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大学校园电能使用的可持续发展研究
大学校园电能使用的可持续发展研究
产品说明:

第一章 前言

1.1 课题研究背景

我国是一个电力能源相对缺乏的国家。虽然电力工业发展速度很快,但是电力紧张状况依然非常严峻。特别是近些年来电网负荷越来越大,电网已不堪重负。电力短缺已成为制约国民经济发展的突出问题。我国电力能源利用率与发达国家相比非常低,因此造成电力能源进一步紧张。随着我国基本建设的快速发展和人民物质文化生活水平的日益提高、科技和经济发展突飞猛进、城市建设规模的不断扩大、城市灯光夜景亮化工程的加速、工业商业的发展,全国照明耗电量将每年以15%的速度递增。对于中国这样一个发展中国家,在能源十分短缺的情况下,为了能使国民经济持续、高速、健康地向前发展,必须控制用电量,重视节能事业的发展,这也正是本课题的产生的一个背景。

目前,随着我国大学校园建筑的现代化进程的加快,配套设备的大量应用,能源消耗迅速增加。大学校园建筑内电脑,灯光,空调,投影设备等都会造成电能的大量消耗,对耗能问题和用电安全不容忽视。目前大学校园建筑使用电能主要有空MATLAB代做QQ1224848052调和采暖系统、照明系统、电脑等,这些用电设备构成一个完整的配电网,通过变压器、开关柜、继电保护、电缆向设备供电。因此大学校园建筑节电涉及到用电监测、管理、设备改造、新技术应用等一系列措施。依据国家能源发展战略,结合大学校园建筑的用电特点,开展大学校园建筑安全节能技术应用研究。

综上所述,开展安全节能技术应用研究,既是大学校园建筑落实国家能源发展战略的重要举措,也是行业可持续发展的必然选择,意义重大,必须给予足够的重视。

1.2 新能源的应用前景

新能源是我们可选的唯一出路。现在人类所使用的能源可以分为两类,即来自太阳的能源和非来自太阳的能源。来自太阳的能源又有直接来自太阳和间接来自太阳两种。比如,煤炭、石油、天然气等石化燃料都属于来自太阳的能源,风能、水能植物能源也属于来自太阳的能源,只不过是间接来自太阳;潮汐能、核能、地热能属于非来自太阳的能源。由于间接来自太阳,经历了中间转换环节,有很大一部分损失掉了,太阳能的转换效率变得特别低。只有太阳电池发电的方式是太阳能的一次转换,所得到的能量大部分都转换成了电能,所以转换效率是最高的。太阳内部不断进行的高温核聚变反应释放着巨大辐射能,其中只有二十亿分之一到达地球大气高层;经过大气层时,约30%被反射,23%被吸收,仅有不到一半的能量到达地球表面。当前工业化太阳电池的最高效率是18%,所以只要能利用其中MATLAB代做QQ1224848052万分之几,便可满足今天人类的全部需要。

1.3 我国太阳能资源的分布情况

我国幅员广大,有着十分丰富的太阳能资源。按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区。

    一类地区的年日照时数为3200-3300h,辐射量在670×10-837×10 kJ/(cm .a),相当于225-285kg标准煤燃烧所发出的热量。该地区主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地,是我国太阳能资源最丰富的地区。

    二类地区的年日照时数为3000-3200h,辐射量在586×10-670×10kJ/(cm.a),相当于200-225 kg标准煤燃烧所发出的热量。该地区主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。

    三类地区的年日照数为2200-3000h,辐射量在502×10-586×10kJ/(cm.a),相当于170-200 kg标准煤燃烧所发出的热量。该地区主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。 

    四类地区的年日照时数为1400-2200h,辐射量在419×10-502×10kJ/(cm.a),相当于140-170 kg标准煤燃烧所发出的热量。该地区主要包括长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区。   

