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    太陽能無線監控系統設計

    發布時間:2019/03/18

    太陽能無線監控系統設計

    一、系統簡介

    太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔環保型能源,無線監控系統采用了遠距離無線網橋組網技術,使無法得到電力供應的偏遠地區實現遠程不間斷監控成為可能。

    本系統主要應用于野外以及城市不方便布線的區域,例如:建筑工地、水庫大壩、河流水位、漁場林場監控,森林防火、島嶼監控、邊防監控、單兵偵測等等.

     

     

     

     

    二、離網光伏發電系統設計分析:

    太陽能發電裝置與外部商用電網沒有連接,但能夠獨立提供供電能力的光伏發電系統稱為離網光伏發電系統,也稱為獨立光伏發電系統。離網光伏發電系統主要由太陽能光伏發電裝置、儲能蓄裝置、控制器、逆變器組成。下面對各個部分作簡單介紹。光伏發電系統總的設計原則是在保證滿足負載用電需要的前提下,確定最少的太陽電池組件和蓄電池容量,以盡量減少投資,即同時考慮可靠性及經濟性。

    在系統設計之前,設計者應盡量做到:

    (1)設計盡量簡單化,這樣可以提高系統的可靠性。

    (2)了解系統的效率,適當設計系統效率,若不合實際地把效率定在99%以上,其成    本是昂貴的。

    (3)在估算負載時要考慮周到,并要有一定的裕度。

    (4)反復計算核查當地的天氣資源,獲得該地區的太陽輻射能資源,對太陽輻射的錯    誤估計將會大大影響系統的作用。

    (5)在設計系統前了解安裝地點,去當地考察一下,這樣對設備安置走線,保護和地    帶特性都有所了解。

     

     

    1.負載功率確定:

    確定太陽能發電功率及配置的前提是確定前端需要供電設備(負載)的功率及耗電量。通過實驗檢測手段我們可以確定負載的總功率P1,P1主要包括:攝像機及其加熱器和無線設備功率以及逆變器轉化的功率損失。實驗檢測得到的總功率P1,由此可以確定負載的日耗電量W1為:W1= P1*24.

    若太陽能電池板和蓄電池組采用12V供電系統電壓,則負載設備日耗蓄電池電容量:Q1=W1/12V=2*P1(AH)

    2.太陽能電池方陣設計:

     

     

    根據負載設備日耗電量以及系統采用離網供電方式計算太陽能電池板數量。本設計擬采用單組電壓為12V,單塊功率為P2(W)的太陽能電池板。在忽略充電損耗的情況下,按每天平均日照時間3h計算,則單塊太陽能板的日發電量為:

    P2*3=3*P2 (Wh)

     

    一般情況下充電損耗比率為10%左右,那么單塊太陽能板的實際日發電量為:2.7* P2.

    因此需要太陽能板的最小數量:

    n=W/2.7P29 *P1 /P2.

    : (設計時采用進一法取整).

    如果考慮到設計系統為離網光伏發電系統,保證系統在冬天發電量比較低的情況下應考慮冬天日照時間每天為2.5小時 ,則n11*P1/P2.

    如果考慮陰雨雪天及衰減、灰塵、充電效率、霧霾等的損失等情況下的損失,以及考慮到陰雨天用電之后的蓄電池充電,應根據充滿蓄電池天數相應增加太陽能電池板設計數量.

    :按照3天陰雨天電池板數量相應增加50%左右考慮.3.蓄電池組容量設計:

    蓄電池是用來將光伏陣列產生的電能(直流)存儲起來供后級負載(逆變器和交流負載)使用的部件,電池壽命由許多因素決定如放電速率,放電深度,循環次數和工作溫度等,蓄電池的容量對保證連續供電是極其重要的。太陽能方陣每日所發電量除供設備消耗外,還要多出一部分電量存儲到蓄電池內以備夜間及陰雨天使用。根據”設計規范”,設計中所配置的蓄電池組總容量應按如下公式計算:

    其中: Q: 蓄電池組容量(Ah);K:安全系數,取1.25I:負荷電流(A);T: 放電小時數(h);η:放電容量系數; t: 實際電池所在地最低環境溫度數值;α電池溫度系數(1/℃),當放電小時率≥10時,取α=0.006; 當放電小時率≥1時,取α=0.008;當放電小時率<1時,取α=0.01。,蓄電池容量與溫度關系可以由公式導出也可見表一

    若系統連續24小時穩定運行時設日耗電量Q1 ,假設當地環境最低溫度為:-15℃,則N天蓄電池組總容量計算公式簡化為:

