小型光伏电站设计课程设计

第 1 页摘要： 太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补，现在光伏设计已经趋于工业化。本文拟在陕西省西乡县城关镇某地， 为用户设计一个并网光伏发电系统。 用电器依据实际情况而定，查阅了气象数据，计算了负载功率，设计了组件安装方式，选用了合适太阳能电池，逆变器，蓄电池和控制器等，对该系统进行了效率评估，并进行了工程预算。综合考虑了用户的期望，产品成本，效率和社会效益，旨在为用户创造一个美好的现代生活。关键词： 太阳能光伏发电 户用并网系统 系统设计第 2 页目录1 工程概述 . 3 1.1 工程名称 3 1.2 地理简介 . 3 1.3 气象资料 . 4 2 太阳能并网发电系统介绍 . 6 2.1 太阳能并网发电系统工作原理 . 6 2.2 主要组成设备介绍 . 7 3 方案设计 . 8 3.1 太阳能光伏系统的设计方案 8 3.2 设计原则 . 8 3.3 负载的计算 9 3.4 太阳能电池板容量及串并联的设计及选型 . 10 3.5 组件结构图 . 12 3.6 组件的串并联数计算 . 13 3.6.1 光伏组件串联数的基本计算 13 3.6.2 光伏组件的并联数基本计算 13 3.7 蓄电池容量及串并联的设计及选型 13 3.8 太阳能电池板倾斜角的设计 14 3.9 控制器、逆变器的选型 . 15 3.9.1 控制器的确定 15 3.9.2 逆变器的确定及选型说明 15 3.10 电气配置及其设计 . 17 3.11 设计依据 . 20 4 发电量估算 . 18 5 设备材料清单及造价一览表 . 18 6 参考文献 . 22 第 3 页1 工程概述1.1 工程名称西乡县 5.3kW 户用并网光伏发电项目。1.2 地理简介西乡县位于汉中盆地东部， 介于东经 107° 15′～ 108° 15′与北纬 32° 32′～ 33° 14′之间。县境东邻石泉、汉阴，南界镇巴和四川通江，北连洋县，西接城固南郑。东西长 94.5 公里， 南北宽 64.5 公里。 总面积 3240 平方公里， 其中山区占 64.79%，丘陵占 28.35%， 平川占 6.86%。 西乡县总面积 3240 平方公里， 海拔在 371～ 2413米之间，山区丘陵面积占 93.2%，平川占 6.8%。西乡县地处秦岭巴山之间，位于中国南北气候的分界线秦岭 —— 淮河以南米仓山的凸起，盆地的凹陷，堰口一钟家沟的东西大断层，泾洋河的南北深切，构成了西乡的地貌骨架，由于地面组成的物质不同，地貌发育也各具特点，加之长期的水蚀、机械风化、冰川作用及人为活动等，从而使地貌形态和性质也各有差异。西乡属北亚热带湿润季风气候区，全年气候温和，属北亚热带半湿润季风区，平均气温 14.4℃，年均降水量 1100― 1200 毫米。平均蒸发量 457.2 毫米，总的气候特点是：受南北兼有的气候和多样地形影响，气候温和，雨量充沛，但时空分布差异大，光照不足立秋后高温持续，俗称 “ 二十四个秋老虎 ” ，但昼热夜凉，遇雨气温骤降。白露、秋分时，淫雨经旬，甚者历月方晴，常有 “ 秋霖 ” 雨发生。西乡属长江水系，地跨汉江、嘉陵江两个流域。巴山主脊以南属嘉陵江流域，集雨面积 327平方公里，占县总面积的 10%；以北属汉江流域，集雨面积 2913 平方公里，占总面积的 90%。每日太阳辐射为 3.46，最长连续阴雨天数为 6 天，两最长连续阴雨天最短间隔天数为 15 天，全年日照时间为 1200-1600 小时。第 4 页1.3 气象资料气象资料以 NASA 数据库中西乡县气象数据为参考。图 1 NASA 数据查询太阳能电池板和太阳能热应用的大小和指向参数 : 查得数据如下表：表 1 入射在一个水平面月平均太阳辐射（千瓦时 /平方米 /天）北 纬32.55 东 经107.61月2月3月4月5月6月7 月8月9月10月11月12月年平均数22 年平均2.4 2.7 3.2 4.7 4.6 4.6 4.7 4.4 3.3 2.7 2.3 2.1 3.4 第 5 页表 2 每月最高和最低平均日照差异（ %）Lat 32.55 Lon 107.64 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Maximum 19 30 26 23 18 16 20 20 33 29 26 24 Minimum -17 -24 -25 -22 -16 -23 -19 -22 -34 -17 -25 -21 表 3 月平均日照时数（小时）Lat 32.55 Lon 107.64 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Average 10.2 11.0 11.9 12.9 13.8 14.2 14.0 13.3 12.4 11.4 10.5 10.0 表 4 在地球表面 10 米以上的月平均气温（ ° C）Lat 32.55 Lon 107.6 Jan Feb Ma Ap Ma Ju Jul Aug Sep Oct Nov Dec 年平均22 年平均-1.2 0.8 5.0 11 16 19 22 21.4 17.3 11.6 6.0 0.40 10.9 最小 -4.0 -2.1 1.6 7.7 12 15 18 18.0 14.3 8.8 3.3 -2.1 7.7 最大 2.0 4.2 8.7 15 20 23 25 25.2 20.8 14.6 9.0 3.2 14.5 第 6 页表 5 在地球表面 50 米以上的月平均风速（米 /秒）Lat 32.55 Lon 107.64 Jan Feb Ma Ap Ma Jun Jul Au Sep Oct Nov Dec 平均10 年平均2.9 3.1 3.2 3.3 3.0 2.9 2.5 2.5 2.7 2.7 2.9 2.8 2.9 表 6 在 50 米时，每月平均风速最低和最大的差异（ %）Lat 32.55 Lon 107.64 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 年平均最小 -10 -4 -6 -11 -7 -12 -7 -8 -9 -8 -12 -12 -9 最大 6 4 7 9 8 9 20 17 11 7 11 12 10 2 太阳能并网发电系统介绍2.1 太阳能并网发电系统工作原理太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。系统结构如下图所示：第 7 页图 2 太阳能并网发电系统原理图2.2 主要组成设备介绍太阳能电池组件：根据光生伏打效应原理，利用晶体硅制成，其作用是将太阳辐射能转换为电能，有一定的防雨、防雹、防风等能力。根据实际需要可将电池组件相互串联或并联连接。并网逆变器：将来自太阳电池方阵的直流电流变换为符合电网要求的交流电流的电力变换装置。第 8 页3 方案设计3.1 太阳能光伏系统的设计方案3.2 设计原则本工程设计在遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的指导思想和设计原则下，着重考虑以下设计原则。先进性原则：随着太阳能技术的发展，光伏电站设计必须考虑先进性，使系统在一定的时期内保持技术领先性，以保证产品具有较长的生命周期。实用性原则：光伏电站设计充分考虑我国太阳能电源设备生产现状，选用有大规模实际工程应用经验的产品， 采用先进成熟的技术，保证产品的稳定性、可靠性和可维性。经济性原则：光伏电站设计在保证系统各项技术指标的前提下，努力降低工程、设备成本，提高系统的性能价格比，保护用户的投资效益。当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集，计算。日辐射强度，光照时间，连续最大阴雨天等。用电量需求的分析和计算确定光伏发电系统的形式系统容量设计： （ 1）太阳能电池组件功率和方阵构成的设计与计算（ 2）蓄电池（组）的容量与组合的设计与计算系统配置与设计： （ 1）控制器的选型与设计（ 2）逆变器的选型与设计（ 3）线路设计第 9 页3.3 负载的计算表 7 负载计算数量 功率 使用时间荧光灯 8 18W/盏 5h/天电视机，电脑 2 120W/台 3h/天洗衣机 1 120W 600Wh/天电冰箱 1 180W 1000Wh/天电热水器 1 3kW 0.5h/天空调 1 2.8kW 3h/天用电负载总功率： PL=18W× 8+120W× 2+600W+1000W+3000W=4984W（不算空调时）PL=4984W+2800W=7784W（算空调时）日用电量： (1) q1=18W× 8× 5h=720Wh(2) q2=120W× 2× 3h=720Wh (3) q3=600Wh (4) q4=1000Wh (5) q5=3000W× 0.5h=1500Wh (6) 8400Wh3h2800Wq6日总用电量： 4.54kWh15001000600720720qL （不计算空调）12.94kWh840015001000600720720qL （计算空调时）第 10 页年总耗电量： 1657.1kWh3654.54QL （不考虑空调时）2 3 2 9 . 