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太阳能无线监控系统设计

发布时间:2019/03/18

太阳能无线监控系统设计

一、系统简介

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁环保型能源,无线监控系统采用了远距离无线网桥组网技术,使无法得到电力供应的偏远地区实现远程不间断监控成为可能。

本系统主要应用于野外以及城市不方便布线的区域,例如:建筑工地、水库大坝、河流水位、渔场林场监控,森林防火、岛屿监控、边防监控、单兵侦测等等.

 

 

 

 

二、离网光伏发电系统设计分析:

太阳能发电装置与外部商用电网没有连接,但能够独立提供供电能力的光伏发电系统称为离网光伏发电系统,也称为独立光伏发电系统。离网光伏发电系统主要由太阳能光伏发电装置、储能蓄装置、控制器、逆变器组成。下面对各个部分作简单介绍。光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下,确定最少的太阳电池组件和蓄电池容量,以尽量减少投资,即同时考虑可靠性及经济性。

在系统设计之前,设计者应尽量做到:

(1)设计尽量简单化,这样可以提高系统的可靠性。

(2)了解系统的效率,适当设计系统效率,若不合实际地把效率定在99%以上,其成    本是昂贵的。

(3)在估算负载时要考虑周到,并要有一定的裕度。

(4)反复计算核查当地的天气资源,获得该地区的太阳辐射能资源,对太阳辐射的错    误估计将会大大影响系统的作用。

(5)在设计系统前了解安装地点,去当地考察一下,这样对设备安置走线,保护和地    带特性都有所了解。

 

 

1.负载功率确定:

确定太阳能发电功率及配置的前提是确定前端需要供电设备(负载)的功率及耗电量。通过实验检测手段我们可以确定负载的总功率P1,P1主要包括:摄像机及其加热器和无线设备功率以及逆变器转化的功率损失。实验检测得到的总功率P1,由此可以确定负载的日耗电量W1为:W1= P1*24.

若太阳能电池板和蓄电池组采用12V供电系统电压,则负载设备日耗蓄电池电容量:Q1=W1/12V=2*P1(AH)

2.太阳能电池方阵设计:

 

 

根据负载设备日耗电量以及系统采用离网供电方式计算太阳能电池板数量。本设计拟采用单组电压为12V,单块功率为P2(W)的太阳能电池板。在忽略充电损耗的情况下,按每天平均日照时间3h计算,则单块太阳能板的日发电量为:

P2*3=3*P2 (Wh)

 

一般情况下充电损耗比率为10%左右,那么单块太阳能板的实际日发电量为:2.7* P2.

因此需要太阳能板的最小数量:

n=W/2.7P29 *P1 /P2.

: (设计时采用进一法取整).

如果考虑到设计系统为离网光伏发电系统,保证系统在冬天发电量比较低的情况下应考虑冬天日照时间每天为2.5小时 ,则n11*P1/P2.

如果考虑阴雨雪天及衰减、灰尘、充电效率、雾霾等的损失等情况下的损失,以及考虑到阴雨天用电之后的蓄电池充电,应根据充满蓄电池天数相应增加太阳能电池板设计数量.

:按照3天阴雨天电池板数量相应增加50%左右考虑.3.蓄电池组容量设计:

蓄电池是用来将光伏阵列产生的电能(直流)存储起来供后级负载(逆变器和交流负载)使用的部件,电池寿命由许多因素决定如放电速率,放电深度,循环次数和工作温度等,蓄电池的容量对保证连续供电是极其重要的。太阳能方阵每日所发电量除供设备消耗外,还要多出一部分电量存储到蓄电池内以备夜间及阴雨天使用。根据”设计规范”,设计中所配置的蓄电池组总容量应按如下公式计算:

其中: Q: 蓄电池组容量(Ah);K:安全系数,取1.25I:负荷电流(A);T: 放电小时数(h);η:放电容量系数; t: 实际电池所在地最低环境温度数值;α电池温度系数(1/℃),当放电小时率≥10时,取α=0.006; 当放电小时率≥1时,取α=0.008;当放电小时率<1时,取α=0.01。,蓄电池容量与温度关系可以由公式导出也可见表一