    Q=K* Q1*N*τ

    N為最長連續陰雨天數;τ為溫度修正系數, -15℃時可計算

    τ=1.32

    由此計算出系統穩定工作的蓄電池容量:

    Q1.65N* Q1=3.3N*P1

    其中P1為系統負載總功率

    在離網光伏發電系統中,蓄電池循環充電放電過程,蓄電池深度放電將直接影響蓄電池壽命及循環使用次數,設放電深度系數為C,蓄電池容量公式修正為:

    Q=K* Q1*N*τ/C

    放電深度系數C:一般鉛酸蓄電池

    0.75,堿性鎳鎘蓄電池取0.85

    4.光伏組件輸出功率最大化

    有四個因素決定了光伏組件的輸出功率:負載電阻、太陽輻照度,電池溫度和光伏電池的效率。

    由此可以看到組件的溫度對其功率的輸出影響較大,所以陣列要安裝在通風、無遮擋的地方,以保持涼爽;

    下圖顯示功率受溫度影響曲線圖

     

    5.控制器

    蓄電池對充電與放電有一定的要求,頻繁的過充電與過放電會使使用壽命下降,必須對蓄電池進行充放電控制,這是控制器的首要功能。根據用戶用電、蓄電池充放電、太陽電池受光照狀況選擇太陽電池的最大功率工作點,協調充電與用電電流。控制器還要對系統進行檢測、保護、數據顯示。6.逆變器選型

     

    逆變器是一種功率調查裝置,對于使用交流負載的獨立光伏系統來說,逆變器是必要的。逆變器的選擇的一個重要因素就是您所設定的直流電壓的大小。對交流輸出,我們需要考慮的除了輸出功率和電壓外,還應考慮其波形和頻率。在輸入端須注意逆變器所要求的直流電壓和所能承受的浪涌能力的電壓的變化。

    逆變器性能會影響到光伏系統的性能可靠性和成本。總的說來其特性參數有:輸出波形,功率轉換效率,標稱功率,輸入電壓,電壓調整,電壓保護,頻率,調制性功率因子,無功電流等。

    下面是對有些參數的說明:

    Ø  功率轉換效率:其值等于逆變器輸出功率除以輸入功率,逆變器的效率會因負載的不同而有很大變化。

    Ø  輸入電壓:由交流負載所需的功率和電壓決定。一般負載越大,所需的逆變器的輸入電壓就越高。

    Ø  抗浪涌能力:大多數逆變器可超過它的額定功率有限的時間(幾秒鐘),有些變壓器和交流電機需要比正常工作高幾倍的起動電流對這些特殊負載的浪涌要求應測量出來。

    Ø  靜態電流:這是在逆變器不帶負載(無功耗)時,其本身所用的電流(功率),這個參數對于長期帶小負載的情況下是很重要的,當負載不大時,逆變器的效率是極低的。

    Ø  電壓調整:這意味著輸出電壓的多樣性。較多的系統在一個大的負載范圍內,均方根輸出電壓接近常數。

    Ø  電壓保護:逆變器在直流電壓過高時就會損壞。而逆變器的前級—蓄電池在過充電時逆變器的直流輸入電壓就會超過標稱值,所以作控制器來控制蓄電池的充電狀態是十分必要的。在無控制器時逆變器須有檢查測試保護電路,當電池電壓高于設定值時,保護電路會將逆變器斷開。

     

    三.太陽能光伏發電

    地面太陽能光伏發電系統分為離網光伏發電系統并網光伏發電系統分布式光伏發電系統。

    離網光伏發電系統,主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成在無線監控領域,由于客觀條件限制無法采用市電方式供電,因此一般采用離網光伏發電方式供電。

    1.我國太陽能資源分布情況 

     我國太陽能總輻射資源豐富,呈“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”的分布特點。 2.太陽能電池板傾斜角

    傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角。伏組件傾角的設計主要取決于光伏發電系統所處緯度和對一年四季發電量分配的要求。不同類型的太陽能光伏發電系統,其最佳安裝傾斜角是有所不同的。

    最佳傾斜角與當地的地理緯度有關,當緯度較高時,相應的傾斜角也大。

    以上發電量的計算,是在完全沒有陰影的前提下得到的。另外,如果方陣是前后水平放置時,后面的方陣與前面的方陣之間距離接近后,前邊方陣的陰影會對后邊方陣的發電量產生影響。假如太陽能電池板垂直高度為L,其南北方向的陰影長度為Ls,太陽高度(仰角)為h,方位角為B,方陣之間的水平距離