1 k W808.43654.54QL （考虑空调时）本系统功率较小，光伏系统直流电压选择 24V。该用户负载平均日用电量为 12.94kWh(是指在盛夏或者隆冬时每天开空调的情况下的日用量 )。而一年中需要开空调的时间大约为 80 天左右，所以年用电总量约为 2329.1kWh。 光伏发电系统在建立之后都不可避免的存在各种损耗，我们设计的系统为 80%的效率。本次设计我们不考虑空调这个大功率，较少使用的用电器的用电量，如果空调需要用电时，从市电买进即可。因此，设计的并网式光伏系统日均发电量必须在 4.54kWh 以上，年发电总量必须在1657.1kWh 左右，太低就不能满足用户需求，同时设计的系统应尽量做到实用。3.4 太阳能电池板容量及串并联的设计及选型峰值日照小时数： 3.46h 所需电池板的功率： 1836.73.461.44540T1.4qP SL W 对于分布式光伏发电项目电池组件选型遵循以下原则：在兼顾易于搬运条件下，选择大尺寸、高效的电池组件；选择安装便捷的，易于更换的组价；选择易于接线的电池组件；组件各部分抗强紫外线（符合 GB/T18950-2003 橡胶和塑料管静态紫外线性能测定） ；组件必须符合 IEC61215 标准；保证每块电池组件的质量；遵循以上原则选择的 YL240P-29b 电池组件。YL240P-29b 光伏电池组件有如下优点：第 11 页高效率的多晶电池与高透光率的钢化玻璃使组件的转换效率达到 16.2%,这不仅降低了光伏系统的安装成本，还增加了系统单位面积的发电量。组件功率正公差 0 到 +5 瓦确保客户收到的组件功率高于标称功率，降低由于功率的不匹配性带来的功率损失，提高了系统输出给客户带来更多的收益。多晶组件在“ TUV 功率竞赛”和“ PHOTON 测试”中名列前茅，证明了其优良的使用性能和高超的发电能力。通过了 2400Pa风载荷和 5400Pa雪载荷的测试，从而保证了组件具有稳定的机械寿命。其参数如表 8：表 8 组件参数表组件类型 YL240P-29b 电池片类型 156mm× 156mm 电池片数量 8 片峰值功率 240w 峰值电压 30.4V 峰值电流 8.24A 开路电压 38.4V 短路电流 8.79A 组件效率 15.3% 工作温度 -40° C 至 85° C 尺寸 1650mm× 990mm× 40mm 重量 19.1kg 第 12 页3.5 组件结构图组件正视图 组件后视图组件横截面视图图 3 英利电池组件图单电池组建的电压一般比较小，为了能满足用户需求，我们可以把多个光第 13 页电池串联，这些组件串联后可以产生负载所需要的工作电压或者蓄电池组的充电电压。3.6 组件的串并联数计算3.6.1 光伏组件串联数的基本计算公式如下：2122412VN S 系统直流电压用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作我们需要并联若干光电池组件。3.6.2 光伏组件的并联数基本计算方法如下：太阳电池组件日输出： Qp= 组件峰值电流日平均太阳辐射= h28.5A8.243.46负载日均耗电量： QL=(4984 × 3.5) /220=79.24A ·h ]hA[hA衰减因子）组件日输出（库伦效率）日平均负载耗电量（并联组件数= 49.05.289.0 24.79故太阳能电池方阵功率为： 1920W24042NNPP SPM , 求。所以满足用户串并联要,1836.7W＞1920W3.7 蓄电池容量及串并联的设计及选型光伏蓄电池的选择：蓄电池能在光伏组件不发电的情况下给用户负载提供可以使负载正常工作的电量。1.蓄电池容量 Bc：第 14 页温度修正因子）（最大放电深度日平均负载自给天数 )(CB= h660A9.08.024.796 ）（）（2.蓄电池的选择：选用 12V,200Ah 的蓄电池。串联数： 21224单个电池电压总电压并联数： 4200660单个电池容量总电量所以，总共用了 8 个型号为 JYHY122000S 的蓄电池。