户用型300W独立光伏系统设计

户用型 300W 独立光伏系统设计 物理与电子科学系 李鹏辉 20101043131 摘要 太阳能是各种可再生能源中重要的基本能源，而太阳能发电又是 太阳能最重要的应用。小型 300W 独立光伏发电系统是一种比较实用的 方式，可以解决部分偏远地区并网用电不方便的问题，从而大大的方便 了人们的生活且节约了资源 。 关键词 太阳能；发电； 独立系统；实用； Abstract Solar energy is an important basic energy in the various renewable energy, solar power and solar energy is the most important applications. Small 300W independent photovoltaic power generation system is a more practical way to solve some of the remote areas of the grid electricity is not convenient. Thus greatly facilitate the lives of the people and the conservation of resources Keyword Solar Generate electricity Independent system Practical 在能源短缺，环境污染日益严重的今天，充分开发并合理利用太阳能是世界各国政府可持 续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电安全可靠，无噪声，无污染无 需消耗燃料，故障率低，维护简单，建设周期短，无需架设输电线路，可以独立完成发电供电任 务。这些优点都是常规发电和其他发电方式所不及的。 一、独立光伏系统的组成 通常的独立光伏发电系统主要由太阳电池方阵、蓄电池、控制器以及阻塞二极 管组成。 1 、蓄电池组 蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余 电能贮存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。 3 i1 _ s * }7 n 在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电 外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出，在这种季节 性循环的基础上还要加上小得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电， （同时方阵还要 给负载用电） ， 晚上则负载用电全部由蓄电池供给。 因此， 要求蓄电池的自放电要小， 而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅 酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。 2 、阻塞二极管 肖特基或锗管 0.3V 左右。也称作为反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二 极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。对阻塞二极管的要 求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在 方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为 0.6V。 二、 独立光伏系统设计 1 、光伏系统的设计包括两个方面容量设计和硬件设计。 光伏系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳 电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者 之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。光伏系统 硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选 型，支架设计，逆变器的选择，电缆的选择，控制测量系统的设计，防雷设计和配 电系统设计等。在进行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。 光伏系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容量 的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。因为太阳电池组件数量和蓄电池容 量是光伏系统软件设计的关键部分。 2 、设计基本原理 太阳电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需 求；因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳电池组件和蓄电池 在天气条件有别于平均值的情况下协调工作；蓄电池在数天的恶劣气候条件下，其 荷电状态（ SOC）将会降低很多。在太阳电池组件大小的设计中不要考虑尽可能快地 给蓄电池充满电。如果这样，就会导致一个很大的太阳电池组件，使得系统成本过 高；而在一年中的绝大部分时间里太阳电池组件的发电量会远远大于负载的使用量， 从而造成太阳电池组件不必要的浪费；蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值 的情况下给负载供电；在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下，太阳电池组件就 会给蓄电池充电。 设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。在进行太阳电池组件设计的时候， 首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。在 那种情况下，太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年都有将 近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间内处于亏电状态将使得蓄电池的 极板硫酸盐化。而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进 行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费 用也将大幅度增加。太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照 最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照情况最差的情况下蓄电池也能够被 完全地充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减 少维护费用。如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值，在这种情况下 仍然按照最差情况考虑设计太阳电池组件大小，那么所设计的太阳电池组件在一年 中的其它时候就会远远超过实际所需，而且成本高昂。这时就可以考虑使用带有备 用电源的混合系统。但是对于很小的系统，安装混合系统的成本会很高；而在偏远 地区，使用备用电源的操作和维护费用也相当高，所以设计独立光伏系统的关键就 是选择成本效益最好的方案。 蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工 作。我们可以设想蓄电池是充满电的，在光照度低于平均值的情况下，太阳电池组 件产生的电能不能完全填满由于负载从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样在第 一天结束的时候，蓄电池就会处于未充满状态。如果第二天光照度仍然低于平均值， 蓄电池就仍然要放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态继续下降。也许接下来 的第三天第四天会有同样的情况发生。但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过 程只能够允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达指定的危险值。为了量 化评估这种太阳光照连续低于平均值的情况，在进行蓄电池设计时，我们需要引入 一个不可缺少的参数自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正 常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。 一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关负载对电源的要求程度；光伏系统安 装地点的气象条件即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续 阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。对 于负载对电源要求不是很严格的光伏应用， 我们在设计中通常取自给天数为 3～ 5 天。 考虑光伏系统的安装地点，如果在很偏远的地区，必须设计较大的蓄电池容量，因 为维护人员要到达现场需要花费很长时间。 光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，但是在较大的系统中考 虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。在下面内容中涉及到的蓄电 池没有特别说明指的都是铅酸蓄电池。 蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计 算蓄电池容量的基本方法。 考虑的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式。 蓄电池容量 ＝ C LL C TNKQ 0 K 为安全系数， K 取 1.2 ； LQ 为日平均耗电量， 即等于工作电流乘以日工作小时数； LN 为最长阴雨天数； 0T 为温度修正系数，取 1； CC 为放电深度； 建立一套 300W光伏供电系统给一个地处偏远地区照明供电。工作电流为 5 安培每天 工作 24 小时。 该系统所处的地点的 24 小时平均最低温度为 2℃， 系统的自给时间 最 大阴雨天数）为 5 天。使用深循环工业用蓄电池（最大 DOD为 80％） 。因为有光照时 电池处在充电状态，所以电池的每天工作时间取为 14 小时。 因为该光伏系统在所地区的 24 小时平均最低温度为 2℃，所以必须修正蓄电池的最 大允许放电深度。由最大放电深度蓄电池温度的关系图我们可以确定最大允许 放电深度为 75％。温度修正因子为 1 因此蓄电池容量为 蓄电池容量＝ 75.0 155142.1 ＝ Ah560 3 、 电池组件的选择 选用 125 125 的单晶硅电池，主要参数如下 品 牌 / 型 号 YDcell-125-20/125 125 化学类型 单晶硅太阳 电池 结构类型其他 输出功率 2.3---2.78 （ W） 工作电压 0.5 （ V） 转化效率 16（ ） 填充因子 75（ ） 外形尺寸 125*125 用途太阳能发电 考虑到电池的实际情况输出功率定为 2.5W。 4 、 逆变器的选择 逆变器的设计 由于当地的用电电压为 220V，所以选择输出电压为 220V 的离网逆变器，经过用 户用电器统计可知，用户的最大功率约为 300W，考虑到用户负载中有感性负载，在启动过程时 有较大的冲击电流，同时考虑系统的临时增加负载的情况，所以逆变器功率应相对选择较大的。 选取 500W的逆变器， 逆变器选择南京冠亚的 GN-1.5KCSP-R，其具体技术参数见下表 型 号 GN-1.5KCSP-R 额定容量 500 直流输入 额定输入电压（ VDC） 24V 欠压点 VDC） 21.6 欠压恢复点 VDC 25.2 过压点（ VDC） 35 参考文献 百度百科 光伏实验讲义 光伏技术应用