王新軍，嚴磊，單云，孫忠偉，狄暉

(1.常州工學院藝術(shù)與設計學院，江蘇常州213002；2.常州市燈光建設管理辦公室，江蘇常州213002；

3.江蘇尚森太陽能科技發(fā)展有限公司，江蘇常州213002)

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常州豐臣海悅廣場離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)設計與實施

王新軍1，嚴磊2，單云2，孫忠偉3，狄暉3

(1.常州工學院藝術(shù)與設計學院，江蘇常州213002；2.常州市燈光建設管理辦公室，江蘇常州213002；

3.江蘇尚森太陽能科技發(fā)展有限公司，江蘇常州213002)

“綠色照明”是20世紀90年代初期國際上對節(jié)約電能、保護環(huán)境型照明系統(tǒng)的形象性說法,是指采用高效光源，經(jīng)科學設計構(gòu)建的高效節(jié)能、明亮舒適的照明環(huán)境。我國綠色照明工程啟動比較早，曾經(jīng)被列為我國“九五”時期和“十五”期間節(jié)能領域的重大示范工程。長期以來我國綠色照明工程的宗旨是：節(jié)約能源、保護環(huán)境、提高照明質(zhì)量[1]。由于太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點，太陽能被認為是21世紀最重要的能源。目前太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，給太陽能在照明中的應用帶來了廣闊的前景。

常州豐臣海悅廣場建筑照明實施綠色能源改造，采用離網(wǎng)型太陽能供電方式將太陽能應用于建筑景觀照明，實現(xiàn)對太陽能源吸收、轉(zhuǎn)換、逆變、存儲、使用的功能，從而達到節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。常州市燈光建設管理辦公室于2014年5月26日通過政府采購正式確定了項目中標單位，由江蘇尚森太陽能科技發(fā)展有限公司對該項目進行設計和實施。

1離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)設計

豐臣海悅廣場樓頂開闊、陽光充足，完全符合綠色能源系統(tǒng)改造工程的實施條件。該項目負載總功率約為20 kW，這樣的功率在樓宇亮化照明系統(tǒng)中比較具有代表性。該棟大樓原有的供電系統(tǒng)和照明器具由于年久失修、線路老化，已無法正常工作，綠色能源改造將對該樓宇亮化供電系統(tǒng)進行優(yōu)化變革，真正做到新能源的開發(fā)利用。

1.1　離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)的工作原理

圖1　離網(wǎng)太陽能照明系統(tǒng)原理圖

本項目采用離網(wǎng)型太陽能供電模式，離網(wǎng)型太陽能是太陽能電池(太陽能光伏組件)發(fā)出的電能不經(jīng)電網(wǎng)進行轉(zhuǎn)移及運輸，而是供用戶直接儲存和使用[2]。離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)工作原理是：在有光照的情況下，太陽能電池陣列將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，通過光伏智能控制器將電能存儲在儲能蓄電池陣列中；在無光照的情況下，離網(wǎng)逆變器將儲能蓄電池整列中的電能逆變?yōu)?80 V/220 V純正弦波交流電，經(jīng)控制系統(tǒng)給燈具負載持續(xù)穩(wěn)定地供電，如圖1所示。1.2項目改造技術(shù)要求

1)采用純太陽能供電系統(tǒng)，輸出220 V，負載20 kW。

2)蓄能滿值狀態(tài)下可持續(xù)亮燈4 h；常效狀態(tài)下可持續(xù)亮燈2 h,可抗陰雨1 d。

1.3　系統(tǒng)設計

圖2　離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)設計流程圖

離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)設計內(nèi)容與流程如圖2所示。

1.3.1負載功率確定

根據(jù)豐臣海悅廣場燈光亮化工程施工圖統(tǒng)計，共使用670套燈具，其中：24 W大功率LED洗墻燈622套，150 W大功率LED投光燈48套，額定功率為22.2 kW。常州市燈光建設管理辦公室遠程監(jiān)測系統(tǒng)實際顯示功率約19.8 kW。該綠色能源系統(tǒng)改造項目最終設計功率為20 kW。

1.3.2系統(tǒng)工作要求

每晚亮燈2 h，抗陰雨天數(shù)1 d。根據(jù)工作要求進行組件的核算工作。

1.3.3系統(tǒng)電壓

豐臣海悅景觀照明系統(tǒng)有其特殊性，所有LED照明燈具均自帶變壓器，直接采用交流220 V供電，因此該綠色能源系統(tǒng)改造項目增加逆變部分為其供應220 V 交流電。

