隧道自动跟踪高倍聚光太阳能照明系统.docx
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隧道自动跟踪高倍聚光太阳能照明系统
隧道自动跟踪高倍聚光太阳能
照明系统
目录
一、前言3
二、国内外情况3
2.1国外情况3
2.2国内情况4
三、现有技术方案4
3.1隧道太阳能照明4
3.2隧道太阳能供电无线通信和视频监控解决方案6
3.3太阳能价格7
四、自动跟踪高倍聚光太阳能方案7
4.1硅光聚光电池发电的原理与现状7
4.2聚光原理8
4.3散热原理8
4.4自动对日跟踪9
4.5效费计算9
五、自动跟踪高倍聚光太阳能优势12
5.1.技术成熟度优势12
5.2.价格优势12
一、前言
在当前全球能源紧张,价格飞涨的情况下,许多国家采取优惠的政策鼓励太阳能技术的开发和应用。
太阳能供电技术作为一种高新技术,最早应用于航空探险等高端应用场合,随着各国的推动,太阳能供电技术也得到了日新月异的发展,太阳能发电和太阳能供电技术日益走进民用应用的场合。
在道路、隧道、河流、山川等通信或照明应用场合,太阳供电系统工作时无需水、油、汽、燃料,只要有光就能发电的特点,是清洁、无污染的可再生能源,而且安装维护简单,使用寿命长,可以实现无人值守,倍受人们的青睐,是新能源的领头羊。
近年来,太阳能的应用在全球越来越广泛,特别是在野外领域,如高速公路路灯、隧道照明、高速公路监控等公路行业领域,太阳能电源系统正逐步取代一些传统的电源设备,得到越来越普遍的应用。
二、国内外情况
2.1国外情况
20世纪90年代以来,美国先后制定和出台了包括国家光伏发展计划、百万太阳能屋顶计划、光伏先锋计划等在内的众多光伏发展计划;计划到2010年累计安装的太阳能发电装置所能达到的容量会超过4600兆瓦。
日本也推出了著名的“能源和环境领域综合技术开发推进计划”(简称“新阳光计划”)。
提出在2010年实现全国太阳能发电装机总容量5000兆瓦的新能源工程。
欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲的光伏产业发展的重要标志。
它的总目标是:
2010年,欧盟内的光伏发电装机容量要达到3700兆瓦,并同时出口3000兆瓦。
据MERCKFINCKCO报告,04年全球光伏行业的销售收入高达70亿美元,至2010年销售收入将增长至300亿美元。
2.2国内情况
在我国,一直注重可再生能源的发展。
2005年3月,正式颁布了《中华人民共和国可再生能源法》,并将于2006年开始实施。
该政策的出台,促进了太阳能光伏发电产业的发展,使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平。
根据国家《可再生能源中长期发展规划》,到2010年,我国太阳能光伏发电装机总容量将达到400兆瓦,2020年达到2200兆瓦,这意味着每年光伏发电装机量都将超过过去多年的总和,国内需求也将变得十分旺盛。
但从目前的产业现状看,需求离转化为市场还存在一定距离。
河北首座利用太阳能照明的公路隧道—承德市韩郭公路小梁东隧道投入使用。
小梁东隧道双侧灯具共68盏,总功率为2.18kW。
按照太阳能照明系统可运行25年计算,该系统将比使用火力发电照明系统节省费用853.1719万元,节约标准煤967.98吨,减排二氧化碳2730吨、二氧化硫22.34吨。
由吉林省交通科学研究所和吉林省公路管理局共同承担的交通部西部交通建设科技项目《公路隧道太阳能照明系统研究》试验工程-吉林省朝长公路花园隧道太阳能LED照明系统于2007年10月投入使用,公路院的路兴公司参与了该项目的研发。
这是我国首座公路隧道太阳能智能LED照明系统。
烟台市通世南路隧道照明太阳能电站系统于2008年6月招标。
三、现有技术方案
3.1隧道太阳能照明
