常州丰臣海悦广场离网型太阳能照明系统设计与实施

王新军，严磊，单云，孙忠伟，狄晖

(1.常州工学院艺术与设计学院，江苏常州213002；2.常州市灯光建设管理办公室，江苏常州213002；

3.江苏尚森太阳能科技发展有限公司，江苏常州213002)



常州丰臣海悦广场离网型太阳能照明系统设计与实施

王新军1，严磊2，单云2，孙忠伟3，狄晖3

(1.常州工学院艺术与设计学院，江苏常州213002；2.常州市灯光建设管理办公室，江苏常州213002；

3.江苏尚森太阳能科技发展有限公司，江苏常州213002)

“绿色照明”是20世纪90年代初期国际上对节约电能、保护环境型照明系统的形象性说法,是指采用高效光源，经科学设计构建的高效节能、明亮舒适的照明环境。我国绿色照明工程启动比较早，曾经被列为我国“九五”时期和“十五”期间节能领域的重大示范工程。长期以来我国绿色照明工程的宗旨是：节约能源、保护环境、提高照明质量[1]。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是21世纪最重要的能源。目前太阳能光伏技术的发展，给太阳能在照明中的应用带来了广阔的前景。

常州丰臣海悦广场建筑照明实施绿色能源改造，采用离网型太阳能供电方式将太阳能应用于建筑景观照明，实现对太阳能源吸收、转换、逆变、存储、使用的功能，从而达到节能减排、保护环境的目的。常州市灯光建设管理办公室于2014年5月26日通过政府采购正式确定了项目中标单位，由江苏尚森太阳能科技发展有限公司对该项目进行设计和实施。

1离网型太阳能照明系统设计

丰臣海悦广场楼顶开阔、阳光充足，完全符合绿色能源系统改造工程的实施条件。该项目负载总功率约为20 kW，这样的功率在楼宇亮化照明系统中比较具有代表性。该栋大楼原有的供电系统和照明器具由于年久失修、线路老化，已无法正常工作，绿色能源改造将对该楼宇亮化供电系统进行优化变革，真正做到新能源的开发利用。

1.1　离网式太阳能照明系统的工作原理

图1　离网太阳能照明系统原理图

本项目采用离网型太阳能供电模式，离网型太阳能是太阳能电池(太阳能光伏组件)发出的电能不经电网进行转移及运输，而是供用户直接储存和使用[2]。离网型太阳能照明系统工作原理是：在有光照的情况下，太阳能电池阵列将太阳辐射转化为电能，通过光伏智能控制器将电能存储在储能蓄电池阵列中；在无光照的情况下，离网逆变器将储能蓄电池整列中的电能逆变为380 V/220 V纯正弦波交流电，经控制系统给灯具负载持续稳定地供电，如图1所示。1.2项目改造技术要求

1)采用纯太阳能供电系统，输出220 V，负载20 kW。

2)蓄能满值状态下可持续亮灯4 h；常效状态下可持续亮灯2 h,可抗阴雨1 d。

1.3　系统设计

图2　离网型太阳能照明系统设计流程图

离网型太阳能照明系统设计内容与流程如图2所示。

1.3.1负载功率确定

根据丰臣海悦广场灯光亮化工程施工图统计，共使用670套灯具，其中：24 W大功率LED洗墙灯622套，150 W大功率LED投光灯48套，额定功率为22.2 kW。常州市灯光建设管理办公室远程监测系统实际显示功率约19.8 kW。该绿色能源系统改造项目最终设计功率为20 kW。

1.3.2系统工作要求

每晚亮灯2 h，抗阴雨天数1 d。根据工作要求进行组件的核算工作。

1.3.3系统电压

丰臣海悦景观照明系统有其特殊性，所有LED照明灯具均自带变压器，直接采用交流220 V供电，因此该绿色能源系统改造项目增加逆变部分为其供应220 V 交流电。

1.3.4蓄电池选型与蓄电池容量测算

该系统选择寿命长、充放电效率高、维护少、便于安装的铅酸免维护蓄电池，从而保证太阳能亮化系统的稳定性。计算得出蓄电池容量为94 kW[3]。选用150 Ah/12 V的铅酸免维护蓄电池，共60套，分为3组并联，每组20套串联形成240 V电压，该蓄电池阵列的总容量为108 kW，其中14 kW为设计余量。