其参数如下表表 9 蓄电池型号电池型号 额定电压 V 容量 （ Ah） 长 宽 高 总高 重量（ kg）JYHY12200S 12 200 522 240 219 227 63.5 3.8 太阳能电池板倾斜角的设计太阳能电池板倾角粗略估算：为了保证系统有足够高的效率，电池板必须按一定的倾角安装。因此有必要先计算不同倾角对效率的影响，这个影响可以用在太阳能电池板面上的日平均辐照强度来量化，辐照强度越大则电池板的效本越高。可以根据当地纬度由以下关系粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角：纬度 0─ 25° ，倾角等于纬度；纬度 26° ─ 40° ，倾角等于纬度加 5° ─ 10°纬度 41° ─ 55° ，倾角等于纬度加 10° ─ 15°纬度＞ 55° ，倾角等于纬度加 15° ─ 20°因此当地纬度 55.32 取 408第 15 页3.9 控制器、逆变器的选型3.9.1 控制器的确定：我们已经采用了 24V 的直流太阳能系统，计算：电流控制器片电池板太阳能板的总电流 A40V488W240 ,那么采用两个 24V/40A 太阳能充电控制器就可以满足了。注意事项：如果超过 1000W 的系统，尽量采用双控制器，以便检测发电状况和使用维护， 控制器因为太阳能板在发电时并不是始终处于最大电压和电流，所以在选控制器按 40%-50%的电流，就可以满足了。3.9.2 逆变器的确定及选型说明：逆变器是链接负载和电池的最后一个关键组件， 一般采用纯正弦波逆变器，其不会对任何电器电机的使用寿命造成影响。逆变器的计算公式如下25.1和使用电器的额定功率之使用的逆变器容量6230W1.254984逆变器容量因此，需要一个 24V/6kW 输出的 220V/50HZ 的逆变器。我选择 KSG-6K 型并网逆变器，其优点如下：DC 电压 500V 单路 MPPT 高效率拓扑，最高效率 97.5% 体积小重量轻结构防水设计挂架式安装方式其具体参数如下表：第 16 页表 10 KSG-6K 并网逆变器规格逆变器型号参数 KSG-6K 最大光伏组件功率 6.4kWp 最大直流输入电压 550V 启动电压 380V MPPT 范围 150-540V 最大直流输入电流 28A 直流输入路数 2 额定交流功率 6.1kW 额定交流电流 30A 交流电流畸变率（ THD) <3%@额定功率额定交流电压 220, 230, 240 V 交流电压范围 -15%～ +10%（可设置）交流电压频率 48Hz～ 50.5Hz（可设置）功率因数 ≧ 0.99@额定功率隔离方式 带隔离接地方式 TT 最大效率 97.30% 欧洲效率 96.80% 待机状态功耗 <15W 冷却方式 强制风冷防护等级 IP20 防雷等级 D 级过 /欠压保护 有过 /欠频保护 有防孤岛保护 有低电压穿越功能 无过流保护 有防反放电保护 有极性反接保护 有工作环境温度 -40℃ ~+55℃工作环境湿度 ≤ 95%（无结露）海拔高度 3000m，大于 3000m 需降额显示 LCD/LED 通讯接口 RS232/RS485 逆变器的选型说明：第 17 页（ 1） 超乎一般的技术等级设计 — 足以抵挡极端温度、 潮湿及高粉尘的工作环境。高效的冷却系统 — 特殊的气流组织设计为日常操作提供了高效的自然对流冷 却系统（另设有满负荷安全通风设备） ，甚至在高温环境中也可保证设备的长寿命及无故障运行。（ 2）您在使用标准插头的同时也可选择其它多种连接方式。壁挂式安装设计 — 具有外壳把手及钻孔定位夹具。（ 3）优化高效的变压器 — 输入电压范围值广及高速的 MPP-Tracking 功能。超强的适应性 — 因可接受的输入电压范围值广，可适用于多晶硅、单晶硅及薄膜光伏组件。舒适的操作 — 大型背光 LCD 图表显示屏及简明的操作菜单。复杂的分析功能 — 使操作一目了然。（ 4）集成的数据存储 — 每日、每周及全年的数据摘要。为优化集成每一个太阳能系统的安装，可以有自由的外形结构选择。（ 5）网络易接功能 — 拥有 RS485 接口，可接入英特网或进行网络集成通过限压器实现直流输入浪涌保护。（ 6）备用继电器输出可用于激活外部指示单元。板载自动断路开关。3.10 电气配置及其设计电气系统主要由太阳能方阵，蓄电池，控制器，逆变器等组成。