若系统连续24小时稳定运行时设日耗电量Q1 ,假设当地环境最低温度为:-15℃,则N天蓄电池组总容量计算公式简化为:

Q=K* Q1*N*τ

N为最长连续阴雨天数;τ为温度修正系数, -15℃时可计算

τ=1.32

由此计算出系统稳定工作的蓄电池容量:

Q1.65N* Q1=3.3N*P1

其中P1为系统负载总功率

在离网光伏发电系统中,蓄电池循环充电放电过程,蓄电池深度放电将直接影响蓄电池寿命及循环使用次数,设放电深度系数为C,蓄电池容量公式修正为:

Q=K* Q1*N*τ/C

放电深度系数C:一般铅酸蓄电池

0.75,碱性镍镉蓄电池取0.85

4.光伏组件输出功率最大化

有四个因素决定了光伏组件的输出功率:负载电阻、太阳辐照度,电池温度和光伏电池的效率。

由此可以看到组件的温度对其功率的输出影响较大,所以阵列要安装在通风、无遮挡的地方,以保持凉爽;

下图显示功率受温度影响曲线图

 

5.控制器

蓄电池对充电与放电有一定的要求,频繁的过充电与过放电会使使用寿命下降,必须对蓄电池进行充放电控制,这是控制器的首要功能。根据用户用电、蓄电池充放电、太阳电池受光照状况选择太阳电池的最大功率工作点,协调充电与用电电流。控制器还要对系统进行检测、保护、数据显示。6.逆变器选型

 

逆变器是一种功率调查装置,对于使用交流负载的独立光伏系统来说,逆变器是必要的。逆变器的选择的一个重要因素就是您所设定的直流电压的大小。对交流输出,我们需要考虑的除了输出功率和电压外,还应考虑其波形和频率。在输入端须注意逆变器所要求的直流电压和所能承受的浪涌能力的电压的变化。

逆变器性能会影响到光伏系统的性能可靠性和成本。总的说来其特性参数有:输出波形,功率转换效率,标称功率,输入电压,电压调整,电压保护,频率,调制性功率因子,无功电流等。

下面是对有些参数的说明:

Ø  功率转换效率:其值等于逆变器输出功率除以输入功率,逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。

Ø  输入电压:由交流负载所需的功率和电压决定。一般负载越大,所需的逆变器的输入电压就越高。

Ø  抗浪涌能力:大多数逆变器可超过它的额定功率有限的时间(几秒钟),有些变压器和交流电机需要比正常工作高几倍的起动电流对这些特殊负载的浪涌要求应测量出来。

Ø  静态电流:这是在逆变器不带负载(无功耗)时,其本身所用的电流(功率),这个参数对于长期带小负载的情况下是很重要的,当负载不大时,逆变器的效率是极低的。

Ø  电压调整:这意味着输出电压的多样性。较多的系统在一个大的负载范围内,均方根输出电压接近常数。

Ø  电压保护:逆变器在直流电压过高时就会损坏。而逆变器的前级—蓄电池在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值,所以作控制器来控制蓄电池的充电状态是十分必要的。在无控制器时逆变器须有检查测试保护电路,当电池电压高于设定值时,保护电路会将逆变器断开。

 

三.太阳能光伏发电

地面太阳能光伏发电系统分为离网光伏发电系统并网光伏发电系统分布式光伏发电系统。

离网光伏发电系统,主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成在无线监控领域,由于客观条件限制无法采用市电方式供电,因此一般采用离网光伏发电方式供电。

1.我国太阳能资源分布情况 

 我国太阳能总辐射资源丰富,呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。 2.太阳能电池板倾斜角

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角。伏组件倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。不同类型的太阳能光伏发电系统,其最佳安装倾斜角是有所不同的。

最佳倾斜角与当地的地理纬度有关,当纬度较高时,相应的倾斜角也大。

以上发电量的计算,是在完全没有阴影的前提下得到的。另外,如果方阵是前后水平放置时,后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后,前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。假如太阳能电池板垂直高度为L,其南北方向的阴影长度为Ls,太阳高度(仰角)为h,方位角为B,方阵之间的水平距离

