家用独立式光伏发电系统PvSystem辅助设计

新 能 源 科 学 与 工 程 专 业素 质 拓 展 报告（ 家用独立式光伏发电系统 PvSyst 辅助设计 ）二级学院 新能源科学与工程学院年级专业 12 级新能源科学与工程（ 1）班学 号 1203221007 学生姓名 蒋仁宽联系方式 14797907898 指导教师 查国君教师职称 讲师实施时间 2015.11.2-11.15 课程评分家用独立式光伏发电系统 PV System 辅助设计前言光伏发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式， 典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的光伏发电系统能量。 独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村， 如家庭系统、 村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、 卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电 / 太阳能发电互补系统等。第一章 家用光伏发电系统发电原理1.1 家用光伏发电系统发电原理太阳光照在半导体 p-n 结上， 形成新的空穴 - 电子对， 在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能， 光电转换的基本装置就是太阳能电池。 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件， 是一个半导体光电二极管， 当太阳光照到光电二极管上时， 光电二极管就会把太阳的光能变成电能， 产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。 太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点 .太阳能电池寿命长， 只要太阳存在， 太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。1.2 光伏发电系统的设计需要考虑的因素（ 1）光伏发电系统需要考虑安装的环境条件以及当地的日光辐射情况；（ 2） 考虑系统需要承受的负载总功率的大小；（ 3） 系统应设计的输出电压的大小以及考虑使用直流还是交流；（ 4） 系统每天需要工作的小时数；（ 5） 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续工作的天数；（ 6） 系统设计， 还需要了解负载的情况， 电器是纯电阻性、 电容性还是电感性，以及瞬间启动最大电流的流通量。1.3 家用光伏发电系统组成家用光伏发电系统组成太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统组成。如输出电源为交流 220V或 110V，还需要配置逆变器。太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分， 也是太阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能力转换为电能， 或送往蓄电池中存储起来， 或推动负载工作。 太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。第二章 安装地点气象状况2.1 地理位置吉安位于江西省中部，赣江中游。从地势上看，属罗霄山脉中段，扼湖南、江西两省咽喉通道，地势极为险要。境内有自北向南纵贯的京九铁路、 105 国道和由东向西的 319 国道及 “ 三南 ” 公路，是连接北京、西南、华南、福建、港澳地区的天然纽带； 上可溯赣江沟通闽粤， 下可泛鄱阳湖与长江相联，顺抵长江下游发达省市，在江西省地理上占有特殊位置。地理上，它介于北纬 25 58′ 32″至 27 57′ 50″，东经 113 46′至 115 56′之间，全市长约 218 公里，东西宽约 208 公里，总面积为 25271 平方公里。以山地、丘陵为主，山地占全市面积的 51，平原与岗地约占 23，山地与丘陵约占 23，水面约占 4。可概括为 “ 七山半水两分田，半分道路和庄园 ” 。2.2 气候条件吉安是属于亚热带湿润性气候，具有四季分明 、 日照充足 、 雨量充沛 、 无霜期长 、 严冬较短的特征。地形以山地、丘陵为主，山地占全市面积的 51，平原与岗地约占 23，山地与丘陵约占 23，水面约占 4。属中亚热带丘陵山市季风湿润气候。全市多年平均气温为 17.1-18.6 ℃，多年平均降水量为 1487 毫米。地表水平面接收到的太阳能总辐射量受大气质量 、 当地纬度 、 大气气象条件和海拔等因素影响。大气质量为太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶方向时穿过大气路径之比，用 AM 表示。