第 18 页（ 1）太阳能方阵屋顶结构与尺寸如下：北图 5 东西 12m 南北 6m 屋顶南面面积： 21 72m612A太阳能电池组件面积： 2m63.1a单体光伏阵列间距设计 : D= cos β× H/tan[arcsin(0.648cos α-0.399sin α )]其中：β 是太阳方位角， β =arcsin[0.648/cos[arcsin(0.648cos α-0.399sin α )]]α 为当地纬度 =32.55 °H 是电池板安装高度 =1.06m。代入数据得： β =43.48° ，间距 D=2.3m。可以初步得出阵列安装方式，为南北走向，且斜面朝北。横向并联 4 个电池板组成一个方阵，纵向间隔 2.3m，将由 4 个并联的 2 方阵串联，如下图：第 19 页2.3m 图 6 组件安装示意图图 7 组件安装倾角及安装间距（ 2）蓄电池总共用了 2 个型号为 JYHY122000S 的蓄电池组合而成， 具有内阻低、 自放电小、寿命长、使用温度范围广等优点。蓄电池安装在专用的房间内，并配有专用蓄电池支架，排列整齐，保持环境干燥并保持良好的通风条件。（ 3）控制器：见 3.9.2 （ 4）逆变器：见 3.9.1 （ 5）智能控制箱 ,：由微电脑定时器、继电器、交流接触器、指示灯、低压断路器等组成用来进行市电对独立光伏发电系统的智能切换。市电供电：当控制器检测到蓄电池电压达到过放电压时，此时控制器无输第 20 页出，使得 K2， SJ1， K1 线圈不能得电。 K1-1 为断开状态，此时 K1-2 闭合，时间继电器 SJ3线圈得电，常开触点 SJ3-1闭合， KM2 接通，指示灯 2 亮，此时市电开始供电。3.11 设计依据本工程主要遵循和依据下列标准、文件：GB/T 9535-1998 《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》GB/T18479-2001 《地面用光伏（ PV）发电系统概述和导则》GB19064-2003 《家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》GB50054-95 《低压配电设计规范》GB17478-1998 《低压直流电源设备的特性和安全要求》GB50171-92 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工》DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T621-1997 《交流电气装置的接地》GB 50057-2010 《建筑物防雷设计规范》GB191-2008 《包装贮运标志》GBJ232－ 82 《电气装置安装工程施工及验收规范》GB50205-2002 《钢结构工程施工及验收规范》GB50017-2003 《钢结构设计规范》GB/T11373-1989 《热喷涂金属件表面处理通则》4 发电量估算太阳能组件方阵年发电量 =组件方阵额定功率 × 峰值日照时数 × 系统效率× 365= 1939.82kWh3650.83.461920由此公式推出，此项目年发电量为 1939.82kWh。远大于用户一年的总用电第 21 页量 1657.1kWh。5 设备材料清单及造价一览表表 11 5.3KW 并网系统初步组件报价表序号 系统材料 型号 数量 单位单价（元/W) 总价（元） 品牌1 电池组件 YL240P-29b 8 块 4.8 25440 英利2 并网逆变器 KSG6K 1 台 1.5 7950 科士达3 智能控制器 1 台 0.5 2120 4 控制器Sunwins MC-3K 2 台0.4 4240 萨瑞5 交直流配电柜 定制 1 套 0.45 2385 6 光伏支架 定制 1 套 0.4 2120 7 线缆 光伏专用 1 套 0.25 1325 8 其他材料 辅材 1 套 0.15 795 9 安装及技术服务人工、机械、申报、运营维护等费用 1 套 2.5 13250 英利10 设计费用 1 套 0.2 1060 GCL 11 运输 1 次 0.35 1855 12 蓄电池 JYHY12200S 8 台 500 环宇12 总造价（元） 63040 第 22 页6 参考文献1.田汉霖 .光伏发电站设计 .学位论文，西安交通大学 .2013.1.10. 2.合利欧斯集团，河南外国语学校 512k 分布式光伏发电站设计 .2013.10.