2017-03-08 11:06:27

浅析太阳能光伏系统在医院设计中的应用

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一、   引言
当前,我国正大力推进资源节约型和环境友好型社会建设,积极倡导和着力推行低碳经济发展模式。光伏发电技术作为最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术,近年来在国家的大力支持下得到了迅速发展。医院作为我国能源消耗较高的公共服务机构,在未来的节能减排和降耗工作中将面临着更大的压力,积极探索绿色医院建设及发展模式,有效提高医院建设水平,促进绿色建筑理念及节能降耗技术的科学运用就显得尤为重要。本文从光伏发电技术的分类、原理等方面对其在医院建筑工程中的运用进行了探讨。
二、   光伏发电系统原理
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。它的主要组成部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。并网光伏发电系统是将光电组件发出的直流电通过逆变器变换变为交流电后,直接并入低压输电网中的发电系统。
三、并网光伏发电系统
3.1、并网光伏发电系统分类及选择
并网光伏发电系统可分为集中式大型并网光伏系统和分散式小型并网光伏系统两类型。大型并网光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送到电网上,由电网统一调配向用户供电。
根据是否可以将多余的电能送入电网,光伏系统可分为无逆流和有逆流两种形式。无逆流并网系统如图2-1所示,太阳电池的出力供给负载,即使有剩余电能,但剩余电能并不流向电网,此系统称为无逆流并网系统。当太阳电池的出力不能满足负载的需要时,则从电力系统得到电能。有逆流并网系统如图2-2所示,太阳电池的出力供给负载后,若有剩余电能且剩余电能流向电网的系统,我们称之为有逆流并网系统 。对于有逆流并网系统来说,由于太阳电池产生的剩余电能可以供给其他的负载使用,因此可以发挥太阳能电池的发电能力,使电能得到充分利用。当太阳电池的出力不能满足负载的需要时,则从电力系统得到电能。这种系统可用于家庭的电源、工业用电电源等场合。
 

图3-1 无逆流系统

图3-2 有逆流系统
根据光伏系统是否配置蓄电池,又分为可调度型系统和不可调度型系统。配置少量蓄电池的系统,称为可调度型系统如图2-4所示。不配置蓄电池的系统,称为不可调型系统如图2-3所示。可调度型系统主动性较强,当出现电网限电、掉电、停电等情况时仍可正常供电。不可调度型系统省去了蓄电池, 而将电网作为自己的储能单元。因此,它的优点也是显而易见的,它降低蓄电池的投资和蓄电池充放电能量损耗,大大减小了报废蓄电池对环境的巨大污染, 同时间接减少了废旧蓄电池处理时对环境产生的二次污染,最终具有降低系统运行成本的作用。
 

图3-3 不可调度型(不带蓄电池)系统

图3-4 可调度型(带蓄电池)系统
 
应根据用电要求选择适宜的并网光伏系统类型及其电压等级和相数(表3-1)
表3-1 并网光伏系统设计选用表
系统类型 电流类型 是否逆流 有无储能装置 适用范围
并网光伏系统
 
 
交流系统
 
 

 
发电量大于用电量,且当地电力供应不可靠
发电量大于用电量,且当地电力供应比较可靠
发电量小于供电量,且当地电力供应不可靠
  发电量小于用电量,且当地电力供应比较可靠
 