1.3.4蓄電池選型與蓄電池容量測算

該系統(tǒng)選擇壽命長、充放電效率高、維護少、便于安裝的鉛酸免維護蓄電池，從而保證太陽能亮化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。計算得出蓄電池容量為94 kW[3]。選用150 Ah/12 V的鉛酸免維護蓄電池，共60套，分為3組并聯(lián)，每組20套串聯(lián)形成240 V電壓，該蓄電池陣列的總?cè)萘繛?08 kW，其中14 kW為設計余量。

1.3.5太陽能電池陣列朝向的確定

在Ecotect軟件中使用Tools中的Run the weather tool工具[4]，會調(diào)用軟件中的天氣分析模塊，在Location Data中輸入本項目的名稱和經(jīng)緯度，然后進入Solar Position點擊Best Orientation按鈕，選擇最冷月份12月到次年的2月，最熱月份6月到8月，最佳朝向即可確定，如圖3所示。圖中實線箭頭與虛線箭頭分別表示最佳朝向200°和最差朝向290°。

圖3　最佳朝向分析圖

1.3.6最佳傾角的確定

根據(jù)NASA氣象數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，運用Ecotect對0°～90°安裝傾角的太陽能光伏陣列，在1年四季內(nèi)接受的太陽輻照量進行計算[5]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)春夏秋冬四季受到的太陽輻射量沒有共同的交點。在43°時春夏秋三季的太陽輻照量相近，分別為2.446 80×105、2.445 60×105、2.428 90×105Wh/m2，冬季太陽輻照量為2.129 20×105Wh/m2，此時四季接收的太陽輻照量最為接近，對于均衡性荷載，傾角在42°～45°都可以考慮，本項目選擇43°的傾角。

1.3.7光伏組件功率測算與選型

本項目使用的太陽能電池最大功率為250 W，最大功率工作電壓為30 V，組件效率為15.3%。根據(jù)系統(tǒng)總功率，計算得出采用80塊250 W的太陽能電池[6]，可滿足系統(tǒng)需求。通過計算得出系統(tǒng)的串聯(lián)數(shù)為10串8并的排列方式。

1.3.8離網(wǎng)逆變一體機選型

本項目系統(tǒng)控制器選用的是HPV型光伏離網(wǎng)逆變一體機，該控制器兼?zhèn)涔夥悄艹潆娍刂婆c直流逆變輸出的功能。白天光伏智能控制器控制光伏組件給蓄電池進行充電?？刂破鞑捎孟冗M的串聯(lián)型脈寬調(diào)制(PWM)方式，0～100%的寬范圍PWM調(diào)節(jié)能夠在任何條件下對蓄電池快速穩(wěn)定地充電。充電器具有快速充電、提升充電、浮充充電的功能，并且定期對蓄電池進行均衡充電，有效地延長了蓄電池的使用壽命。夜晚逆變輸出部分將蓄電池直流電逆變?yōu)?20V純正弦波交流電，由常州市燈光建設管理辦公室的遠程控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)管理，給LED照明燈具持續(xù)穩(wěn)定的供電。

2照明系統(tǒng)的實施

2.1　施工準備

施工涉及組件安放、安裝完成后的安全保護以及材料采購。組件的安放和安全需要與豐臣海悅廣場樓宇建設及物業(yè)進行銜接與溝通，保證該項目實施過程中不受其他因素干擾。另外，與建設方及物業(yè)就建成后防盜問題進行溝通，通過規(guī)范管理與監(jiān)控保證太陽能組件的安全。

為使項目順利開展，按照合同約定進行組件及相關材料的準備工作，保證該項目產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高效。主要采購材料有：①TSL天合光能多晶硅電池組件；②華富太陽能膠體電池；③華益特太陽能充放電控制逆變一體機；④ 電纜及相關輔材等。

2.2　系統(tǒng)安裝

2.2.1太陽能組件的安裝

根據(jù)設計方案的要求，該項目的太陽能光伏組件的朝向為正南偏西20°方向，傾角43°的安裝方式，保證組件的功率轉(zhuǎn)換效率最大。太陽能光伏組件直接安裝在成套支架上，每串太陽能電池之間的間距為2.5 m，確保安裝的平穩(wěn)、協(xié)調(diào)、美觀，如圖4所示。

圖4　常州豐臣海悅廣場太陽能光伏組件的安裝實景圖

2.2.2蓄電池安裝

按照方案計算的結(jié)果安裝鉛酸免維護蓄電池，60套分3組進行并聯(lián)。施工時將電池組分散堆放，以免形成較大荷載對建筑安全造成隱患。

2.2.3逆變器安裝

逆變系統(tǒng)控制器選用的是HPV型光伏離網(wǎng)逆變一體機，該控制器兼?zhèn)涔夥悄艹潆娍刂婆c直流逆變輸出的功能。為延長其使用壽命，逆變器安置于電梯機房內(nèi)。

