家庭式太阳能发电系统的设计

编号 12321101 本科毕业论文家庭式太阳能发电系统的设计院 系 电子科学与工程系姓 名学 号专 业年 级指导教师职 称完成日期I 摘 要20 世纪 70 年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。 研究便于普及型的家庭式太阳能发电系统对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。首先通过计算得出驻马店地区太阳能光伏方阵的最佳倾角及相应斜面上的历年逐月的日均太阳能辐射量， 然后再利用计算出的相关太阳能数据进一步计算选出了该家庭式太阳能发电系统的各主要设备的参数和规格，同时对设备参数进行了优化选择，选出了最佳的光伏方阵和蓄电池容量，最后对系统整体造价、每日发电量、节约能源进行计算，说明家庭式太阳能发电系统的巨大的社会效益。关键词 光伏发电；家庭式太阳能；太阳辐射；最佳倾角II Abstract After the 1970s, solar photovoltaic power generation in the world has been attached to and made considerable progress. Solar photovoltaic technology as the utilization of solar energy is an important part of and is considered a power generation of the twenty-first century the most development potential. Research on photovoltaic solar power generation systems to alleviate the energy crisis and reduce environmental pollution, and reduce the greenhouse effect is of great significance. In this paper, calculated Zhumadian area solar photovoltaic array, the optimum tiltangle and the corresponding slope on the calendar year monthly average daily solar radiation, the use of solar data further calculation to elect a main device parameters of the solar power system and specifications of the equipment parameters were optimized check, and then select the best of the PV array and battery capacity, and final note of the enormous social benefits of home solar power system. Keywords Photovoltaic; Home solar; Solar radiation; The optimum tilt angle III 目 录1 绪论 11.1 选题的背景意义和价值 . 11.2 太阳能光伏发电利用的现状 . 21.2.1 国外太阳能光伏发电利用状况 . 21.2.2 国内太阳能光伏发电利用状况 . 31.2.3 家庭式太阳能发电系统的现状 . 41.2.4 本设计研究的内容 . 52 家庭式太阳能发电系统的原理和组成 62.1 家庭式太阳能发电系统的原理 . 62.2 家庭式太阳能发电系统的组成 . 62.2.1 太阳能电池方阵 . 72.2.2 防反充二极管 . 92.2.3 蓄电池组 . 92.2.4 控制器 . 102.2.5 逆变器 . 103 家庭式太阳能发电系统的设计 123.1 家庭式太阳能发电系统整体设计步骤 . 123.2 光伏方阵最佳倾角计算 . 133.3 家庭日用电负荷计算 . 153.4 电池组件的确定 . 163.5 蓄电池容量的确定 163.6 逆变器和控制器的确定 . 173.7 太阳能组件安装设计 . 173.8 家庭式太阳能发电系统的效益分析 . 193.8.1 系统的投资预算 . 193.8.2 系统的经济效益 . 203.8.3 系统的社会效益 . 21IV 4 总结与展望 22参考文献 24致谢 25附录 261 1 绪论1.1 选题的背景意义和价值随着常规能源的大量消耗， 使得可再生能源越来越多的受到 21 世纪人类的关注。对能源资源消耗所引发的气候变化等一系列问题， 不仅是对中国提出的挑战，也是对世界提出的挑战 ,能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。 太阳能之所以受到世界各国越来越多的关注主要是因为其具有以下优点 1太阳的历史寿命长， 与人类的历史约 30 万年 相比，太阳具有很长的寿命，所以对人类来讲 ,太阳能几乎是无限的能源2太阳是十分强大的能源供应体， 太阳光 40min 内赐予地球的能量如果能够都为人类所利用的话， 估计就能满足全世界一年的能源消耗； 3太阳能不会造成环境污染、 能源损失等社会问题； 4能量获取简单直接，在使用现场就能从太阳光获得能量。