 
在民用建筑中,并网光伏发电系统的工程设计大致步骤:
(1)并网光伏系统类型的确定;
(2)光伏组件的最佳倾角计算;
(3)光伏组件的最小允许间距计算;
(4)光伏系统装机量计算;
(5)安装光伏发电系统建筑物防雷类别确定;
(6)光伏发电系统的设备选择,如光伏组件、逆变器;
(7)光伏系统发电量的估算;
(8)光伏发电系统的造价、经济和环保效益分析;
(9)最后是业主确认、提供初步设计、再确认、深化设计和施工图的设计。3.2、并网光伏发电系统的主要组成以及设备选择
并网光伏发电系统是光电组件发出的直流电通过并网逆变器变换为交流电后直接并入低压输电网中的发电系统。并网光伏发电系统的主要组成部分有:太阳能电池组件、并网逆变器、低压输配电、监控系统。
在并网光伏发电系统中,光伏组件和并网逆变器的正确选择很重要,在进行光伏组件和并网逆变器选择的时需要对两者的性能参数进行匹配,从而保证整个系统的稳定性和可靠性。
选择太阳能电池组件的主要性能参数有:开路电压、短路电流、峰值功率、组件转换效率、开路电压温度系数、短路电流温度系数、最大系统电压、长×宽×厚、重量、单价。
选择并网光伏发电系统的并网逆变器的主要性能参数有:最大直流输入电压、直流输入电压范围、最大输入电流、最多输入路数、最大直流输入功率、工作温度、相对湿度、宽×高×厚、重量、单价。
光伏组件和并网逆变器的参数匹配有以下几个方面:
(1)光伏阵列的开路电压(考虑开路电压温度系数)要小于逆变器的最大直流输入电压;
(2)光伏阵列的最大输入功率不要大于逆变器的最大直流输入功率;
(3)阵列的峰值电压在MPPT范围;
(4)阵列的输入电流不要大于逆变器的直流额定最大输入电流;
(5)满足组件的最大系统电压要求。
3.3、太阳能电池
在太阳能的有效利用中,太阳能的光电利用是近些年发展最快、最具活力的研究领域。由于太阳辐射的大部分是光能,这种光能可通过光电转换器转化为电能。目前应用最为成熟的光电转换器件是光生伏打电池,又叫太阳能电池,也称为“光伏电池”,太阳能电池是太阳能光伏发电中最核心的器件。是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池。图3-5是一张单晶硅光伏电池的图片。

图3-5 单晶硅光伏电池
3.4、逆变器
在并网光伏发电系统中,逆变器是光伏发电系统的核心组件,逆变器是将太阳能电池组件发出的直流电高效的转换为可以并到市电电网的交流电的电力交换装置。并网光伏发电系统不经过蓄电池储能,直接通过并网逆变器,把电能送上电网[29]。在阳光充足时发出电能,通过逆变器向用户负载供电,同时与电网并联,多余的电能馈入电网,在阳光不充足或光伏发电量达不到使用量时,由控制部分自动调解通过市电给予补充。图3-6是一张并网光光伏逆变器的图片。

图3-6 并网光伏逆变器
四、医院项目概况
4.1、本项目拟建设一个30KW的小型并网光伏发电系统,出于项目经济性及技术可靠性方面的考虑,采用固定式太阳能电池方阵(方阵倾角45度),30KW的并网光伏发电系统共安装144块230Wp太阳能电池组件(形成由18块串联,8列之路并联的阵列),1台智能汇流箱,1台直流配电柜,1台并网逆变器,1台交流配电柜。4.2、系统的方案及构成
太阳能电池方阵通过串并联方式接入直流防雷汇流箱,汇流箱输出进入配电房直流配电柜内,由并网逆变器将直流转变成50Hz,0.4kV的交流电,再经交流配电系统后与用户侧并网,向负载供电。项目并网接入系统方案采用0.4kV低压并网,就近并入用户侧电力接入点。(如下图所示)。
该系统采用的是有逆流并网系统,即太阳电池产生的剩余电能可以供给其他的负载使用,因此可以发挥太阳能电池的发电能力,使电能得到充分利用。当太阳电池的出力不能满足负载的需要时,则从电力系统得到电能。

 
这太阳能电池板金属固定架上设置简易避雷针作为保护,防止太阳电池,电池板方阵设备遭直接雷击,同时汇流箱内含有防雷保护装置,经过防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。
五、太阳电池阵列的选型
目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。虽然单晶硅太阳能电池板的单体广电转换效率是最高的,但是制作成本高,还没有实现大规模的应用,故本项目选用多晶硅太阳能电池。
本方案设计采用230Wp多晶硅太阳电池组件
                     230Wp太阳电池组件技术参数          (表5-1)
型号 电性能参数 组件外形
CLS-230P VOC(V) Isc(A) Vm(V) Im(A) Pm(W) 电池板规格(mm) 规格(mm) 重量(kg) 工作温度(摄氏度)
37.38 8.31 29.28 7.86 230 156X156 1650X992X50 21.5 -40-+85
 
 
 
 
六、结论
与建筑相结合的光伏系统,可作为独立电源供电或者以并网的方式供电。
当光伏建筑一体化系统参与并网时,不需要蓄电池,但需要与电网并入的装置。并网发电是今后光伏技术应用的必然趋势。将光伏组件安装在建筑物上,引出端经过控制器及逆变器与公共电网连接,需要由光伏阵列及电网并联向用户供电,这就构成了并网光伏系统,系统不需要蓄电池,降低了造价。光伏系统与建筑物完美结合对于节约能源,保护生态环境,保护地球环境都具有重大意义。