪灯选用LED作为光源，LED寿命长，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上. 四 储能控制系统 蓄电池是光伏电站中主要部件之一，用于贮能，即将太阳能电池提供的电能转化为化学能贮存于其中。一般白天由太阳能电池方阵给蓄电池充电，夜间由蓄电池给负载供电，蓄电池处于半浮充电状态。在光伏电站运行中，由于蓄电池故障而影响系统正常工作的情况时有出现。因此，在对光伏电站进行设计时，选择合适的蓄电池类型，对于光伏电站的正常运行是非常重要的。   光伏发电系统中的蓄电池频繁处于充电一放电的反复循环中，过充电和深放电的不利情况时有发生，故对光伏电站中的蓄电池有如下要求： (l）具有深循环放电性能。 (2）充放电循环寿命长。 (3）对过充电、过放电耐受能力强。 (4）当电池不能及时补充充电时，能有效抑制小颗粒硫酸铅的生长。 (5）富液式电池在静态环境中使用时，电解液不易层化。 (6）具有免维护或少维护的性能。 (7）低温下具有良好的充电、放电特性；充放电特性对高温不敏感。 (8）蓄电池各项性能一致性好，无需均衡充电。 (9）具有较高的能量效率。 (10）具有较高的性能价格比。 综合以上条件，选择铅酸蓄电池是比较合适的。 太阳能蓄电池的工作原理： 白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。                  构成铅蓄电池的主要成份如下：   阳极板（过氧化铅，PbO2）-活性物质   阴极板（海绵状铅，Pb）-活性物质 电解液（稀硫酸）-硫酸（H2SO4）+水（H2O） 五  系统参数分析 5.1 太阳能电池技术参数 测试条件：条件下（大气质量AM1.5，电池温度25,光照强度1KW/m） 开路电压V=28.58V 短路电流 I=7.94A 峰值电压V=22.21V 峰值电流I=7.03A 峰值功率P=156.22W 最大系统电压：1000V 串联保险丝规格：20A 材料：多晶硅 尺寸规格：148299235（mm） 重量：16.8 kg 数量：12 (块) 5.2 角度设计 5.2.1 倾斜角 根据前面的分析，倾斜角 可由公式得出，式中为赤纬度，为当地纬度。 无锡纬度约为31°，故春秋分、冬至、夏至的太阳倾斜角依次为59°、36°、82°。 5.2.2方位角 根据无锡的气候、地理位置等条件，将光伏阵列向西调节5°左右为佳。 六 系统设计实例   预期设想系统主要由太阳能电池供电系统、光电变换系统、照明及控制系统、储能控制系统四部分构成。太阳能电池供电系统核心部件是太阳能极板，光电变换系统核心部件是并网逆变器，照明及控制系统核心部件是智能控制器，储能控制系统核心部件是蓄电池。   根据前面结构设计里面的分析，将太阳能极板放置在理学院楼顶。阵列所发出的电一部分经过Boost-Buck变换器直接用于电瓶车充电，LED灯的照明等。多余的电经蓄电池储存起来，另外的经并网逆变器并入电网。   但由于一系列问题，一些设想无法实现，具体问题如下：   1、经费的不足与场地限制。预期的设想是建造一个太阳能停车棚，棚顶配备LED照明设备，车棚周围安装太阳能路灯和草坪灯，全部由太阳能供电系统进行供电。然而由于目前的项目经费有限，停车棚等很难实现，而且蓄电池也无力购买，加之本身理学院周围就有停车场地，所以停车棚并没必要建造，因此我们将停车棚模型加以简化。   2、并网问题。国家法规规定，实现并网必须经供电局和校后勤部门批准，不得擅自并入公网，由于校方及供电局不批准我们的要求，再加上公网的电压380V，而我们采用的并网逆变器是220V，并网无法实现，因此我们将把逆变器输出的电直接并入理学院实验室。