    五类地区的年日照时数约1000-1400hMATLAB代做QQ1224848052,辐射量在335×10-419×10 kJ/(cm.a),相当于l15-140 kg标准煤燃烧所发出的热量。该地区主要包括四川和贵州两省,是我国太阳能资源最少的地区。

4.1 太阳能光伏(PV)发电原理介绍

1839年,法国物理学家贝克勒尔发现:将两片金属浸入溶液构成的伏打电池,当受到阳光照射时会发生额外的伏打电动势。他把这种现象称为“光生伏打效应“,简称“光伏效应”。1883年,有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。以后,人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。因为半导体P-N结器件在太阳光照射下的光电转换效率最高,所以通常把这类光伏器件称为“太阳能电池”。1954年,恰宾等人在美国贝尔电话实验室第一次作出了光电转换效率为6%的实用的单晶硅太阳能电池,开创了太阳能电池研究的新纪元。自从实用性的硅太阳电池问世以来,世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。

光伏发电不消耗燃料,不受地域限制,规模大小随意,可以独立发电或并网发电,无噪声、无污染,建设周期短,不用架设输电线路,安全可靠,维护简便,可以无人值守,具有其它发电方式无可比拟的优点。它是大规模利用太阳能的重要技术基础。尽管太阳能光伏发电成本高达普通煤电成本的6-8倍,但近年来仍以25-40%的年增长率高速发展。

太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光,将太阳的光能直接转变为电能输出。单个太阳能电池往往因为输出电压太低,输出电流不合适,晶体硅太阳能电池本身又比较脆,不能独立抵御外界恶劣条件,因而在实际使用中需要把单体太阳能电池进行串、并联,并加以封装,接出外连电线,成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件,也称光伏组件。         

光伏组件输出功率从零点几瓦到数百瓦不等。若干块光伏组件经串、并联后组成太阳能电池方阵,也称光伏方阵。光伏方阵输出功率丛数瓦到数十千瓦不等。作为一个完整的太阳能发电系统,还需有控制器、蓄电池、逆变器、支架、输配电缆、开关、熔断器等一整套“平衡系统”与太阳能电池组件或方阵相配才能正常工作。

太阳能电池是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置,实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统,称为电池组件,多MATLAB代做QQ1224848052个组件互联拼装后称为方阵。单一电池是一只硅晶体二极管,根据半导体材料的电子学特性,当太阳光照射到PN型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定的条件下,太阳能辐射被半导体材料吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。

太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存,蓄电池的容量要受到末端需电量、日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近,以获得最高效率。在小型光伏系统中,主要起防止蓄电池过充电和过放电的作用;在大、中型光伏系统中,则主要担负着平衡管理光伏系统能量、保护蓄电池及整个光伏系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。充电控制通常采用脉冲宽度调制技术,使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。

4.2 太阳能光伏发电的分类

·独立光伏发电系统

独立光伏发电系统的电路由光伏阵列、控制器、变换器、蓄电池和逆变器组成。光伏阵列的作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能,一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。蓄电池的作用是当发电量大于负载所需电量时,光伏阵列通过控制器给蓄电池充电;当发电量不足时,光伏阵列和蓄电池同时给负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。

 

·并网光伏发电系统

光伏发电系统直接与电网连接,其中逆变器将太阳电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中;控制器控制太阳电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率,使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式,其不同处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池储能环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统。

·混合型光伏发电系统

混合型光伏发电系统,它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组,当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时,可以启动备用发电机组,它既可以直接给交流负载供电,又可以经控制器后给蓄电池充电,所以称为混合型光伏发电系统。

4.3 太阳能光伏(PV)发电的最大频率点跟踪介绍

在太阳能光伏发电系统中,太阳电池是最基本的环节,若要提高整个系统的效率必须提高太阳电池的转换效率,使其输出功率为最大功率。太阳电池的输出功率随着日照强度、环境温度和负载的变化而改变,其输出特性具有非线性的特征。在一定的日照强度和温度下,太阳电池可以工作在不同的输出电压,但是只有在某一输出电压值时,其输出功率才能达到最大值,这一点的功率称之为最大功率点。在光伏系统中,要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是根据外界环境的变化实时调整光伏阵列的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,这一过程就称为最大功率点跟踪(MPPT)。