隧道太阳电池方阵在晴朗的白天把太阳光能转换为电能,给负载供电的同时,也给蓄电池组充电;在无光照时,由蓄电池给负载供电。
太阳能供电系统由太阳电池组件构成的太阳电池方阵、太阳能充电控制装置、逆变器、蓄电池组、LED灯照明构成。
1、太阳能电池板阵列组件
(1)太阳能电池板阵列的表面采用复合材料,由进口层压机层压而成。
气密性、耐候性好,抗腐蚀、机械强度好。
(2)太阳电池为单晶硅太阳电池,太阳电池转换效率高。
而且太阳能电池板阵列一次性性能佳。
(3)太阳电池在制造时,先进行化学处理,表面做成了一个象金字塔一样的绒面,能减少反射,更好地吸收光能。
(4)太阳能电池板阵列抗冲击性能佳,符合IEC国际标准。
(5)太阳能电池板阵列层之间采用双层EVA材料以及TPT复合材料,组件气密性好,抗潮,抗紫外线好,不容易老化。
2、充放电控制器
(1)智能控制器能控制多路太阳电池方阵对蓄电池组的充电,并实现蓄电池给负载供电。
(2)采用先进的阶梯式逐级限流充电方法,依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制多路太阳电池方阵的依次接通或切离,既可充分利用宝贵的太阳电池资源,又可保证蓄电池组安全而可靠的工作。
(3)蓄电池组过放电保护功能,过充电保护功能。
(4)太阳能电池蓄电、负载反接保护。
(5)太阳电池负载供电控制、充电与防反充功能。
(6)提供RS232和RS485通信接口,便于实现远端和近端监控。
3.2隧道太阳能供电无线通信和视频监控解决方案
隧道太阳能供电无线通信和视频监控系统,本系统在供电方式上采用太阳能供电,传输方式上采用国际标准GPRS/CDMA无线技术。
采用本系统可以摆脱线缆的束缚,实现快速安装,施工时间短,投入低,效果好。
采用本系统可以摆脱山地、森林、河流、开阔地等特殊地理环境的限制,无须考虑电源线及通信光缆的布线和施工问题,彻底解决布线工程周期长,施工成本高昂甚至根本无法实现的困难,尤其适合道路、隧道、森林、矿山、水利、边疆、油田等部门,快速建设集中监控系统的应用。
这种隧道太阳能供电的无线通信和视频监控系统优点如下:
1、采用太阳能独立供电,无线传输,彻底无线化;
2、组件灵活,小巧,方便安装与组网;
3、交直流供电方式,满足多种负载用电的需要;
4、安全性好,维护费用少,造价低;
3.3太阳能价格
目前太阳能光伏发电成本约为2.8—3元/千瓦时,随着技术进步和规模扩大,估计到2015年成本可降到0.5元/千瓦时。
由于起步阶段投入较大,太阳能光伏发电需要政府鼓励。
四、自动跟踪高倍聚光太阳能方案
4.1硅光聚光电池发电的原理与现状
专家们已经研究发现,硅光伏电池在一个太阳光强下使用实际上是大材小用,因为光伏电池可以承受更高的光强,发出的电流成比例增加而又不至于影响光伏电池寿命。
通过聚光提高太阳能发电的效益,国外已经有过一些工业化尝试。
比如利用菲涅尔透镜实现3~7倍的聚光,但由于透射聚光的光强均匀性较差、硅光电池容易损坏,且特制透镜成本降低的速度赶不上高反射率的平面镜,国外开始尝试通过反射实现聚光,比如德国ZSW公司发明了V型聚光器实现了2倍聚光,美国的Falbel发明了四面体的聚光器实现了2.36倍聚光。
尽管实现2倍聚光也可以节省50%的光伏电池,但是相对于聚光器所增加的成本,总体的经济效益并不明显。
尽管反射聚光具有均匀性好的特点,但是如何利用反射方法以较低的成本实现3倍以上的聚光一直是国外没有成功解决的问题,因此依靠传统的反射方法在普通光伏电池上实现数倍聚光的光伏发电系统未能得到广泛应用。
我们国内已经有人实现了4倍聚光的,虽然他的聚光理论设计,最高聚光比可以达到7倍。
但是仅仅按照4倍聚光比而设计运行,这是考虑到普通光伏电池本身在高倍太阳光强下的散热问题,实现7倍的聚光需要采用一套水冷系统,不仅使光伏发电系统的应用环境受到限制,而且势必增加成本,因此,仔细比较了各种聚光倍数下光伏发电系统的性价比后,确定实现4~5倍的聚光是比较现实的方案,仅仅依靠自然冷却,光伏电池就能很好地工作
