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光伏空调

发布时间:2018/7/10 丨 文章来源:admin 丨 浏览次数:3707

光伏空调


  光伏空调系统简介 

  太阳能光伏直流空调主要由太阳能光伏电池、蓄电池、控制器、升压电路、直流变频空调器组成,其各部件的连接关系如图1所示: 

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                               图1 太阳能光伏空调的系统图

  在光照充足的条件下,照射在太阳能电池上的太阳光转化成为直流电,通过控制器来调节输出的电流和电压使其尽可能达到稳定。较为稳定的直流电一方面经过直流升压模块提升电压后直接为直流压缩机供电,另一方面则经过充电电路储存在蓄电池中。


  在光照不足时,太阳能电池发电量不足以使空调器正常运转,系统会自动调节市电输出功率,使得交流市电经过整流电路后作为辅助直流电为直流压缩机供电。这样就避免了在恶劣环境条件下光伏空调器不能正常运行的问题。另外,市电电源由于其功率大,电压高等特点也将作为压缩机的启动电源使用。


  1、光伏直流空调的准并网电路系统 

  直流准并网技术是美的公司研发的一种针对我国的电网现状提出的新型并网发电技术的应用模式,该模式将市电整流为直流电后与并网电源系统:包括太阳能发电系统、小型水力和风力发电系统进行直流并联。 

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图2 准并网电路系统图

  如图2所示,太阳能光伏直流空调的准并网电路系统主要由电源电路、主继电电路和PFC电路组成。其工作原理是:220V的交流市电经过整流后所产生的高压直流电与来自太阳能电池经过DC-DC升压电路后的高压直流电相并联,共同为直流压缩机供电。由于市电整流电路的单向导电性决定了该类型电路结构不能实现向电网的馈电,但又均可以在并联位置向负载端供电,故称其为直流准并网电路。


  2、光伏空调的特性及实验分析 

  2.1太阳能电池的光伏特性及实验分析 

  目前我国对于太阳能电池的研究已有一定的基础,市场上太阳能电池的种类也比较多,通常按照电池材料的不同可以分为:晶体硅光伏电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体光伏电池和纳米晶太阳能电池四大类。其中市场占有率最高的是晶体硅光伏电池,这种电池的最大优势在于它的转换效率高且工作较为稳定,现阶段的光伏家电大多都是采用这一类的太阳能电池。 

太阳能光伏电池所输出的电流与电压是一种非线性的关系,模型U-I特性可表示为: 

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公式(1)、(2)、(3)中ISC为短路电流、UOC为开路电压、Im为最大功率点电流、Um为最大功率点电压,太阳能电池的U-I曲线如图3所示: 

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图3 太阳能电池的U-I特性曲线图

  由于太阳能电池U、I的非线性特点,为了使电池以最佳状态工作就要应用最大功率点追踪技术。最大功率点追踪技术即MPPT是通过不断的调节太阳能电池的输出电压自动观测功率的变化,最终使得太阳能电池的发电功率时刻处在最大值Pm点。 

  通常对于带MPPT功能的太阳能电池,其最大功率Pm是在辐照强度为1000W/m2且温度为25℃的标准条件下所测得,然而在实际应用过程中全天的光照强度并不能时刻满足标准条件,对于大1匹的直流变频空调选取最大功率为1.44kW的太阳能电池组件进行匹配实验,结果如图4所示: 

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图4 太阳能电池发电功率与光照强度关系图

  图4所示为北京5月某天太阳能电池的发电功率与辐照强度的关系,其结果显示该天在11:00-13:30之间辐照强度可达到600W/m2以上,该时段发电功率平均值约为1kW以上。对于大1匹的变频空调而言,其压缩机的输入功率约为920W。因此,在理论上1.44kW的太阳能电池组件在该时段可独立驱动压缩机工作。但在其他时段则需要市电进行辅助。


  2.2  蓄电池的工作特性及理论计算 

  目前我国在蓄电池的研究和应用上已经比较成熟,其中应用最为广泛的是密封免维护式铅酸蓄电池,它与开口式铅酸蓄电池和镍氢、锂电池相比具有不易泄露,性价比高等优点。考虑到以上特点在该套光伏空调中还是选择密封免维护式铅酸蓄电池。 