    Ls L×coth×cosB當緯度較高時,方陣之間的距離加大,相應地設置場所的面積也會增加。通常在排布方陣陣列時,應分別選取每一個方陣的構造尺寸,將其高度調整到合適值,從而利用其高度差使方陣之間的距離調整到最小。

     

    四、系統連接圖

    獨立光伏系統的構成主要包括:光伏組件(陣列)、蓄電池、逆變器、控制器。太陽能控制器只有一根正極接線,負載、太陽能電池板、蓄電池及直流負載設備共正極,用紅線表示。兩塊太陽能電池板并聯,負極用藍線表示,接控制器藍線,電池負極用黑線表示,接控制器黑線,負載負極綠線表示。接地線用黃色表示。控制器調成全天工作模式,接線時,先接蓄電池10分鐘,控制器穩定工作之后再接太陽能電池板及負載載。

     

    五、鏈路設計及應用

    森林防火遠程無線監控系統,由林區監控中心、無線傳輸系統,以及前端監控點構成。森林現場無法取電,監控點采用太陽能供電的方式保證整套系統的穩定傳輸,通過無線傳輸系統,將圖像傳輸到監控中心,通過遠程無線監控系統,森林防火管理中心能實時監控林區火情實況,及時發現火情,起到預防火災的目的。

    在現代化水庫監測中,可以實現主要點位、水位等的實時全天候視頻監控,加強水庫區安全保衛管理,提高工作效率,相關管理部門可以實時了解各個監控點的情況,處理突發事件。由于湖泊周圍無法采用市電方式供電采用太陽能監控能滿足實時監控需求。

    礦山周圍不易取電,采用無線加太陽能監控的方式能很好滿足客戶需求

     

    六、太陽能安裝

    安裝

     

    Ø  安裝時最好用指南針確定方位,并應注意在方陣前全天不能有高大建筑物或樹木等遮陽光。

    Ø  仔細檢查地腳螺釘及方陣支架等是否結實可靠,所有螺釘接線柱等均應擰緊,不能有松動。

    Ø  蓄電池室應保持通風干燥、清潔。在北方冬天寒冷,蓄電池應采取保暖措施。

     

     

    一、系統簡介

    太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔環保型能源,無線監控系統采用了遠距離無線網橋組網技術,使無法得到電力供應的偏遠地區實現遠程不間斷監控成為可能。

    本系統主要應用于野外以及城市不方便布線的區域,例如:建筑工地、水庫大壩、河流水位、漁場林場監控,森林防火、島嶼監控、邊防監控、單兵偵測等等.

     

     

     

     

     

    二、離網光伏發電系統設計分析:

    太陽能發電裝置與外部商用電網沒有連接,但能夠獨立提供供電能力的光伏發電系統稱為離網光伏發電系統,也稱為獨立光伏發電系統。離網光伏發電系統主要由太陽能光伏發電裝置、儲能蓄裝置、控制器、逆變器組成。下面對各個部分作簡單介紹。光伏發電系統總的設計原則是在保證滿足負載用電需要的前提下,確定最少的太陽電池組件和蓄電池容量,以盡量減少投資,即同時考慮可靠性及經濟性。

    在系統設計之前,設計者應盡量做到:

    (1)設計盡量簡單化,這樣可以提高系統的可靠性。

    (2)了解系統的效率,適當設計系統效率,若不合實際地把效率定在99%以上,其成    本是昂貴的。

    (3)在估算負載時要考慮周到,并要有一定的裕度。

    (4)反復計算核查當地的天氣資源,獲得該地區的太陽輻射能資源,對太陽輻射的錯    誤估計將會大大影響系統的作用。

    (5)在設計系統前了解安裝地點,去當地考察一下,這樣對設備安置走線,保護和地    帶特性都有所了解。

     

     

    1.負載功率確定:

    確定太陽能發電功率及配置的前提是確定前端需要供電設備(負載)的功率及耗電量。通過實驗檢測手段我們可以確定負載的總功率P1,P1主要包括:攝像機及其加熱器和無線設備功率以及逆變器轉化的功率損失。實驗檢測得到的總功率P1,由此可以確定負載的日耗電量W1為:W1= P1*24.