1.3.5太阳能电池阵列朝向的确定

在Ecotect软件中使用Tools中的Run the weather tool工具[4]，会调用软件中的天气分析模块，在Location Data中输入本项目的名称和经纬度，然后进入Solar Position点击Best Orientation按钮，选择最冷月份12月到次年的2月，最热月份6月到8月，最佳朝向即可确定，如图3所示。图中实线箭头与虚线箭头分别表示最佳朝向200°和最差朝向290°。

图3　最佳朝向分析图

1.3.6最佳倾角的确定

根据NASA气象数据库数据，运用Ecotect对0°～90°安装倾角的太阳能光伏阵列，在1年四季内接受的太阳辐照量进行计算[5]。结果发现春夏秋冬四季受到的太阳辐射量没有共同的交点。在43°时春夏秋三季的太阳辐照量相近，分别为2.446 80×105、2.445 60×105、2.428 90×105Wh/m2，冬季太阳辐照量为2.129 20×105Wh/m2，此时四季接收的太阳辐照量最为接近，对于均衡性荷载，倾角在42°～45°都可以考虑，本项目选择43°的倾角。

1.3.7光伏组件功率测算与选型

本项目使用的太阳能电池最大功率为250 W，最大功率工作电压为30 V，组件效率为15.3%。根据系统总功率，计算得出采用80块250 W的太阳能电池[6]，可满足系统需求。通过计算得出系统的串联数为10串8并的排列方式。

1.3.8离网逆变一体机选型

本项目系统控制器选用的是HPV型光伏离网逆变一体机，该控制器兼备光伏智能充电控制与直流逆变输出的功能。白天光伏智能控制器控制光伏组件给蓄电池进行充电。控制器采用先进的串联型脉宽调制(PWM)方式，0～100%的宽范围PWM调节能够在任何条件下对蓄电池快速稳定地充电。充电器具有快速充电、提升充电、浮充充电的功能，并且定期对蓄电池进行均衡充电，有效地延长了蓄电池的使用寿命。夜晚逆变输出部分将蓄电池直流电逆变为220V纯正弦波交流电，由常州市灯光建设管理办公室的远程控制系统进行调节管理，给LED照明灯具持续稳定的供电。

2照明系统的实施

2.1　施工准备

施工涉及组件安放、安装完成后的安全保护以及材料采购。组件的安放和安全需要与丰臣海悦广场楼宇建设及物业进行衔接与沟通，保证该项目实施过程中不受其他因素干扰。另外，与建设方及物业就建成后防盗问题进行沟通，通过规范管理与监控保证太阳能组件的安全。

为使项目顺利开展，按照合同约定进行组件及相关材料的准备工作，保证该项目产品优质高效。主要采购材料有：①TSL天合光能多晶硅电池组件；②华富太阳能胶体电池；③华益特太阳能充放电控制逆变一体机；④ 电缆及相关辅材等。

2.2　系统安装

2.2.1太阳能组件的安装

根据设计方案的要求，该项目的太阳能光伏组件的朝向为正南偏西20°方向，倾角43°的安装方式，保证组件的功率转换效率最大。太阳能光伏组件直接安装在成套支架上，每串太阳能电池之间的间距为2.5 m，确保安装的平稳、协调、美观，如图4所示。