研究表明,普通的硅光电池只要散热充分,保持硅光电池在某一合适温度范围,可以承受大于10倍小于30倍普通光强的光照,以下就从提高聚光倍数,以及散热来进行分析。
4.2聚光原理
因为普通玻璃或者塑料做成的反光镜片比硅光电池要便宜约两个数量级(一平米硅光电池大约5000块,一平米普通反光镜片50块,好的也就100多),原则上聚光倍数越高平均造价就越低,以下是聚光原理图:
通过图可知,反射板越多(图只画了3折),聚光就越强,理论计算最大可以超过100倍,但是倍数太高整体就没有优势了,现在已经找到了一个合适的反射板折数进行聚光,以达到一个最佳的效费比。
4.3散热原理
散热一般有两种方式:
风冷与水冷。
一般情况下风冷散热效果还算可以,但是造价特别贵,一平米比较好的散热板的价格比太阳能电池还要贵,达到了8000多元,同时由于聚光太阳能电池板的面积大大减少,风冷散热板跟太阳能电池板的接触面积不够大,聚光越大,散热效果越不好。
水冷的冷却效果特别好但水冷必须加管道,加水泵等辅助设备,平均造价不低,由于需要大量的辅助设备,运行的可靠性就家大大降低,维护的工作量就会大大增加,如果在运行中出现水泵损坏,或者管路不通,或者冷却液流失,那所有的太阳能电池板都会被烧毁。
现已设计好了一种散热器每平米的造价大约280元,散热效果已经通过了试验,刚好能满足聚光倍数的散热要求。
4.4自动对日跟踪
聚光发电必须进行对日跟踪,不然的话系统是不能运行的,现设计了一种简单的廉价的跟踪装置,安装了微电脑,每天能自动跟踪太阳,对日跟踪能承受10级风(每小时40公里),由于设计时就考虑了维护成本,对日跟踪系统可以达到基本免维护。
4.5效费计算
根据世界自然基金会资助的研究课题《可再生能源发电上网成本及电价研究及政策建议》,传统的平板固定式光伏发电并网系统每个kW的初投资为5万元(2006年),具体成本构成见表1。
表1平板固定式光伏发电并网系统每个kW的初投资构成
编号
项目
投资
(万元)
比例(%)
1
前期费用和可行性研究
0.25
5
2
太阳能电池(含支架)
3.5
70
3
并网逆变器
0.4
8
4
变压器、配电测量及电缆等
0.3
6
5
设备运输
0.2
4
6
安装调制
0.2
4
7
税金及其他
0.15
3
8
合计
5.0
100
表2小批量生产数倍聚光技术式光伏发电并网系统每个kW的初投资构成
编号
项目
投资
(万元)
比例(%)
1
前期费用和可行性研究
0.25
6.25
2
太阳能电池
(含支架以及聚光散热与自动跟踪)
2.4
60
3
并网逆变器
0.4
10
4
变压器、配电测量及电缆等
0.3
7.5
5
设备运输
0.25
6
6
安装调制
0.25
6
7
税金及其他
0.15
3.75
8
合计
4.0
100
表3大规模生产后数倍聚光技术式光伏发电并网系统每个kW的初投资构成
编号
项目
投资
(万元)
比例(%)
1
前期费用和可行性研究
0.25
7.14
2
太阳能电池
(含支架以及聚光散热与自动跟踪)
1.9
54.28
3
并网逆变器
0.4
11.4
4
变压器、配电测量及电缆等
0.3
8.57
5
设备运输
0.25
7.14
6
安装调制
0.25
7.14
7
税金及其他
0.15
4.28
8
合计
3.5
100
通常,人们习惯用峰值功率来判定系统的规格,其实,对于大型太阳能光伏电站的设计,由于跟踪技术和选址技巧的不同,即使在相同的峰值功率的情况下,不同设计所导致的年总发电量可以有极大差别。
而系统年总发电量的多少,直接关系着太阳能光伏电站经济效益的好坏。
因此,对于大型光伏电站设计的评价,我们不仅要看系统所能达到的峰值功率,更重要的是看系统年总发电量能够达到什么水平,这才是考核不同技术路线优劣的关键指标!