Ls L×coth×cosB当纬度较高时,方阵之间的距离加大,相应地设置场所的面积也会增加。通常在排布方阵阵列时,应分别选取每一个方阵的构造尺寸,将其高度调整到合适值,从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。

 

四、系统连接图

独立光伏系统的构成主要包括:光伏组件(阵列)、蓄电池、逆变器、控制器。太阳能控制器只有一根正极接线,负载、太阳能电池板、蓄电池及直流负载设备共正极,用红线表示。两块太阳能电池板并联,负极用蓝线表示,接控制器蓝线,电池负极用黑线表示,接控制器黑线,负载负极绿线表示。接地线用黄色表示。控制器调成全天工作模式,接线时,先接蓄电池10分钟,控制器稳定工作之后再接太阳能电池板及负载载。

 

五、链路设计及应用

森林防火远程无线监控系统,由林区监控中心、无线传输系统,以及前端监控点构成。森林现场无法取电,监控点采用太阳能供电的方式保证整套系统的稳定传输,通过无线传输系统,将图像传输到监控中心,通过远程无线监控系统,森林防火管理中心能实时监控林区火情实况,及时发现火情,起到预防火灾的目的。

在现代化水库监测中,可以实现主要点位、水位等的实时全天候视频监控,加强水库区安全保卫管理,提高工作效率,相关管理部门可以实时了解各个监控点的情况,处理突发事件。由于湖泊周围无法采用市电方式供电采用太阳能监控能满足实时监控需求。

矿山周围不易取电,采用无线加太阳能监控的方式能很好满足客户需求

 

六、太阳能安装

安装

 

Ø  安装时最好用指南针确定方位,并应注意在方阵前全天不能有高大建筑物或树木等遮阳光。

Ø  仔细检查地脚螺钉及方阵支架等是否结实可靠,所有螺钉接线柱等均应拧紧,不能有松动。

Ø  蓄电池室应保持通风干燥、清洁。在北方冬天寒冷,蓄电池应采取保暖措施。

 

 

一、系统简介

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁环保型能源,无线监控系统采用了远距离无线网桥组网技术,使无法得到电力供应的偏远地区实现远程不间断监控成为可能。

本系统主要应用于野外以及城市不方便布线的区域,例如:建筑工地、水库大坝、河流水位、渔场林场监控,森林防火、岛屿监控、边防监控、单兵侦测等等.

 

 

 

 

 

二、离网光伏发电系统设计分析:

太阳能发电装置与外部商用电网没有连接,但能够独立提供供电能力的光伏发电系统称为离网光伏发电系统,也称为独立光伏发电系统。离网光伏发电系统主要由太阳能光伏发电装置、储能蓄装置、控制器、逆变器组成。下面对各个部分作简单介绍。光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下,确定最少的太阳电池组件和蓄电池容量,以尽量减少投资,即同时考虑可靠性及经济性。

在系统设计之前,设计者应尽量做到:

(1)设计尽量简单化,这样可以提高系统的可靠性。

(2)了解系统的效率,适当设计系统效率,若不合实际地把效率定在99%以上,其成    本是昂贵的。

(3)在估算负载时要考虑周到,并要有一定的裕度。

(4)反复计算核查当地的天气资源,获得该地区的太阳辐射能资源,对太阳辐射的错    误估计将会大大影响系统的作用。

(5)在设计系统前了解安装地点,去当地考察一下,这样对设备安置走线,保护和地    带特性都有所了解。

 

 

1.负载功率确定:

确定太阳能发电功率及配置的前提是确定前端需要供电设备(负载)的功率及耗电量。通过实验检测手段我们可以确定负载的总功率P1,P1主要包括:摄像机及其加热器和无线设备功率以及逆变器转化的功率损失。实验检测得到的总功率P1,由此可以确定负载的日耗电量W1为:W1= P1*24.