1839 年，法围科学家贝克雷尔 Bccquml发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为 “ 光生伏打效应 ” 简称 “ 光伏效应 ” 。 1954 年，美国科学家恰宾和皮尔挫在美圈贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池， 诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。 在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域之，也是其中最受瞩目的项目之一。太阳能光伏发电具有水电、 火电、 核电所不能比拟的清洁性、 安全性、 普及性等优点。随着科学进步，光伏发电技术已可用于任何需要电力且有光照的场合。据国际能源署预测，到 2020 年，全球光伏发电量将占总发电量的 2％。最近 5年， 德国、 西班牙、 日本等许多国家都在鼓励发展包括太阳能光伏在内的可再生能源，光伏电池产量年平均增长率超过 40％， 迅速 “ 发酵 ” 的国际市场也拉动了我国光伏产业的发展。据统计，目前我国已经成为全球第一大光伏电池生产国，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位， 不但将替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。 预计到 2030 年， 可再生能源在总能源结构中将占到 30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10％以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上；到 2l 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80％以上，太阳能发电将占到 60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位 [1]。中国已成为继美国之后的世界第二大电力消费大国， 但电力对中国经济发展的制约作用已开始显现， 国内数以百万计的企业亟待进行节电改造。随着人们生活水平不断提高，社会经济活动和交流日益频繁与扩大，生活用电量不断增加，如何充分利用2 电力、节约电能、保障电力品质，已经成为我国亟待解决的问题，利用太阳能光伏发电必定是最好的选择。 随着太阳能光伏发电在人们生活中被逐步认识和大量应用，广泛使用绿色能源对减少二氧化碳和其它有毒气体的排放， 防治大气污染，保护生态环境具有重要意义。因此，研究开发太阳能发电的绿色能源具有强烈的紧迫性。1.2 太阳能光伏发电利用的现状1.2.1 国外太阳能光伏发电利用状况在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家 德国 和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。从 20 世纪 90 年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行 “ 阳光计划 ” ，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠，同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能利用的研究。欧美、 日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划。 1997 年 6 月美国提出 “ 百万太阳能屋顶计划 ” ，计划到 2010 年将在 100 万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统， 包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于 1997 年左右也宣布了百万屋顶计划，其中，在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于 1998年 10 月提出了计划 在 6 年内安装 10 万套太阳能屋顶系统，总容量在 300-500MW，每个屋顶约3-5KW 。日本政府的计划目标是，到 2010 年安装 500MW 屋顶光伏发电系统 [2]。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长， 1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了 17 倍。 2005 年，全球太阳能电池年产量达到了 1650MW，累计装机发电容量超过 5GW，其中，日本太阳能电池产量达到 762MW，增长率为 27；欧洲产量增加 48，达到了 464 MW；美国增加 12，达到了 156MW；世界其他地区增加 96，达到了 274MW 。我们预计， 2010 年全球太阳能电池的年产量有望达到10400MW，较 2005 年的年产量增长 6.3 倍；整个行业的销售收入有望在 2005-2010年间，从 130 亿美元提高至 450 亿美元，在未来 5 年内增长 3.5 倍。同时，受益于规模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。到 2010 年年末，欧洲累计安装 29617.145 MW ，占世界光伏发电装机总容量的74.5。 