综合杆光伏化电气方案研究.pdf

超越照明 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明90综合杆光伏化电气方案研究尹 伟上海市城市综合管理事务中心，上海 200011摘要：近年来，部分城市通过大规模建设综合杆将城市道路上的各类型杆件进行统筹，实现了道路各类设施的统一规划、建设和管养。综合杆杆件搭载照明、交通、监控、通信等多类设施，整个系统为各类搭载设施及其配套设备统一供电，已经成为市政道路上占比最大的用电系统。文章主要研究光伏技术在多种综合杆建设场景中的应用模式，探究光伏电池及其配套设施与综合杆系统的装配融合方法，以及对应供电系统的搭建方式。关键词：综合杆；光伏技术；电气设计分类号：TM6150 引言根据中国应对气候变化国家方案和可再生能源中长期发展规划，我国提出“双碳”目标，大力发展可再生能源，优化能源消费结构。考虑到综合杆未来需进行大规模统一化建设，有必要对光伏等清洁能源在综合杆系统中的应用进行探索，有利于增加可再生能源的比例，优化市政道路系统能源结构，减轻环保压力。目前，光伏技术在乡村、园区内传统单一功能路灯上应用较多，但是在综合杆领域内，光伏等新能源技术的应用还比较少。1 整体设计思路整体设计采用“光伏为主，市电补充”的模式，将目前综合杆系统的供电电源由单一的市政供电调整为光伏电源和市政电源互相补充。光伏输出足够时，以光伏电力为主，为杆体设备供电并为储能充电；光伏不足时，以储能为电源，为杆体设备供电；待储能也不足时，以市电为主，继续为杆体供电。2 光伏电池比选2.1 材料选择光伏电池是光伏发电系统的核心组件，主要负责将太阳辐射能转换为电能，供负载使用或者由蓄电池存储1。光伏电池有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等类型2，如图 1 所示。文章主要讨论较为常见的单晶硅、多晶硅和 CIGS 铜铟镓硒薄膜三大类光伏电池。（1）单晶硅电池出现的时间最早，也是目前工艺最为成熟的光伏电池，效率一般可达到 17%22%。（2）多晶硅电池的效率比单晶硅低，一般为 10%18%，但是相对节约硅原料，能够保持成本和效率的相对平衡3。（3）铜铟镓硒薄膜电池的总转化率低于单晶硅组件，和多晶硅比较相近。其突出优点是弱光情况下的转化率高于单晶硅和多晶硅电池，缺点是材料来源受限且价格高于单晶硅和多晶硅电池，性价比不高。其一般用于景观类、BIPV 类及需要轻质的场景，不适合大规模推广。三类光伏电池材料的比较如表 1 所示。从比较结果可以看出，相对于多晶硅和薄膜电池，单晶硅电池转换效率最高，技术成熟且价格适中，有利于推广。文章选择单晶硅电池作为光伏电池的材料。2.2 工艺选择晶硅组件的最新工艺技术主要分为 TOPcon 技术和 HJT 技术两大类。TOPcon 技术采用背面氧化层+掺杂多晶硅的复合结构，形成良好的钝化接触，全面提升电池的性能。HJT 技术一般以 N 型单晶硅片为衬底，在正面依次为透明导电氧化物膜（简称 TCO）、P 型非晶硅薄膜和本征富氢非晶硅薄膜；在电池背面依次为透明导电氧化物膜（TCO）、N 型非晶硅薄膜和本征非晶硅膜，结构如图 2 所示。两种技术的特点对比如表 2所示。综上，考虑到 TOPcon 技术和 HJT 技术性能差别作者简介：尹伟，男，硕士，工程师，研究方向为道路照明设备管理。文章编号：2096-9317（2023）03-0090-04光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 超越照明91伏路灯，将普通平板光伏电池通过支架安装在综合杆上，如图 3 所示。这种方案工艺成熟，安装方便，成本低，发电量有保证，但是风阻大，外观影响周围整体环境。