若太阳能电池板和蓄电池组采用12V供电系统电压,则负载设备日耗蓄电池电容量:Q1=W1/12V=2*P1(AH)

 

 

2.太阳能电池方阵设计:

 

根据负载设备日耗电量以及系统采用离网供电方式计算太阳能电池板数量。本设计拟采用单组电压为12V,单块功率为P2(W)的太阳能电池板。在忽略充电损耗的情况下,按每天平均日照时间3h计算,则单块太阳能板的日发电量为:

P2*3=3*P2 (Wh)

 

一般情况下充电损耗比率为10%左右,那么单块太阳能板的实际日发电量为:2.7* P2.

因此需要太阳能板的最小数量:

n=W/2.7P29 *P1 /P2.

: (设计时采用进一法取整).

如果考虑到设计系统为离网光伏发电系统,保证系统在冬天发电量比较低的情况下应考虑冬天日照时间每天为2.5小时 ,则n11*P1/P2.

如果考虑阴雨雪天及衰减、灰尘、充电效率、雾霾等的损失等情况下的损失,以及考虑到阴雨天用电之后的蓄电池充电,应根据充满蓄电池天数相应增加太阳能电池板设计数量.

:按照3天阴雨天电池板数量相应增加50%左右考虑.蓄电池是用来将光伏阵列产生的电能(直流)存储起来供后级负载(逆变器和交流负载)使用的部件,电池寿命由许多因素决定如放电速率,放电深度,循环次数和工作温度等,蓄电池的容量对保证连续供电是极其重要的。太阳能方阵每日所发电量除供设备消耗外,还要多出一部分电量存储到蓄电池内以备夜间及阴雨天使用。根据”设计规范”,设计中所配置的蓄电池组总容量应按如下公式计算:

其中: Q: 蓄电池组容量(Ah);K:安全系数,取1.25I:负荷电流(A);T: 放电小时数(h);η:放电容量系数; t: 实际电池所在地最低环境温度数值;α电池温度系数(1/℃),当放电小时率≥10时,取α=0.006; 当放电小时率≥1时,取α=0.008;当放电小时率<1时,取α=0.01。,蓄电池容量与温度关系可以由公式导出也可见表一

 

 

 

若系统连续24小时稳定运行时设日耗电量Q1 ,假设当地环境最低温度为:-15℃,则N天蓄电池组总容量计算公式简化为:

Q=K* Q1*N*τ

N为最长连续阴雨天数;τ为温度修正系数, -15℃时可计算

τ=1.32

由此计算出系统稳定工作的蓄电池容量:

Q1.65N* Q1=3.3N*P1

其中P1为系统负载总功率

在离网光伏发电系统中,蓄电池循环充电放电过程,蓄电池深度放电将直接影响蓄电池寿命及循环使用次数,设放电深度系数为C,蓄电池容量公式修正为:

Q=K* Q1*N*τ/C

放电深度系数C:一般铅酸蓄电池

0.75,碱性镍镉蓄电池取0.85

4.光伏组件输出功率最大化

有四个因素决定了光伏组件的输出功率:负载电阻、太阳辐照度,电池温度和光伏电池的效率。

由此可以看到组件的温度对其功率的输出影响较大,所以阵列要安装在通风、无遮挡的地方,以保持凉爽;

下图显示功率受温度影响曲线图

 

 

 

 

5.控制器

蓄电池对充电与放电有一定的要求,频繁的过充电与过放电会使使用寿命下降,必须对蓄电池进行充放电控制,这是控制器的首要功能。根据用户用电、蓄电池充放电、太阳电池受光照状况选择太阳电池的最大功率工作点,协调充电与用电电流。控制器还要对系统进行检测、保护、数据显示。

 

 

6.逆变器选型

 

逆变器是一种功率调查装置,对于使用交流负载的独立光伏系统来说,逆变器是必要的。逆变器的选择的一个重要因素就是您所设定的直流电压的大小。对交流输出,我们需要考虑的除了输出功率和电压外,还应考虑其波形和频率。在输入端须注意逆变器所要求的直流电压和所能承受的浪涌能力的电压的变化。

逆变器性能会影响到光伏系统的性能可靠性和成本。总的说来其特性参数有:输出波形,功率转换效率,标称功率,输入电压,电压调整,电压保护,频率,调制性功率因子,无功电流等。