以国家而论， 世界最大的光伏发电国家是德国， 2010 年末装机容量高达 173203 MW ，占世界份额的 43.5； 西班牙和日本装机容量分别为 3892 MW 和 3617.2 MW ，占世界的份额为 9.8和 9.1；意大利、美国分居世界第四和第五位，占世界的份额为 8.8和 6.3。从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也已遍及几乎所有的用电领域。1.2.2 国内太阳能光伏发电利用状况我国 1958 年开始研究太阳电池， 于 1971 年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上， 1973 年开始将太阳电池用于地面一天津港的航标灯。 1979 年开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池， 使太阳电池成本明显下降，打开了地面应用的市场。当时太阳电池面积小，采用真空蒸镀银铝的方法制作太阳电他的电极。 80年代中期， 引进国外太阳电池生产线或关键设备， 使我国太阳电池生产能力达 4.5MW。2005 年后，我国光伏产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维 LDK 、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。我国太阳能资源丰富，年日照时数大于 2000 小时，年太阳能辐射总量高于每平方米 1389 千瓦时的一、二、三类地区约占全国总面积的三分之二以上，具有太阳能利用的良好础。 我国地域辽阔， 经济发展不平衡， 西部地区尽管具有丰富的电力资源，但是由于受到地理环境、 交通和环境保护等因素制约，从经济角度考虑常规电力无法进入，使得这些地区经济和人们的生活环境极其落后，国家西部大开发战略，给这一地区的经济发展注入了活力。正在实施的 “ 光明工程 ” 解决了部分无电乡生活、办公、学校用电问题，使一大批农牧民结束了无电的历史，改善了生活质量。随着我国对可再生能源扶持力度的逐步加大， 我国的太阳能光伏产业取得了很大的进展。 2008 年我国首座太阳能发电一体化建筑的大厦在河北保定市正式投入运营，总装机容量可达 0.3MW ，相当于一个小型发电站，发出来的电不仅供大厦使用，还可直接并入电网。此座建筑大面积、多角度采用了太阳能发电技术，安装并网容量达0.3MW，不仅能满足大楼群的公共照明，而且能够并网发电。我国一些知名高校也成立的太阳能光伏发电实验室，如河南省黄淮学院 2009 年建成的的太阳能光伏发电实验室，充分利用学校建筑面积总装机量达到了 2MW ，经升压变压后直接并与电网，实现电能互补利用。如除此之外，海南省也力争打造 “ 光伏岛 ” 等。4 到 2010 年，中国光伏电池产量达到 8GW，成为全球第一大光伏制造基地，占全球 50的产量，但国内光伏系统安装量仅约 50MW ，光伏系统的累积装机容量仅约 1 GW，相当于世界当年安装量的 0.5和世界累计安装量的 2.2。其中农村电气化（包括道路照明） 累计装机容量 400MW ， 通讯和工业应用 300MW ， 光伏产品 （路灯、草坪灯、城市景观、 LED 照明、交通信号等） 30MW ，并网光伏发电 270MW 。所以，我国的太阳能光伏产业急需更更广泛的推广应用。国家科技部最近发布的太阳能发电科技发展 “ 十二五 ” 专项规划提出 “ 十二五 ”期间，要实现光伏技术的全面突破，促进太阳能发电的规模化应用，初步建立太阳能发电国家标准体系和技术产品检测平台， 形成我国完整的太阳能技术研发、 装备制造、系统集成、工程建设、运行维护等产业链技术服务体系 [3] 。发展改革委能源研究所副所长李俊峰认为， 今后 5-l0 年内， 我国光伏发电系统的应用一方面还将以户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主， 来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，另一方面，要借鉴发达国家发展屋顶系统的经验，在大中城市的道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用。1.2.3 家庭式太阳能发电系统的现状目前， 国内家庭式太阳能光伏发电系统现阶段主要是用于无电、 缺电的人口通电。至 2010 年底，已有大约 75 万套家庭式太阳能光伏发电系统进入用户家庭。在这些用户之中，大多数都是牧区的牧民家庭，这些家庭的通电水平还比较低，一般只能满足基本的照明需要。除此以外，还有林区和农区的农户和养蜂户以及无电的公路道班、学校、商店等小单位以在使用家庭式太阳能光伏发电系统，还有一些缺电地区的城镇居民，也成为家庭式太阳能光伏发电系统的用户。如果这些家庭式太阳能光伏发电系统的保有量按 80计， 加上国家光明工程和送电到乡工程的光伏电站， 中国目前至少有 100 万户家庭主要依靠光伏发电系统解决基本的生活照明用电 [3]。到 2010 年底，中国的光伏发电市场累计安装量达到 70MW ，其中约 43为农村电力建设方面的应用， 而全国大约还有 300 万无电户，估计其中至少还有 150 万户需要在今后的十年内采用光伏或风光互补发电系统来解决。由于居住条件的限制，输电设备很难到达，他们中的大多数只能采用分散的供电方式，即采用家庭式太阳能光伏发电系统。而许多已经用上光伏系统的用户也将升级换代，提高用电水平。因此，研究家庭式太阳能发电系统有着很现实的意义。