最大功率跟踪的目的是将太阳能光伏组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负载,使太阳能光伏系统的系统能量利用效率尽可能高。但是作为实际的应用系统,通过调整负载阻抗大小的方式来达到最大功率是很难实现的。其实,MPPT的实质是一个动态的自寻优过程,通过对阵列当前输出电压和电流的检测,得到当前阵列的输出功率,再与已被存储的前MATLAB代做QQ1224848052一时刻阵列功率相比较,舍小存大,再检测,再比较,如此不停地周而复始,便可使阵列动态地工作在最大功率点上。

5.1照明灯的节电标准

5.1.1照明光源选择

·要尽量减少白炽灯的使用量

白炽灯因其安装使用方便,价格低廉,但因其光效低、寿命短、耗电高,应尽量减少其使用量。

·推广使用细管径的T8灯或T5荧光灯或紧凑型荧光灯

细管径直管形荧光灯光效高、启动快、显色性好。T5灯在欧洲瑞典的应用已占荧光灯的70%。荧光灯适用于较低(4~4.5m)的房间。紧凑型荧光灯光效较高、寿命长、显色性较好,用它取代白炽灯可节约电能。

·积极推广高光效、长寿命的金属卤化物灯和高压钠灯

金卤灯具有光效高、寿命长、显色性好等特点,因而其应用程度日益增长,特别适用于有显色性要求的高大(大于6m)房间。高压钠灯光效更高,寿命更长,价格较低,但其显色性差,可用于辨色要求不高的场所。

·逐步减少高压汞灯的使用量

因高压汞灯光效较低,寿命也不太长,显色指数不高,故今后不宜大量推广使用,要减少其使用量。

·扩大发光二极管(LED)的应用

LED的特点是寿命长、光利用率高、耐震、温升低、低电压、显色性好和节电,适用范围比较广。日前,5W的LED,其光效达24lm/W,具有广阔的应用前景是照明光源的革命性飞跃。

5.1.2照明灯具选择

·选用高效率灯具

在满足眩光限制和配光要求的条件下,荧光灯灯具效率不应低于:开敞式的为75%、带透明保护罩的为65%、带磨砂或棱镜保护罩的为55%和带格栅的为60%。高强度气体放电灯灯具效率不应低于:开敞式的为75%、格栅或透光罩的为60%。

·选用控光合理灯具

根据使用场所条件,采用控光合理的灯具。如蝙蝠翼式配光灯具、块板式高效灯具等,块板式灯具可提高灯具效率5%~20%。

·选用光通量维持率好的灯具

如选用涂二氧化硅保护膜、反射器采用真空镀铝工艺和蒸镀银光学多层膜反射材料以及采用活性炭过滤器等,以提高灯具效率。

·选用灯具光利用系数高的灯具

使灯具发射出的光通量最大限度地落在工作面上,利用系数值取决于灯具效率、灯具配光等。

·照明控制方式选择

过高的电压将使照度过分提高,会导致光源使用寿命降低和能耗过分增加,不利节能;而过低的电压,又会使照度降低,影响照明质量。照明灯具MATLAB代做QQ1224848052的端电压不宜大于其额定电压的105%;一般工作场所不宜低于其额定电压的95%。

气体放电灯配电感镇流器时,应设置电容补偿,以将功率因数提高到0.9。有条件时,宜在灯具内装设补偿电容,以降低线路能耗和电压损失。

照明配电干线和分支线应采用铜芯,分支线截面不应小于1.5mm2才有利于用电安全,提高可靠性,同时降低线路的电能损耗。

在有天然采光的楼梯间、走道的照明,除应急照明外,宜采用节能自熄开关。


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