下面是对有些参数的说明:

Ø  功率转换效率:其值等于逆变器输出功率除以输入功率,逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。

Ø  输入电压:由交流负载所需的功率和电压决定。一般负载越大,所需的逆变器的输入电压就越高。

Ø  抗浪涌能力:大多数逆变器可超过它的额定功率有限的时间(几秒钟),有些变压器和交流电机需要比正常工作高几倍的起动电流对这些特殊负载的浪涌要求应测量出来。

Ø  静态电流:这是在逆变器不带负载(无功耗)时,其本身所用的电流(功率),这个参数对于长期带小负载的情况下是很重要的,当负载不大时,逆变器的效率是极低的。

Ø  电压调整:这意味着输出电压的多样性。较多的系统在一个大的负载范围内,均方根输出电压接近常数。

Ø  电压保护:逆变器在直流电压过高时就会损坏。而逆变器的前级—蓄电池在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值,所以作控制器来控制蓄电池的充电状态是十分必要的。在无控制器时逆变器须有检查测试保护电路,当电池电压高于设定值时,保护电路会将逆变器断开。

 

三.太阳能光伏发电

地面太阳能光伏发电系统分为离网光伏发电系统并网光伏发电系统分布式光伏发电系统。

离网光伏发电系统,主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成在无线监控领域,由于客观条件限制无法采用市电方式供电,因此一般采用离网光伏发电方式供电。

1.我国太阳能资源分布情况 

 我国太阳能总辐射资源丰富,呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。

 

 2.太阳能电池板倾斜角

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角。伏组件倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。不同类型的太阳能光伏发电系统,其最佳安装倾斜角是有所不同的。

最佳倾斜角与当地的地理纬度有关,当纬度较高时,相应的倾斜角也大。

 

 

 

3.阴影对发电量的影响

 

以上发电量的计算,是在完全没有阴影的前提下得到的。另外,如果方阵是前后水平放置时,后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后,前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。假如太阳能电池板垂直高度为L,其南北方向的阴影长度为Ls,太阳高度(仰角)为h,方位角为B,方阵之间的水平距离

Ls L×coth×cosB

 

 

当纬度较高时,方阵之间的距离加大,相应地设置场所的面积也会增加。通常在排布方阵阵列时,应分别选取每一个方阵的构造尺寸,将其高度调整到合适值,从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。

 

四、系统连接图

独立光伏系统的构成主要包括:光伏组件(阵列)、蓄电池、逆变器、控制器。

 

太阳能控制器只有一根正极接线,负载、太阳能电池板、蓄电池及直流负载设备共正极,用红线表示。两块太阳能电池板并联,负极用蓝线表示,接控制器蓝线,电池负极用黑线表示,接控制器黑线,负载负极绿线表示。接地线用黄色表示。控制器调成全天工作模式,接线时,先接蓄电池10分钟,控制器稳定工作之后再接太阳能电池板及负载载。

 

五、链路设计及应用

 

森林防火远程无线监控系统,由林区监控中心、无线传输系统,以及前端监控点构成。森林现场无法取电,监控点采用太阳能供电的方式保证整套系统的稳定传输,通过无线传输系统,将图像传输到监控中心,通过远程无线监控系统,森林防火管理中心能实时监控林区火情实况,及时发现火情,起到预防火灾的目的。

 

在现代化水库监测中,可以实现主要点位、水位等的实时全天候视频监控,加强水库区安全保卫管理,提高工作效率,相关管理部门可以实时了解各个监控点的情况,处理突发事件。由于湖泊周围无法采用市电方式供电采用太阳能监控能满足实时监控需求。

 

矿山周围不易取电,采用无线加太阳能监控的方式能很好满足客户需求

 

六、太阳能安装

安装

 

Ø  安装时最好用指南针确定方位,并应注意在方阵前全天不能有高大建筑物或树木等遮阳光。

Ø  仔细检查地脚螺钉及方阵支架等是否结实可靠,所有螺钉接线柱等均应拧紧,不能有松动。

Ø  蓄电池室应保持通风干燥、清洁。在北方冬天寒冷,蓄电池应采取保暖措施。

 

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