5 1.2.4 本设计研究的内容随着太阳能光伏发电价格不断下降及国家相关政策的支持，国内太阳能光伏发电系统迎来了一个快速发展的时期， 但是我国目前投入较大的是大型并网光伏发电系统，对独立型小功率太阳能发电系统的研究很少，尤其是对完整的家庭式太阳能系统研究设计更少，然而家庭式太阳能发电系统灵活性和经济性都大大优于大型的并网发电系统，有利于广泛普及。现本人计划设计一套完整的功率约为 2KW 的普通家庭式太阳能发电系统，每天发电量约为 8kW.h, 能满足普通家庭用户日常的用电需求，可以解决偏远地区用户用电困难的问题，更重要的是它还有很好的社会效益。一套微型的 300W 太阳能发电系统，每年大约发电量 250kW.h，每年减少发电消耗标准煤 100KG，减少向大气排放二氧化碳 300KG，减少二氧化硫 6.88KG，广泛推广必将产生巨大的社会效益。此外该系统还可以有效地利用建筑屋顶，节约宝贵的土地资源，太阳能发电阵列一般可安装在屋顶及墙面上直接吸收太阳能， 发电的同时又可以降低墙面及屋顶的温度，减轻建筑的空调负载，从而进一步降低了耗能。6 2 家庭式太阳能发电系统的原理和组成2.1 家庭式太阳能发电系统的原理太阳能光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏特效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子 空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生 “ 光生电压 ” ，这就是 “ 光生伏特效应 ” 。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有 “ 光生电流 ” 流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。2.2 家庭式太阳能发电系统的组成一般来说，家庭式太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。家庭式太阳能光伏发电系统的结构如图 2-1 所示。图 2-1 家庭式太阳能光伏发电系统的结构图太阳能电池组件是整个系统能源的来源，它把照射到其表面的太阳能转化为电能；控制器是整个系统的核心部件之一，其运行状态决定着系统的运行状态，系统在控制器的管理下运行； 蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电； 逆变器是将直流电变换为交流电的设备，由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电， 因此当系统向交流负载供电时， 逆变器是不可缺少的。太阳能电池组件控制器逆变器蓄电池交流负载直接供 LED 灯12/24/48V DC 110/220V AC 7 2.2.1 太阳能电池方阵通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件， 具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为 2cm 2cm 到 15cm 15cm 不等。太阳能电池单体的工作电压约为 0.45～ 1.5V，工作电流约为 20～ 25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 [4]。（ 1）太阳能电池简介一个太阳能电池只能产生大约 0.45V 电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要， 须把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池组件的标准数量是 36 或 40 个（ 10cm 10cm） ，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生 16V 的电压，正好能为一个额定电压为 12V 的蓄电池进行有效的充电。（ 2）太阳能电池的封装类型太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。 太阳能电池的封装方式主要有以下两种① 双面玻璃密封。太阳能电池组件的正反两面均是玻璃板，太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。 这种密封方式存在的一个主要问题是玻璃板与接线盒之间的连接。这种连接不得不通过玻璃板的边沿，因为在这种玻璃板上打孔是很昂贵的。② 玻璃合金层叠密封。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可用导线连接 [5]。（ 3）太阳能电池的电气特性。组件的电气特性主要是指电压 电流特性，也称为 V-I 曲线，如图 2-2 所示。 V-I曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流 Im与电压 Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即 V0， 此时的电流称为短路电流 Isc； 如果电路开路即 I0，此时的电压称为开路电压 Voc.太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即 PVI。