图4　常州丰臣海悦广场太阳能光伏组件的安装实景图

2.2.2蓄电池安装

按照方案计算的结果安装铅酸免维护蓄电池，60套分3组进行并联。施工时将电池组分散堆放，以免形成较大荷载对建筑安全造成隐患。

2.2.3逆变器安装

逆变系统控制器选用的是HPV型光伏离网逆变一体机，该控制器兼备光伏智能充电控制与直流逆变输出的功能。为延长其使用寿命，逆变器安置于电梯机房内。

2.3　系统组件连接与调试

常州丰臣海悦广场离网型太阳能照明系统的安装工作完成后，进行系统调试，待调试完成后进行系统对接。在系统调试时，务必对各个部位进行详细检查、检测，调试负载的稳定性，确保整体组件能够正常运行。完成调试即可进行正式并接，使楼宇亮化工程脱离电网供电，直接并入改造供电模式运行，最终的建筑照明效果如图5。

图5　丰臣海悦广场建筑夜景

2.4　系统运行与监测

在丰臣海悦广场楼宇亮化绿色能源改造工程运行1个月内，每日对该工程运行模式、供电时间监控、各个组件运行状态进行实时监控与记录，一方面确保常州丰臣海悦广场离网型太阳能照明系统稳定运行，另一方面掌握详细监测数据，为后续维护工作服务。

2.5　工程日常维护

该项目成立了公司绿色能源改造专项项目部，对丰臣海悦广场楼宇顶部的绿色能源改造方式、位置、光照系数进行详细比对计算，确保绿色能源项目稳定运行，如出现故障报修6 h现场响应，维修处理24 h内解决。改造后确保该项目蓄能满值状态下可持续亮灯4 h；常效状态下可持续亮灯2 h，可抗阴雨1 d。

3结语

由于常州市丰臣海悦广场离网型太阳能光伏照明项目采用离网型太阳能光伏发电系统，区别于传统并网型太阳能发电，应用在当地的景观照明尚属先例，技术难度较大，产品无国家规范，在实施过程突破层层技术壁垒，经反复调试、论证，提升系统性能，优化系统方案，在参建各方的共同努力下，完成了项目的实施。

该项目采用纯太阳能供电，主要由80块250 W的多晶硅太阳能电池、60套12 V/150 Ah铅酸免维护蓄电池、太阳能光伏控制器、30 kW光伏逆变器等设施组成。每年可发电量18.980 MW·h，与火电站相比，相当于可节约标准煤6.832 8×103kg,减少二氧化碳排放量约18.923 06×103kg,减少二氧化硫排放量约569.4 kg,减少碳粉尘污染排放量约5.162 56×103kg,减少氮氧化合物排放量约284.7 kg,同时还可节约大量的淡水资源。

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[2]赵明，刘卓.离网型太阳能照明工程研究[J].光源与照明,2012(1):20-24.

[3]Autodesk Inc.Ecotect Analysis绿色建筑分析应用[M].北京：电子工业出版社,2011:45-70.

[4]付文辉，罗健明.离网型太阳能发电系统的设计方法[J].东方电气评论,2011，25(1):70-75.

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[6]杜宝.太阳能发电项目光伏系统的布置[J].自动化应用,2014(1):73-75.

责任编辑：陈亮

摘要：阐述常州丰臣海悦广场离网型太阳能照明系统的设计与实施过程，详细分析了蓄电池选择、太阳能光伏组件安装的朝向与倾斜角、逆变器的选择方法以及项目的调试、监测与维护。项目建成后每年可发电量 18.980 MW·h，可节约标准煤6.832 8×103kg。

关键词：太阳能照明系统；离网发电；建筑照明；光伏技术

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

中图分类号：TU113.6+62

文献标志码：A

文章编号：1671-0436(2015)03-0027-04

作者简介：王新军(1978—)，男，副教授。

收稿日期：2015-04-21

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2015.03.007

本文设计并实现了基于MongoDB的海量电能质量数据存储方案，包括数据库集群的配置以及数据接口的设计，并与基于关系型数据库SQL Server和MySQL的存储方案进行了性能比较测试。测试结果表明，本文提出的存储方案相比关系型数据库来说具有更好的数据存储和查询性能，可为海量电能质量数据的存储与处理提供借鉴。

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责任编辑：陈亮