图 3 传统平板光伏安装方案（2）B 方案：光伏包裹在灯柱上。用柔性组件做成桶状结构，预先套入综合杆，如图 4 所示。风阻极小，图 1 光伏电池的种类表 1 三类光伏电池材料的性能比较比较项目单晶硅多晶硅薄膜电池光电转换效率17%22%15%18%一般为 13%16%，弱光情况下，效率比单晶硅和多晶硅电池高 4%5%价格中等较低较高运行维护免维护免维护免维护使用寿命保证 25 年保证 25 年保证 25 年外观黑色、蓝黑色深蓝色黑色、蓝黑色安装方式一般利用支架倾斜或平铺，安装方便一般利用支架倾斜或平铺，安装方便柔性安装，适用于非平面产业链情况技术先进，规模成熟技术先进，规模成熟材料稀缺，规模小栅极(栅线，银 or 铜)p 型非晶硅薄膜i 型非晶硅薄膜n 型非晶硅薄膜0.01 m0.01 m0.01 mTCOn 型硅片图 2 HJT 晶硅组件示意图表 2 TOPcon 技术和 HJT 技术的特点对比比较项目TOPconHJT转换效率高，目前最高达到24.8%，理论可达26.8%高，目前实际已经达到 25%衰减无衰减极低的衰减温度系数极低，随温度升高的发电效率下降现象很弱极低，随温度升高的发电效率下降现象很弱低光照效率比传统组件高比传统组件高价格稍贵比 TOPcon 低不大，而 HJT 技术成本更低，有利于推广，选用 HJT技术。3 光伏电池安装光伏电池的安装方案有以下四种。（1）A 方案：传统平板光伏安装方案。类似普通光光伏电池晶体硅电池薄膜电池其他电池燃料敏化硅基薄膜化合物薄膜单晶硅多晶硅碲化镉薄膜铜铟镓硒薄膜砷化镓薄膜非晶硅薄膜微晶硅薄膜钙钛矿有机电池 超越照明 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明92美观度很好。但是由于只能安装在副杆上，整体发电量受限，且由于需要套入式安装，只能在新综合杆上安装，现场改造难度较大。图 4 光伏包裹在灯柱上（3）C 方案：艺术化光伏安装方案。将光伏做成片状，以螺旋结构装在综合杆上，如图 5 所示。风阻相对A 较少，美观度非常好。但是由于面积使用效率问题，导致单根综合杆发电量受限，且由于光伏片数多，现场安装复杂，结构件众多，现场光伏片之间的连接复杂。图 5 艺术化光伏安装方案（4）D 方案：圆桶状光伏安装方案。可以预先制作好桶状光伏，通过连接件直接安装在综合杆上，一个综合杆可以安装最多 4 个桶状光伏，如图 6 所示。单根综合杆发电量最大，可以微调角度，能最大限度减少阴影带来的影响。而且桶状结构风阻比较小，对美观度影响也较小。图 6 圆桶状光伏安装方案四种安装方案的对比如表 3 所示。根据表 3 对比，考虑到现场综合杆会有大量改造需求，对安全也有硬性规定，结合发电量的需求，采用 D 方案进行改造。4 电气系统设计4.1 光伏规格选择光伏组件在单根综合杆强度允许范围内做最大化安装，1 根综合杆可最多安装 4 个面，但是考虑到强度安全和阳光遮挡因素，最多按 2 个面安装，光伏最大装机容量预计在 780 Wp 左右（共 6 个光伏模组）。组件串并联形式需要按照综合杆挂载的用电设备的电压决定，最好采用并联模式，这样受阴影干扰小一点。如果用电设备需要电压大，可以采用 3 串 2 并表 3 四种安装方案的对比比较项目A 方案B 方案C 方案D 方案新综合杆安装方便方便不适合新综合杆安装，因为安装后，运输不便方便旧综合杆改造方便非常难方便方便风阻很大小中等小自适应受光角度调整方便无法调整无法调整方便自我干涉阴影影响无无有自我干涉影响较少成本低较高最高（因为形状导致结构件复杂）较高，比 B 方案多了一个连接结构件成本安装难度最低新综合杆安装：低综合杆改造：高高较低单灯发电量最高低较低较高外观影响整体外观和综合杆合二为一，不影响整体外观能根据周围环境作匹配，美观度很好比 B 和 C 弱光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 超越照明93模式，但这样受阴影遮挡影响大。