当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从 0（短路条件下） 开始增加时， 组件的输出功率亦从 0 开始增加； 当电压达到一定值时，8 图 2-2 太阳能电池 V-I 特性曲线（ I－电流； I sc－短路电流； Im－最大工作电流； V －电压； Voc－开路电压； V m－最大工作电压； Pm－最大功率； ）功率可达到最大， 这时当阻值继续增加时， 功率将跃过最大点， 并逐渐减少至 0，即电压达到开路电压 Voc。在组件的输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压， 称为最大功率点电压 Vm（又称为最大工作电压） ； 该点所对应的电流，称为最大功率点电流 Im又称为最大工作电流 ；该点的功率，称为最大功率 Pm。（ 4）性能测试由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、 太阳光谱分布和太阳能电池温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（ STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为 101 号标准， 其条件是 光谱辐照度， 1000W/m2； 光谱， AM1.5 ； 电池温度，25℃ 。在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 Wp。在很多情况下， 组件的峰值功率通常用太阳能模拟器测定并与国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。 在户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置； 此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10或更大 [6] 。（ 5）热斑效应和旁路二极管在一定的条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载，消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。 这种效应能很严重地破坏太阳能电池。有光照的太阳能电池所产生的部分能量或所有的能量， 都可能被遮蔽的太阳能电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏， 需要在太阳能电池组件正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。I V m V ocISCImPmV9 （ 6）连接盒连接盒是一个很重要的元件， 它保护太阳能电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含 1 个接线盒和 1 只或 2 只旁路二极管。（ 7）可靠性和使用寿命考察太阳能电池组件可靠性的最好方式是进行野外测试， 但这种测试需经历很长的时间。为能用较低的费用在相似的工作条件下以较短的时间测量出可靠性，一种新型的测试方法正在发展之中，即加速使用寿命测试方法。这种测试方法，主要是依据野外测试和过去所执行的加速度测试之间的关联度， 并基于理论分析和参照其他电子测量技术以及国际电工技术委员会太阳能光伏能源系统标准化委员会的测试标准（ IEC/TC82）而设计的。在 IEC 规范的 503 条中描述了一整套可靠性的测试方法。这一规范包含如下测试内容 UV 照明测试；高温暴露测试；高温 /高湿测试；框架扭曲度测试；机械强度测试；冰雹测试；温度循环测试。太阳能电池发电系统中的太阳能电池组件的期望使用寿命至少是 25 年，具体寿命决定于太阳能电池组件结构性能和当地环境条件。2.2.2 防反充二极管又称阻塞二极管。 其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通作用。要求其能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小，其耐压一定要比被充电的电池电压高，否则电池就会被击穿。蓄电池电压要按最高电压计算，电池充满时的电压约为标称的 1.2 倍。为了防止意外，应留出余量，一般取最大值的 1.414 倍。2.2.3 蓄电池组目前太阳能光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能， 常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，太阳能光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来， 晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的要求是① 自放电率低；② 使用寿命长；③ 深放电能力强； ④ 充电效率高； ⑤ 少维护或免维护； ⑥ 工作温度范围宽； ⑦ 价格低廉。目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。10 配套 200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业免维护铅酸蓄电池；配套200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池 [7]。2.2.4 控制器是家庭式太阳能发电系统的核心部件之一。 家庭式太阳能发电系统的控制器一般应具备如下功能 ① 信号检测。 检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。