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图1 云南省太阳能年总辐射量分布图
图2 云南省年平均日照百分率分布
2.2 太阳能光伏技术的应用实践
在普达措国家公园基础设施建设中,充分利用当地丰富的太阳能作为自备电源,以太阳能光伏技术为野外用电项目提供电力支持,是十分可行的。普达措国家公园中用电对象围绕管理站、道路照明、视频监控、污水处理和科研监测等项目,采用太阳能光伏建筑一体化、视频监控-风光互补技术和太阳能发光二极管(light emitting diode, LED)景观照明3种形式。
1)太阳能光伏建筑一体化
普达措国家公园里面的管理站(含科研监测用房、生态厕所),绝大多数位于野外空旷地带,建筑本身已考虑与环境相协调,建筑体可采用太阳能光伏建筑一体化,本着“节能、环保、安全、美观和经济实用”的原则,同步设计、同步施工、同步验收,与建设工程同时投入使用,进行屋顶分布式光伏发电,为建筑体自身的照明插座、设备仪器、污水处理设施提供电力供应,满足正常使用功能的要求。
图3 管理站太阳能光伏建筑一体化
管理站的太阳能光伏建筑一体化,采用独立安装型,即将普通的太阳能板通过专用的装配件与屋顶建筑结构体施工连接(坡屋面顺坡安装型),直接为建筑体供电,节约场地,不影响野生动物的栖息环境和植物的生长环境。
此外,普通太阳电池板可批量生产和采购,成本低廉,安装方便,虽无法代替建筑材料直接使用,但是可以作为一种独立的设计元素与建筑体自身加以整合,不失为独特的建筑隐蔽效果;另外,市场上光伏系统可作为房屋的一部分打包出售,无需另外单独安装和改造房屋线路。
管理站光伏发电的应用形式采用离网系统,包括太阳能电池板、控制器、蓄电池组、逆变器等部分组成,其系统结构如图4所示。
图4 管理站离网光伏系统的结构示意图
根据管理站自身业务功能和后期发展的需求,需要建设20kWp的离网太阳能光伏发电系统,太阳能板设计选用80块的250Wp多晶硅电池组件(10块串联一组),其中,光伏组件的峰值功率250Wp、开路电压37.6V、短路电流8.81A、工作电压30.4V、工作电流8.23A、最大外形尺寸1650mm×992mm× 45mm。控制器设计考虑充满、欠压、过放、短路和防范冲控制。
其中,控制器的额定电压DC220V、输入电流88.1A(选用100A)、最大光伏组件功率20kWp、充电回路压降≤1.35V、放电回路压降≤0.1V。蓄电池设计考虑阀控铅酸蓄电池,寿命长、免维护,要求能满足阴雨天连续使用3天以上,蓄电池容量为800Ah,额定工作电压2V,自放电率<3%。
考虑逆变器稳定性设计的直流输入电压220V、电流65.8A,交流输出电压220V、电流90.9A,额定容量20kVA,额定输出功率16kW。另外,选用1台30kVA的交流配电柜,匹配2路防雷汇线盒。有条件的管理站建立屋顶光伏巡检运维系统,及时发现故障并迅速进行处置。
2)视频监控-风光互补技术
普达措国家公园内的野外视频监控系统的电源,综合考虑风光互补供电技术,不少于7个阴雨天的设备连续运行供电。风光互补设备安装在不低于15m的资源监测专用铁塔上,适应高寒高海拔地区的巡视监控需要。
单个监控基站的电源设备,设计选用“小型风力发电机+太阳能组件+风光互补视频监控综合控制柜”。
关于小型风力发电机,采用水平轴风力发电机,额定功率控制600W,额定电压48V,叶片数量3~5叶为宜,叶片直径不超过1.75m,起动风速2.5m/s,切入风速3m/s,发电机效率不低于0.75。
关于太阳能组件,采用单晶硅太阳能电池组件,转换率控制在18%以上,峰值功率不超过200W,工作电压36V,工作电流5.56A,最大外形尺寸1580mm×808mm×35mm,质量不超过15kg。太阳能专用胶体电池,额定电压12V,额定容量200Ah。
关于风光互补视频监控综合控制柜,小型风机低风速时切入充电,最大功率点追踪(maximum power point tracking, MPPT),功率曲线变化可调,具有防雷保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、断路保护、输入限功率保护、夜间防反冲保护以及超温保护。其中,风机充电控制器,最大接入风机功率600W,太阳能充放电控制器,逆变交流输出220V、最大充放电流60A。
图5 视频监控-风光互补安装示意图
3)太阳能LED景观照明
在普达措国家公园内管理站的内部场地照明或村庄社区的部分交通路段照明,设计考虑太阳能LED景观照明。太阳能LED景观照明,以太阳能为电源,采用LED光源,灯具形式主要为以路灯(庭院灯)、草坪灯等。
LED光源是行业认可的太阳能光伏技术最合适的光源,以此用于太阳能景观照明符合节能环保的要求。根据测试数据显示,LED属于高效光源,发光效率高,耗电量小,使用寿命长,与白炽灯相比节电效率可以达到90%以上。在同样亮度下,LED光源耗电量仅为普通白炽灯的1/10,荧光灯的1/3,低压型节能灯的1/2。
太阳能LED景观照明的供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器和蓄电池(组)组成。根据灯具的需要如输出电源为交流220V或110V,可配置逆变器,LED均流驱动器,以及选用先进的LED路灯系统及其控制策略。
图6 太阳能LED景观照明示意图
3 结论
以国家公园为代表的自然保护地,具有资源丰富、生态多样、生态环境脆弱等典型地域特征,是中国特色自然保护地体系的重要内容,因地制宜,充分利用太阳能光伏建筑一体化、视频监控-风光互补技术、太阳能LED景观照明等太阳能光伏技术,解决因自然条件受限的电源问题,不失为一种新的技术理念,对促进国家公园体制试点建设具有重要的实践意义。
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