对于一个理想的均匀的大气，可通过下式计算得到zsAM cos1式中 zs为太阳光线与天顶方向的夹角。纬度地球自转的同时围绕太阳公转，地球的自转轴与其公转的轨道面成64 34′ 的倾角。根据余弦定理，即任意平面上的辐照度同该平面法线与入射线之间夹角的余弦成正比， 若不考虑其他因素的影响， 纬度的绝对值越大，则地表水平面接受到的年总辐照量越低。大气气象条件对地表水平面接收到的总辐照量主要是云层， 云层是太阳光在大气中衰减和产生散射的重要因素。 海拔越高， 大气透明度系数越大，地表接收到的太阳总辐射越大。 吉安市的海拔在 500m 到 1000m 之间， 虽然比不上西北地区，但条件还是比较理想的。吉安市相对来说出现 12 级以上台风概率不大，一般最高风速不超过 10 级，风力破坏度不大，冬季常出现雨雪天气，地面积雪深度不超过 20 厘米，且不属于地震常发的地震带上，所以出现破坏性地震概率很小。江西省吉安市太阳能资源在第二种分类方法中属于中国四类地区， 水平面上年平均每天峰值小时数约为 3.5 小时， 年平均每天光照时间约为 5 个小时， 年日照小时约为 1825 小时，年平均每天光照时间为 5 小时。利用 PV system 辅助 , 输入吉安泰和经纬度（如图 2-1 ）图 2-1 得到月平均辐照量和月平均温度（如 2-2 图）图 2-2第三章 家用电器功率和使用情况分析3.1 家用电器功率和使用情况对于我们的家里来说是一般普通的家庭， 没有过多的电器之类的， 所以一般家里的功率多不大，这里我采用的是最多的时候。见下表 3-1 表 3-1 家庭负载信息表名称 数量 功率 使用时间 总功率电灯 5 18 lampW 5 dayh 450 dayWh电视机 1 50 appW 4 dayh 200 dayWh电饭煲 1 300 appW 2 dayh 600 dayWh洗衣机 1 600 dayWh 600 dayWh冰箱 1 300 dayWh 300 dayWh系统 1 5 totW 24 dayh 120 dayWh总功率 2270 dayWh图 3-1 是在 pv system 输入图 3-1 这样我根据家庭负载信息表可以计算出光伏组件功率 mP ；光伏组件功率 mP aPm hQ y 式中mP 为光伏组件峰值功率， pW （标定条件光照强度 10002mW ，温度 25℃，大气质量 5.1AM ）；h 为年平均每天光照时间（江西地区一般为 5 小时）；a 为全年平均每天发电量与用电量之比（这个值取 1.05 ）；为发电系统综合影响系数；y 为倾斜光伏组件上的辐射量 / 水平面上辐射量 1.10。aPm hQ y 1.05 2270 5 1.05 0.55277 pW所以计算得到光伏组件峰值功率为 277 pW 。第四章 光伏系统组件选型及安放设计4.1 光伏系统组件选型由上面计算得到光伏组件峰值功率为 277 pW ，所以本次家用独立式光伏发电系统选用 280W 的多晶硅太阳能组件，共计 5 块，总功率为 1400W 。其主要技术参数见表（ 4-1）。表 4-1 太阳能组件的技术参数太阳能组件型号 YL280P-35b 1 太阳能组件生产厂家 保定天威英利新能源有限公司2 太阳能电池种类 多晶硅3 峰值功率 280W p4 开路电压 Voc 45.0V 5 短路电流 Isc 8.35 6 工作电压 Vmppt 35.5 7 工作电流 Imppt 7.89 8 最大外形尺寸 1970mm 990mm 50mm 图 3-2 是组件测试结果图 4-1 4.2 光伏系统组件安放设计本次设计在吉安市泰和县为家用独立式光伏发电系统， 是平屋顶上安装太阳能电池阵列，根据场地的情况，没有 障碍物的平坦地域， 发现光伏阵列的朝向非常适合南北方向安装。 而且光伏组件安装宜按最佳倾斜角进行设计。 倾斜角就是光伏阵列与地面的夹角，所以我可以确定安装倾斜角为 30和 60（如图 4-2）。图 4-2 正常间距下（即按冬至日上午 9 点到下午 3 点之间前排部队后排造成不遮挡确定的间距）， 方阵相互遮挡的时段很少并且遮挡时辐射量较少，这种情况下采用横向布置对于发电量提升不明显，所以采用竖向布置方式。4.3 两档可调式支架间距的计算两档可调式支架方阵通常成排安装， 一般要求在冬至影子最长时， 两排光伏方阵之间的距离要保证上午 9 点到下午 3 点之间前排部队后排造成遮挡。ssHD coscotssHL sincot式中 D 为东西分量， L 为南北分量， H 为为物体高度， s 为太阳高度角， s 为太阳方位角。高度角 、 天顶角 、 纬度 、 赤纬角及时角的关系为coscoscossinsincossin zss其中 表示纬度，北半球取正值，南半球取负值； 表示赤纬角，可用 Cooper方程近似计算，即36528428.6sin45.23 n其中 n 为日期序号。ss cossincossin冬至日为 12 月 22 日， n 356；36535628428.6sin45.23 -23.44春分日为 3 月 20 日， n 79；3657928428.6sin45.23 -1.01这里我们取下午三点 45，吉安市纬度 26。