② 蓄电池最优充电控制。控制器根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状态， 确定最佳充电方式， 以实现高效、 快速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。③ 蓄电池放电管理。对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。④ 设备保护。光伏系统所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制器来提供保护， 如系统中因逆变电路故障而出现的过压和负载短路而出现的过流等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用电设备损坏。⑤ 故障诊断定位。当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，为对系统进行维护提供方便。⑥ 运行状态指示。通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。2.2.5 逆变器逆变器是将直流电变换成交流电的设备。 由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。对逆变器的基本要求是① 能输出一个电压稳定的交流电。无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般为 2。② 能输出一个频率稳定的交流电。要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为 0.5。③ 输出的电压及其频率在一定范围内可以调节。 一般输出的电压可调范围为 5， 输出频率可调范围为 2Hz。④ 具有一定的过载能力，一般能过载 125～ 150。当过载 150时，应能持续 30s；当过载 125时，应能持续 1min 及以上。⑤ 输出电压波形含谐波成分应尽量小。一般输出波形的失真率应控制在 7以内，以利于缩小滤波器体积。⑥ 具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。⑦ 起动平稳，起动电流小，运行稳定可靠。⑧ 换流损失小，逆变频率高，一般在 90以上。⑨ 具有快速的动态响应 [8]。逆变器按运行方式， 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统， 为独立负载供电。 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池11 发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，晶体管正弦波（或准正弦波）逆变器将成为发展的主流。12 3 家庭式太阳能发电系统的设计3.1 家庭式太阳能发电系统整体设计步骤图 3-1 家庭式太阳能发电系统设计步骤框图如图 3-1为家庭式太阳能发电系统设计步骤框图。 家庭式太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，软件设计先于硬件设计。软件设计包括负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池和蓄电池容量的计算，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包系统建设地点地理及气象条件，如纬度，经度，海拔高度，年最高、最低气温和月平均气温， 年分月太阳辐射量， 年日照时数， 年最长连续阴雨天数，年平均风速及极限风速，灾害性地质及气候情况计算太阳能电池方阵最佳倾角 β 用电负载的特点及要求，允许的失电小时数，允许的输电电压初步确定太阳能电池方阵尺寸、额定功率、组件串并联数及组合方式确定蓄电池组容量及串并联方式计算确定控制器的规格型号计算确定逆变器的规格型号计算出整体系统的报价清单家庭式太阳能发电系统经济效益分析13 括负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制系统选型和设计。由于软件设计牵涉到复杂的太阳能辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成的；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。在设计计算中，需要的基本数据主要有现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去 10 年到 20 年的平均值作为依据。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，实际使用时必须设法换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。 对于偏远地区的太阳辐射数据可能并不类似于附近的城市， 可采用邻近某个城市的气象资料或类似地区气象观测站所记录的数据进行类推。3.2 光伏方阵最佳倾角计算由于太阳光照射到地面的角度时时刻刻都在变化， 而太阳能电池只有在日光直射的时候发电的效率是最高的，因此太阳能电池方阵布置有两种方法 一种是安装向日跟踪系统 ; 另外一种是根据计算确定最佳安装角度安装太阳能电池方阵。前者可以提高太阳能电池的发电效率，但成本很高，后一种虽然效率没有前者高，但建设成本较低，综合考虑采用第二种方法。