2.3　系統(tǒng)組件連接與調(diào)試

常州豐臣海悅廣場離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)的安裝工作完成后，進行系統(tǒng)調(diào)試，待調(diào)試完成后進行系統(tǒng)對接。在系統(tǒng)調(diào)試時，務必對各個部位進行詳細檢查、檢測，調(diào)試負載的穩(wěn)定性，確保整體組件能夠正常運行。完成調(diào)試即可進行正式并接，使樓宇亮化工程脫離電網(wǎng)供電，直接并入改造供電模式運行，最終的建筑照明效果如圖5。

圖5　豐臣海悅廣場建筑夜景

2.4　系統(tǒng)運行與監(jiān)測

在豐臣海悅廣場樓宇亮化綠色能源改造工程運行1個月內(nèi)，每日對該工程運行模式、供電時間監(jiān)控、各個組件運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控與記錄，一方面確保常州豐臣海悅廣場離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)穩(wěn)定運行，另一方面掌握詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)，為后續(xù)維護工作服務。

2.5　工程日常維護

該項目成立了公司綠色能源改造專項項目部，對豐臣海悅廣場樓宇頂部的綠色能源改造方式、位置、光照系數(shù)進行詳細比對計算，確保綠色能源項目穩(wěn)定運行，如出現(xiàn)故障報修6 h現(xiàn)場響應，維修處理24 h內(nèi)解決。改造后確保該項目蓄能滿值狀態(tài)下可持續(xù)亮燈4 h；常效狀態(tài)下可持續(xù)亮燈2 h，可抗陰雨1 d。

3結(jié)語

由于常州市豐臣海悅廣場離網(wǎng)型太陽能光伏照明項目采用離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)并網(wǎng)型太陽能發(fā)電，應用在當?shù)氐木坝^照明尚屬先例，技術(shù)難度較大，產(chǎn)品無國家規(guī)范，在實施過程突破層層技術(shù)壁壘，經(jīng)反復調(diào)試、論證，提升系統(tǒng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)方案，在參建各方的共同努力下，完成了項目的實施。

該項目采用純太陽能供電，主要由80塊250 W的多晶硅太陽能電池、60套12 V/150 Ah鉛酸免維護蓄電池、太陽能光伏控制器、30 kW光伏逆變器等設施組成。每年可發(fā)電量18.980 MW·h，與火電站相比，相當于可節(jié)約標準煤6.832 8×103kg,減少二氧化碳排放量約18.923 06×103kg,減少二氧化硫排放量約569.4 kg,減少碳粉塵污染排放量約5.162 56×103kg,減少氮氧化合物排放量約284.7 kg,同時還可節(jié)約大量的淡水資源。

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責任編輯：陳亮

摘要：闡述常州豐臣海悅廣場離網(wǎng)型太陽能照明系統(tǒng)的設計與實施過程，詳細分析了蓄電池選擇、太陽能光伏組件安裝的朝向與傾斜角、逆變器的選擇方法以及項目的調(diào)試、監(jiān)測與維護。項目建成后每年可發(fā)電量 18.980 MW·h，可節(jié)約標準煤6.832 8×103kg。

關鍵詞：太陽能照明系統(tǒng)；離網(wǎng)發(fā)電；建筑照明；光伏技術(shù)

Design and Application of Off-grid PV Lighting System in Fengchenghaiyue Square in ChangzhouWANG Xinjun1，YAN Lei2，SHAN Yun2，SUN Zhongwei3，DI Hui3

(1.School of Art and Design,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002；2.Changzhou Lighting Construction & Management Office,Changzhou 213002；3.Jiangsu Shangseng Solar Energy Science and Technology Development Co.,Ltd.,Changzhou 213002 )

Abstract：The paper exposits the design and application of off-grid PV lighting system in Fengchenghaiyue Square in Changzhou.It analyzes battery selection,tilted angle and orientation of the solar PV array,inverter selection,project commissioning,monitoring and maintenance.The project is designed to generate 18.980 MW·h a year after completion and save 6.832 8×103kg tonnes of coal.

Key words：PV lighting system;off-grid power generation;architectural lighting;photovoltaic technology

中圖分類號：TU113.6+62

文獻標志碼：A

文章編號：1671-0436(2015)03-0027-04

作者簡介：王新軍(1978—)，男，副教授。

收稿日期：2015-04-21

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2015.03.007

本文設計并實現(xiàn)了基于MongoDB的海量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲方案，包括數(shù)據(jù)庫集群的配置以及數(shù)據(jù)接口的設計，并與基于關系型數(shù)據(jù)庫SQL Server和MySQL的存儲方案進行了性能比較測試。測試結(jié)果表明，本文提出的存儲方案相比關系型數(shù)據(jù)庫來說具有更好的數(shù)據(jù)存儲和查詢性能，可為海量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的存儲與處理提供借鑒。

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責任編輯：陳亮