    若太陽能電池板和蓄電池組采用12V供電系統電壓,則負載設備日耗蓄電池電容量:Q1=W1/12V=2*P1(AH)

     

     

    2.太陽能電池方陣設計:

     

    根據負載設備日耗電量以及系統采用離網供電方式計算太陽能電池板數量。本設計擬采用單組電壓為12V,單塊功率為P2(W)的太陽能電池板。在忽略充電損耗的情況下,按每天平均日照時間3h計算,則單塊太陽能板的日發電量為:

    P2*3=3*P2 (Wh)

     

    一般情況下充電損耗比率為10%左右,那么單塊太陽能板的實際日發電量為:2.7* P2.

    因此需要太陽能板的最小數量:

    n=W/2.7P29 *P1 /P2.

    : (設計時采用進一法取整).

    如果考慮到設計系統為離網光伏發電系統,保證系統在冬天發電量比較低的情況下應考慮冬天日照時間每天為2.5小時 ,則n11*P1/P2.

    如果考慮陰雨雪天及衰減、灰塵、充電效率、霧霾等的損失等情況下的損失,以及考慮到陰雨天用電之后的蓄電池充電,應根據充滿蓄電池天數相應增加太陽能電池板設計數量.

    :按照3天陰雨天電池板數量相應增加50%左右考慮.蓄電池是用來將光伏陣列產生的電能(直流)存儲起來供后級負載(逆變器和交流負載)使用的部件,電池壽命由許多因素決定如放電速率,放電深度,循環次數和工作溫度等,蓄電池的容量對保證連續供電是極其重要的。太陽能方陣每日所發電量除供設備消耗外,還要多出一部分電量存儲到蓄電池內以備夜間及陰雨天使用。根據”設計規范”,設計中所配置的蓄電池組總容量應按如下公式計算:

    其中: Q: 蓄電池組容量(Ah);K:安全系數,取1.25I:負荷電流(A);T: 放電小時數(h);η:放電容量系數; t: 實際電池所在地最低環境溫度數值;α電池溫度系數(1/℃),當放電小時率≥10時,取α=0.006; 當放電小時率≥1時,取α=0.008;當放電小時率<1時,取α=0.01。,蓄電池容量與溫度關系可以由公式導出也可見表一

     

     

     

    若系統連續24小時穩定運行時設日耗電量Q1 ,假設當地環境最低溫度為:-15℃,則N天蓄電池組總容量計算公式簡化為:

    Q=K* Q1*N*τ

    N為最長連續陰雨天數;τ為溫度修正系數, -15℃時可計算

    τ=1.32

    由此計算出系統穩定工作的蓄電池容量:

    Q1.65N* Q1=3.3N*P1

    其中P1為系統負載總功率

    在離網光伏發電系統中,蓄電池循環充電放電過程,蓄電池深度放電將直接影響蓄電池壽命及循環使用次數,設放電深度系數為C,蓄電池容量公式修正為:

    Q=K* Q1*N*τ/C

    放電深度系數C:一般鉛酸蓄電池

    0.75,堿性鎳鎘蓄電池取0.85

    4.光伏組件輸出功率最大化

    有四個因素決定了光伏組件的輸出功率:負載電阻、太陽輻照度,電池溫度和光伏電池的效率。

    由此可以看到組件的溫度對其功率的輸出影響較大,所以陣列要安裝在通風、無遮擋的地方,以保持涼爽;

    下圖顯示功率受溫度影響曲線圖

     

     

     

     

    5.控制器

    蓄電池對充電與放電有一定的要求,頻繁的過充電與過放電會使使用壽命下降,必須對蓄電池進行充放電控制,這是控制器的首要功能。根據用戶用電、蓄電池充放電、太陽電池受光照狀況選擇太陽電池的最大功率工作點,協調充電與用電電流。控制器還要對系統進行檢測、保護、數據顯示。

     

     

    6.逆變器選型

     

    逆變器是一種功率調查裝置,對于使用交流負載的獨立光伏系統來說,逆變器是必要的。逆變器的選擇的一個重要因素就是您所設定的直流電壓的大小。對交流輸出,我們需要考慮的除了輸出功率和電壓外,還應考慮其波形和頻率。在輸入端須注意逆變器所要求的直流電壓和所能承受的浪涌能力的電壓的變化。

    逆變器性能會影響到光伏系統的性能可靠性和成本。總的說來其特性參數有:輸出波形,功率轉換效率,標稱功率,輸入電壓,電壓調整,電壓保護,頻率,調制性功率因子,無功電流等。

    下面是對有些參數的說明:

    Ø  功率轉換效率:其值等于逆變器輸出功率除以輸入功率,逆變器的效率會因負載的不同而有很大變化。

    Ø  輸入電壓:由交流負載所需的功率和電壓決定。一般負載越大,所需的逆變器的輸入電壓就越高。

    Ø  抗浪涌能力:大多數逆變器可超過它的額定功率有限的時間(幾秒鐘),有些變壓器和交流電機需要比正常工作高幾倍的起動電流對這些特殊負載的浪涌要求應測量出來。

    Ø  靜態電流:這是在逆變器不帶負載(無功耗)時,其本身所用的電流(功率),這個參數對于長期帶小負載的情況下是很重要的,當負載不大時,逆變器的效率是極低的。

    Ø  電壓調整:這意味著輸出電壓的多樣性。較多的系統在一個大的負載范圍內,均方根輸出電壓接近常數。

    Ø  電壓保護:逆變器在直流電壓過高時就會損壞。而逆變器的前級—蓄電池在過充電時逆變器的直流輸入電壓就會超過標稱值,所以作控制器來控制蓄電池的充電狀態是十分必要的。在無控制器時逆變器須有檢查測試保護電路,當電池電壓高于設定值時,保護電路會將逆變器斷開。

     

    三.太陽能光伏發電

    地面太陽能光伏發電系統分為離網光伏發電系統并網光伏發電系統分布式光伏發電系統。

    離網光伏發電系統,主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成在無線監控領域,由于客觀條件限制無法采用市電方式供電,因此一般采用離網光伏發電方式供電。

    1.我國太陽能資源分布情況 

     我國太陽能總輻射資源豐富,呈“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”的分布特點。

     

     2.太陽能電池板傾斜角

    傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角。伏組件傾角的設計主要取決于光伏發電系統所處緯度和對一年四季發電量分配的要求。不同類型的太陽能光伏發電系統,其最佳安裝傾斜角是有所不同的。

    最佳傾斜角與當地的地理緯度有關,當緯度較高時,相應的傾斜角也大。

     

     

     

    3.陰影對發電量的影響

     

    以上發電量的計算,是在完全沒有陰影的前提下得到的。另外,如果方陣是前后水平放置時,后面的方陣與前面的方陣之間距離接近后,前邊方陣的陰影會對后邊方陣的發電量產生影響。假如太陽能電池板垂直高度為L,其南北方向的陰影長度為Ls,太陽高度(仰角)為h,方位角為B,方陣之間的水平距離

    Ls L×coth×cosB

     

     

    當緯度較高時,方陣之間的距離加大,相應地設置場所的面積也會增加。通常在排布方陣陣列時,應分別選取每一個方陣的構造尺寸,將其高度調整到合適值,從而利用其高度差使方陣之間的距離調整到最小。

     

    四、系統連接圖

    獨立光伏系統的構成主要包括:光伏組件(陣列)、蓄電池、逆變器、控制器。

     

    太陽能控制器只有一根正極接線,負載、太陽能電池板、蓄電池及直流負載設備共正極,用紅線表示。兩塊太陽能電池板并聯,負極用藍線表示,接控制器藍線,電池負極用黑線表示,接控制器黑線,負載負極綠線表示。接地線用黃色表示。控制器調成全天工作模式,接線時,先接蓄電池10分鐘,控制器穩定工作之后再接太陽能電池板及負載載。

     

    五、鏈路設計及應用

     

    森林防火遠程無線監控系統,由林區監控中心、無線傳輸系統,以及前端監控點構成。森林現場無法取電,監控點采用太陽能供電的方式保證整套系統的穩定傳輸,通過無線傳輸系統,將圖像傳輸到監控中心,通過遠程無線監控系統,森林防火管理中心能實時監控林區火情實況,及時發現火情,起到預防火災的目的。

     

    在現代化水庫監測中,可以實現主要點位、水位等的實時全天候視頻監控,加強水庫區安全保衛管理,提高工作效率,相關管理部門可以實時了解各個監控點的情況,處理突發事件。由于湖泊周圍無法采用市電方式供電采用太陽能監控能滿足實時監控需求。

     

    礦山周圍不易取電,采用無線加太陽能監控的方式能很好滿足客戶需求

     

    六、太陽能安裝

    安裝

     

    Ø  安裝時最好用指南針確定方位,并應注意在方陣前全天不能有高大建筑物或樹木等遮陽光。

    Ø  仔細檢查地腳螺釘及方陣支架等是否結實可靠,所有螺釘接線柱等均應擰緊,不能有松動。

    Ø  蓄電池室應保持通風干燥、清潔。在北方冬天寒冷,蓄電池應采取保暖措施。

     

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