（ 1）计算方法 [9]根据天空散射各向异性模型的计算方法，在纬度为 φ 处，倾角为 β 的斜面上，其太阳辐射量为cos121]1cos121[ HHHRHHHRHHObbObdbbT （ 3-1）式中 Hb 和 Hd分别为水平面上直接和散射辐射量； Rb 为倾斜面与水平面上直接辐射量之比； H0 为大气层外水平面上太阳辐射量。对于朝向赤道的斜面Rb sinsincos180sincoscos STST1sinsin180sincoscos SS（ 3-2）式中 δ 是太阳赤纬角，可由 Cooper 方程近似计算14 36023.45 sin[ 284]365 N （ 3-3）式中 N 为一年中的日期序号， 根据 Solar Engineering of Thermal Processes Edited by John A. Duffie and William A. Beckman 推荐各月所取的典型日期见表 3-1。 式中 ω S和 ω ST 分别为水平面和倾斜面上日出时角，-1cos -tg tgsω （ 3-4）-1min ,cos -tg - tgST sω φ β δω （ 3-5）表 3-1 各月所取的典型日期月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 日期 17 16 16 15 15 11 17 16 15 15 14 10 N 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344 由（ 3-1）于（ 3-5）可由下式求出SCO IH24365360cos033.01 n sinsin180sincoscos SS （ 3-6）式中 ISC1367W/m2为太阳能常数。（ 3-1）式中 ρ 为地物表面反射率。一般情况下，最后一项地面反射辐射量很小，只占 HT的百分之几。式中 H为水平面上总辐射量。 ρ 为地面反射率，范围大致为 0.2～0.7，通常取 ρ 0.2。在实际应用时，倾角的计算结果精确到 1 已经足够。具体计算过程相当复杂，为此可利用计算机软件，只要输入安装地点的太阳辐射资料及地理纬度等数据，即可算出任意倾角下的平均日辐射量， 最后确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量 [10]。（ 2）平均峰值日照时数计算由太阳能电池倾斜面方阵上有辐射资料的历年逐月日平均太阳能辐射量可求出全年平均日太阳辐射量 HT,，并用单位 mWh/cm2表示，除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数 T0，如式（ 3-7）所示。0T 10022cmmWhcmmWhH T（ 3-7）（ 3）驻马店地区的气象资料15 驻马店位于河南中南部，北接漯河，南邻信阳，地处淮河上游的丘陵平原地区。位于北纬 32 18′ 33 15′ ，东经 113 10′ 115 12′ ，地处亚热带与暖温带的过渡地带，具有亚热带与暖温带的双重气候特征，是典型的季风型半湿润气候。主要特点是季风分明、四季分明、温湿适中、雨热同季。年平均太阳辐射总量 112～ 120 千卡 /平方厘米， 年平均日照时数约为 2000～ 2200 小时。 全年平均气温 15℃ ， 极端最低气温 -21℃ ，极端最高气温达 44℃ 。全市多年平均降水量为 920mm，南部多于北部，西部多于东部。 常年主导风向冬季为西北风和北风， 夏季为东南风和南风， 最大风速为 25 米 /秒。表 3-2 驻马店市 1998-2008 年平均基本气候资料驻马店基本气候情况（据 1998-2008 年资料统计）月份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月平均温度（℃ ） 1.3 3.6 8.4 15.4 20.6 25.4 27.2 26.0 21.5 16.0 9.3 3.5 平均最高温度（℃ ） 6.4 8.9 13.7 21.2 26.4 30.8 31.9 30.9 26.9 21.8 14.8 8.9 极端最高温度（℃ ） 21.8 25.5 30.6 35.1 37.7 40.0 40.5 40.6 38.8 34.3 30.1 21.7 平均最低温度（℃ ） -2.8 -0.7 3.5 9.8 15.1 20.2 23.3 22.3 17.2 11.4 4.8 -0.8 极端最低温度（℃ ） -18.0 -18.1 -10.0 -1.2 4.4 10.7 16.0 14.4 8.5 -1.5 -8.7 -14.8 平均降水量（毫米） 21.4 25.0 51.3 58.2 84.3 130.0 194.4 180.5 106.7 71.8 39.2 16.4 降水天数（日） 5.3 5.9 8.6 7.9 9.8 9.2 12.7 11.3 9.5 8.7 6.2 4.9 平均风速（米 /秒） 2.3 2.5 2.6 2.6 2.4 2.4 2.2 1.9 1.8 2.0 2.3 2.4 根据驻马店地区的历年逐月日平均辐射量及驻马店地区的纬度经计算驻马店地区平均实际日照时数 7 小时； 平均峰值日照时数 （组件表面上）为 4.33小时；最小的日峰值日照时数为 3.68 小时；驻马店地区的太阳能电池组件最佳倾角为 41 。结果见表（ 3-3）所示。表 3-3 驻马店光伏方阵最佳倾角及其相应斜面上的历年逐月日平均辐射量地点 纬度 最佳倾角 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月