  蓄电池在电路系统中的作用主要有3个:①储存太阳能电池所发的电量;②提供一个相对较大的启动电流从而节省市电;③在太阳能电池发电量剧烈波动时起到平滑电流电压的作用。 

  蓄电池的工作特性受它的容量Q影响,其主要表现在不同的容量Q将最终决定了它的充放电电流I和持续时间t,其三者具有如下关系:

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  在充电过程中为保证蓄电池的使用寿命,使充电电流Iin始终维持在0.1CA为最佳,其充电电压U基本维持在额定电压,充电功率可近似表示为:P= UIin  (5)

  根据上述光伏空调系统,选取24V/200Ah的蓄电池以公式(5)进行计算可得充电电流、电压、功率如下: 

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  对于上述功率为1.44kW的太阳能电池组件,在不运行空调的情况下,完全可以满足对蓄电池的充电。但如果在空调开启的条件下,则只有光照十分充足时才可实现对蓄电池的充电过程。 

蓄电池的放电过程的发电电压U'和放电电流Iout变化则比较复杂,同样选取24V/200Ah的蓄电池进行放电实验,结果如图5所示: 

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图5 蓄电池放电电流与放电电压关系图

  图5所示测量结果显示,当放电电流越大时,放电时间也越短,同时放电结束时的电压越低,对蓄电池的寿命也有一定影响。对于0.2CA的放电电流而言,其放电功率最大可达到960W,不考虑升压电路损失功率的情况下,满电量蓄电池在理论上可独立维持大1匹空调的直流压缩机工作将近5小时。

 

  2.3  直流压缩机的工作特点及优势 

  直流变频压缩机与交流变频压缩机不同之处在于它是采用永磁无刷电机进行驱动,其变频原理在于利用电子电路来改变加于转子线圈或定子线圈上的电流流向。该种电机变频的特点是可以通过直流电压的变化来控制电流流向改变的速率,进而实现频率和压缩机转速的改变。通常直流压缩机在输入电压越大时,其转速越高。 

  在光伏空调系统中应用直流变频压缩机具有以下几个优势:

  ① 应用直流压缩机可以省去光伏电路系统中的逆变器,从而节省了直流电在逆变器中的损失,同时简化了整体光伏系统。 

  ② 直流压缩机本身的变频特性决定了它的工作效率要优于定频或交流变频压缩机,这使得整体系统的效率得到进一步提升。 

  ③ 应用直流压缩机可以大幅减少压缩机的启停次数,这意味着市电在压缩机启动是的介入次数大幅减少,可以进一步实现对于市电的节省。

 

  3.经济性分析 

  以1.44kW的太阳能电池组件和大1匹的直流变频空调器为例,在北京地区,厂家给出的1.44kW的太阳能电池发电量如表1所示: 

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  从表1中可以看出,太阳能电池在6-10月时发电效果比较好,而这段时间也正是空调使用的高峰期。对于大1匹的直流空调,其压缩机输入功率约为920W,风机等其他配件输入功率以100W计,折算的总耗电量约为1.02kWh,以工作场所白天应用6小时计算,总耗电量约为6.12kWh。1.44kW的太阳能电池组件在6-10月发电量基本满足用户使用,但仍需少量市电供给压缩机和风机使用。若考虑蓄电池的储电作用,24V/200Ah的蓄电池最多可储存4.8kWh,其电量可维持压缩机工作5小时,这将使得光伏空调器在夜间工作时节约一大部分市电电能。 

  从投资和收益回收的角度考虑,定频空调与光伏直流变频空调的价格如表1所示: 

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  按表2计算,每天定频空调将比光伏空调多耗6.1千瓦时的电量,价格约为3元。新型光伏空调成本比定频空调高出5700元,那么需要1900天约为5.2年可回收成本。但如果该空调应用于大型超市或餐厅等地方,电价会提高到1元/千瓦时,则在3年之内就可以回收成本。若北京等地区推行分时电价政策,那么这类光伏空调也将有着非常广阔的市场前景。同时,新型光伏空调采用直流压缩机减少了启停次数,大幅延长了压缩机的使用寿命,使得光伏空调系统的整体寿命也得以延长。此外,随着太阳能电池板价格的持续走低以及光电转换效率的不断提高,太阳能光伏空调系统的优势也将得到更好的诠释。

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