我们将按照内蒙古鄂尔多斯的资源条件进行对比计算。
鄂尔多斯的年日照时间为3026小时,平均每天日照时间8.3个小时,平均日照强度为0.7千瓦/平方米。
两种发电系统的电池组件使用寿命均按照15年计算。
在高纬度地区,光伏发电系统在一年内的不同季节以及一天内的不同时刻,太阳的照射时间以及照射角度是有相当变化的。
这种照射角度的变化,导致传统的平板固定式光伏发电系统无论在地球什么地方,即使以最优化的方式放置,也无法避免“余弦效应”的影响。
余弦效应造成的光伏电站年发电量的损失非常可观:
如果光伏电池每天工作8小时的话,发电量损失可以达16%~21%;每天工作10小时的话,发电量损失可达24%~29%;每天工作12小时的话,发电量损失则高达34%~39%。
根据内蒙古鄂尔多斯的资源条件,我们可以计算出1kW的平板固定式光伏发电系统在15年的寿命期内的总发电量为:
1kW×0.7×3026小时/年×15年×(1-20%)=2.54万度电
聚光的光伏发电系统采用了机械跟踪装置,日跟踪随着地球自转变化,使光伏电池时时刻刻与太阳保持正对(即入射角为0度),年跟踪随着季节变化。
因此,新的采用“数倍聚光的光伏发电系统”有效地克服了传统的平板固定式发电系统所无法避免的“余弦效应”,总发电量增加20%,即:
1kW×0.7×3026小时/年×15年=3.18万度电
由上述计算可以看出,对于大型光伏电站的设计,即使是在峰值功率相同的情况下,采用与不采用跟踪系统可以导致总发电量的巨大差异,这再次说明,决定一个光伏电站效益好坏、技术性能优劣的关键指标是年发电量而不是峰值功率!
由上可继续推导自动跟踪的发电量为普通的1.25倍,
3.5万千瓦/1.25=2.8万千瓦
差不多是平板固定式光伏发5万一千瓦的一半的价格。
2.8万元千瓦/5万元千瓦=0.56
五、自动跟踪高倍聚光太阳能优势
5.1.技术成熟度优势
本系统的技术主要分为4块:
1、太阳能电池板:
太阳能电池板的技术已经非常成熟,本系统对太阳能电池板没有二次加工的问题,稳定性与成熟度无容置疑。
2、聚光器:
聚光完全可以认为是探照灯聚光杯,一个是把平行光聚到点一个是把点光反射为平行光;这种技术已经用了几十年了,聚光器的生产技术,稳定性已经非常成熟了。
3、跟踪器:
太阳跟踪器在太阳灶上早就有应用,本系统需要的精度要求与太阳灶的等级像相仿,几乎不需要做任何改进即可使用。
4、散热器:
本系统使用的散热器没有任何运动部件,跟普通的风冷没有区别,稳定性与成熟度也是显而易见的。
5.2.价格优势
自动跟踪高倍聚光太阳能整体能比普通太阳能便宜1.9万元/千瓦,一公里隧道大约8千瓦的容量(LED照明)可以便宜15.2万元,10公里的隧道可以便宜152万元;高倍聚光太阳能的造价只有正常太阳能的造价的0.6倍;使整个太阳能的效费比价格优势提前三年。
系统的成本的比对对象不能是普通的电力线供应电力,只能与现有的使用太阳能电池板发电(没有聚光)系统方案进行比对有价格优势。
本系统批量生产的价格优势能到普通太阳能电池板发电(没有聚光的60%)。
甚至更多。
造价跟照明需要的功率(设计功率)有关,不同的地形与气候,车道的长度与单双向的设计需要功率是不一样的,没有关系。
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