ssin sin 28 sin （ -23.44） cos28 cos（ -23.44） cos45 0.383 ssin sin 28 sin （ -1.01） cos28 cos（ -1.01） cos450.613 ss cossincossin 0.73 ss cossincossin 1 将吉安市的各种角度带入天文公式和上面公式中，取冬至日和春分日中的最大值，可以得到；D 2.476m 所以两档可调式方阵前后排的间距约为 2.5m。因为要采用两档可调式方阵标高相同，所以方阵东西间距为 200mm。4.4 平屋面安装光伏组件的要求（ 1）在建筑屋面上安装光伏组件，要用不影响屋面排水功能的基座形式和安装方式。（ 2）在屋面防水层上安装光伏组件时，其支架基座下部应增设附加防水层。（ 3）光伏组件基座与结构层相连时，防水层应包到支座和金属埋件的上部，并在地脚螺栓周围作密封处理。第五章 蓄电池选型及逆变器等设备选型等技术过程5.1 蓄电池选型在独立供电系统中储能主要依靠铅酸蓄电池， 蓄电池容量的计算可利用下面的公式深循环蓄电池放电深度 0.97 逆变效率 0.94 蓄电池容量计算公式如下C负载功率 工作时间 备用时间 系统电压 逆变效率 放电深度2270 3 24 0.94 0.97390AH 蓄电池串联数 N蓄电池电压 V/每只蓄电池电压 v24 122 （个）蓄 电 池 并 联 数 M 蓄 电 池 总 安 时 数 AH/ 每 只 蓄 电 池 安 时 数 AH 数390 656 个）蓄电池总数蓄电池串联数 N 蓄电池并联数 M2 612个 所以一共需要蓄电池 12 个（如图 5-1）。图 5-1 5.2 太阳能控制器容量计算5.2.1 充电控制器的要求（ 1）最大输入电压 ≥ 光伏方阵串联空载电压 1.2 到 1.5 倍。（ 2）最大输入电流 ≥ 光伏方阵并联短路电流 1.2 到 1.5 倍。（ 3）额定功率 ≥ 最大负载功率总和 1.2 到 1.5 倍。（ 4）输入最大电流 ≥ 最大负载电流 1.2 倍。充电控制器有过充、欠压保护，防反充和接反保护功能。系统额定电压 DC220V 。控制器的数量 1 台。5.3 逆变器容量的计算由于我国当地的用电电压为 AC220V ，所以选择输出电压为 AC220V 的离网逆变器，经过对家里用电器的统计可知，最大功率为 2270W, 考虑到在启动过程时有较大的冲击电流， 同时考虑系统临时增加负载的情况， 所以逆变器功率应相对选择比最大功率大一点的。要求（ 1）最大输入电压 ≥ 蓄电池串联电压。（ 2） 额定功率 ≥ 负载最大功率 1.2 到 1.5 倍 （对于感性负载， 应考虑启动电流） 。（ 3）输出电压 负载额定电压。（ 4）逆变器有输出过电压和过电流保护。（ 5） 实际选择逆变器的规格为 逆变器在很多场合， 都需要提供 220VAC、 110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC、 96VDC、192VDC。为能向 220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能， 因此需要使用 DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到 DC-DC逆变器。逆变器数量 1 台。第六章 家用光伏发电系统优点和缺点6.1 家用光伏发电系统优点（ 1）太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的 1 万倍。只要在全球 4沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。 太阳能发电安全可靠， 不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。（ 2）太阳能随处可处，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失；（ 3）太阳能不用燃料，运行成本很低；（ 4）太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用；（ 5）太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源；（ 6）太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。6.2 家用光伏发电系统缺点（ 1）地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电；（ 2）能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为 1000W/M2。大规格使用时，需要占用较大面积；（ 3）价格比较贵，为常规发电的 3 到 15 倍，初始投资高。参考文献[1] 李玲， 廖卫兵， 刘波， 张发云， 等． 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