电气系统拓扑图如图 7 所示。市电电量计量及数传设备图 7 电气系统拓扑图4.2 超容规格选择由于有市电补充的机制，可以不用考虑光伏连续阴雨天数的要求，超容只要能满足光伏最大一天发电量的存放要求即可。根据历史数据，桶状光伏电池一天最高可以发电 1 500 Wh，理论上需要配置 27 个超容。但是考虑到充电效率、放电深度和串并联电压的要求，选择 24 个超容，采用 12 串 2 并的方式，超容的容量为 1 380 Wh。5 结束语文章主要研究光伏技术在多种综合杆建设场景中的应用模式，整体采用“光伏为主，市电补充”的方式，选择单晶硅电池材料，采用 HJT 技术，将光伏板做成圆筒状安装于综合杆主杆上，并且对其电气系统进行研究，给出了合理的光伏和超容规格以及对应的电气系统拓扑图。未来将针对不同的建设模式，研究综合杆光伏化技术如何与对应的系统供电模式进行结合。参考文献1 亢亚军.光伏发电场场内电缆敷设要点研究J.光源与照明,2023(1):109-111.2 王婷,薛河,尹振坤,等.太阳能路灯结构系统的静应力和模态分析J.中国科技论文,2018,13(16):1921-1925.3 韩志华,刘秦.分布式光伏发电系统电气设计分析J.光源与照明,2023(1):133-135.（上接第 23 页）明设备浪费电力能源。一控多灯的建筑电气照明控制模式是目前全新的节能照明模式，其可以通过一体化的照明灯具控制装置全面控制建筑各个照明光源的效果。一体化的照明灯具控制装置应当合理布置在建筑空间中，方便建筑使用人员实现一控多灯建筑电气照明控制目标。此外，建筑使用人员本身也要养成节约能源的良好用电习惯，尽量采用自然光源来替代人工照明光源。建筑使用人员在离开房间的情况下应当随手关闭照明电源，防止产生额外的建筑电气照明能耗。一控多灯的建筑电气照明智能控制方案减少了建筑各区域的照明能源损耗，可以实时灵活调节照明光源强度。为了确保建筑电气照明系统的各个子系统都具备最基本的照明功能，提高建筑电气照明节能控制的智能化水平，设计人员应当深入开展照明电气设备的节能改造工程，提升建筑电气照明系统的节能效益，切实降低建筑电气终端设备的能源消耗。设计人员需要重点监测建筑变配电装置、空调系统、照明供电设施等的电气能耗，运用远程智能化数据采集装置收集实时性的电气能耗信息。3 结束语综上所述，应当对建筑电气照明系统的基础设施进行全方位的电气节能改造，将节能手段融入建筑电气设计环节。电气照明系统设备型号和规格多样，电气照明系统的节能设计方案也存在灵活性。设计人员需要在完善建筑电气照明系统节能设计思路的前提下，构建分区电气照明控制系统、引进智能化的电气照明自动控制模式、设置一控多灯的建筑电气照明运行方式等。参考文献1 陈辰.建筑电气系统和照明系统的节能设计研究J.光源与照明,2022(2):48-50.2 罗鸿宇.基于节能降耗的医院建筑电气照明系统设计J.电子设计工程,2022,30(3):45-48,53.3 赵建平,高雅春,王书晓,等.建筑光环境提升技术趋势J.建筑科学,2022,38(2):14-19.4 梁青璇,陈雅倩,罗涛,等.办公建筑LED照明空间的光环境提升需求研究J.建筑科学,2021,37(4):19-25,32.5 赵建平,罗涛.建筑光学的发展回顾(1953-2018)与展望J.建筑科学,2018,34(9):125-129.6 李梦怡.居住建筑照明设计改良研究J.光源与照明,2022(10):19-21.