独立光伏系统设计

独立光伏系统设计1 学 号：成 绩：独立光伏系统的设计院 部：太阳能光电信息工程学院专 业：太阳能光电信息工程姓 名： 高远指导教师：二〇一二年五月独立光伏系统设计2 摘 要根据苏南地区的地理信息、 天文数据及气候条件， 参考该地区历史年份气象辐射资料， 推算出阵列面光伏组件的面积， 确定系统各组成部件的技术性能要求和型号，完成整个系统的设计。【关键词】 ：苏南地区；光伏独立系统；设计Abstract According to the South of Jiangsu area GIS, astronomical data and weather conditions, with reference to the history of the region year meteorological radiation data, calculating out column surface photovoltaic component area, determining the components of technical performance requirements and models, to complete the system design. 【 Key words】 : South of Jiangsu region; photovoltaic independent system; design 独立光伏系统设计3 目 录第 1 章 序论 41.1 独立光伏系统设计的必要性 4 1.2 太阳能光伏发电应用现状 4 1.3 太阳能独立光伏系统的发电原理 5第 2 章 太阳能独立光伏系统的结构 62.1 独立光伏系统的构成 . 6 2.2 独立光伏系统设计时的调查 6 2.3 独立光伏系统安装注意事项 7第 3 章 独立光伏系统的设计 8 3.1 使用地区的气象、地理信息 8 3.1.1 苏南地区的地理信息 8 3.1.2 苏南地区的气象信息 8 3.3 蓄电池组的容积计算 . 10 3.5 光伏组件阵列面积的确定 12 第 4 章 系统各部件型号技术要求及连接方式 13 4.1 蓄电池型号及连接方式 13 4.2 组件型号及性能参数 13 4.3 逆变控制器技术参数 13 致 谢 . 14 参考文献 15 独立光伏系统设计4 第 1 章 序论1.1 独立光伏系统设计的必要性21 世纪人类的文明正面临环境污染，能源短缺等诸多问题。近年来，由于煤炭、石油等化石能源的使用，产生了大量的二氧化碳、二氧化硫，出现了温室效应、 酸雨等问题， 是地球环境收到严重破坏， 直接威胁到人类自身的生存与安全。随着经济的发展、 人口的增加， 对能源的需求不断增加， 对化石能源的开采与使用也就越来越多，导致化石能源短缺、环境遭受污染和破坏。因此，解决经济发展、 能源需求与环境污染是摆在人类面前的迫切问题， 独立光伏系统的设计就成为了解决问题的办法之一。独立光伏系统不需要外界供给电力，只需要每天的日光照射就可以提供一般家庭一天的基本用电。其好处有一下几点：⑴阴天、雨天可利用散乱光发电；⑵结构简单。无可动部分、无噪音、无机械磨损、管理和维护简便。可实现系统自动化、无人化；⑶可以阵列为单位选择容量；⑷重量轻、可作为屋顶使用；⑸制造所需能源少、建设周期短；⑹适应发电场所的负载需求、不许输电线等设备；⑺电源多样化、提供稳定电源。1.2 太阳能光伏发电应用现状太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称 PV技术） 。太阳能光伏发电不仅可以部分替代化石燃料发电， 而且可以减少 2CO 和有害气体的排放， 防止地球环境恶化， 因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展。环境保护之间矛盾的最佳途径之一。目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、 国防、 工业转向了民用。 德国的 “百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家 供电，而且这些家庭还办成了一所私人的“小型电站” ，能够源源不断地向公用电网输送电能。近几年， 我国光伏行业发展也非常迅速。 政府对光伏发电较为重视， 国家发改委实施“送电到乡” 、 “光明工程”等项目，地方政府陆续启动光伏照明项目工程。 与此同时。 偏远地区消费者逐渐认可光伏产品， 越来越多的居民开始使用家用太阳能电源等产品。 光伏应用市场发展较为迅速。 但目前我国的太阳能光伏发电技术与国外相比还有很大的差距， 主要表现为生产规模小、 技术水平较低、 电池效率低、成本高。因此我国还必须不断改进技术，扩大生产规模，使我国的太阳能光伏发电产业更上新的台阶。独立光伏系统设计5 1.3 太阳能独立光伏系统的发电原理⑴太阳能电池方阵洗手太阳光并将其转化成电能后， 在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。⑵直流或交流负载通过开关与控制器连接。⑶控制器负责保护蓄电池， 防止出现过充或过放电状态， 即在蓄电池达到一定的放电深度时， 控制器将自动切断负载； 当蓄电池达到过充电状态时， 控制器将自动切断充电电路。⑷有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态， 并能储存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。⑸在交流光伏发电系统中， DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。⑹防反充二极管也称为“阻塞二极管”或“隔离二极管” 。其功能是利用二极管的单向导电性，防止无日照时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。⑺防反充二极管的最大输出电流必须大于太阳能电池方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的最高电压。⑻在太阳能电池方阵工作时， 防反充二极管两端的电压降要尽量低 （硅二极管一般为 0.6V 锗二极管为 0.3V ， 大功率肖特基二极管可以在 0.3V 以下） ， 以便降低系统的功耗。独立光伏系统设计6 第 2 章 太阳能独立光伏系统的结构2.1 独立光伏系统的构成独立光伏发电系统由太阳能电池方阵、防反充二极管、控制器、逆变器、蓄电池组以及支架和输配电设施等部分构成。其中，太阳能电池方阵在国外文献中常被称为太阳能发电机（ Solar Generator ） , 而其余部分则被统称为太阳能发电机的“平衡系统” （ Balance of System）或“配套系统”简称“ BOS” 。有时 BOS还包括太阳能电池方阵所占用的土地和防雷安全系统。当太阳能电池十分昂贵时， BOS在整个独立光伏发电系统中所占的费用比例较小，但随着太阳能电池的不断降价， BOS所占费用比例在逐渐增加。各种独立光伏发电系统的总体设计视其用途不同、 功率大小不同。 使用环境和条件不同而异。显然，每一种独立光伏发电系统都要有针对性的独立设计。独立光伏发电系统的总体设计包括容量设计、 电气设计、 机械结构设计、 建筑设计、热力设计、防火防雷等安全设计、可靠性设计、包装运输设计、安装调试运行设计以及维修检测设计等等。其中最具特色的是光伏发电系统的容量设计， 它根据当地的太阳能辐照资源和使用要求，确定必要的太阳能电池方阵和蓄电池的规模容量。一般家用独立光伏系统如下图 1 图 1 2.2 独立光伏系统设计时的调查一般来说，太阳能独立光伏系统设计时应调查如下项目：⑴太阳能独立光伏系统设计时，首先需要与用户商量，如发电出力、设置场所、经费预算、实施周期以及其他特殊条件；⑵进行建筑物的调查，如建筑物的形状、结构。屋顶的构造。当地的条件（日照条件等）以及方位等；⑶电气设备的调查，如电气方式、负载容量，分电盘、用电合同的状独立光伏系统设计7 况、设备的安装场所（逆变器、连接箱以及配线走向等） ；⑷施工条件的调查， 如搬运设备的道路、 施工场所、 材料安放场所以及周围的障碍物等。2.3 独立光伏系统安装注意事项太阳能独立光伏系统组成：太阳能光伏发电系统是由太阳能电池（组） 、太阳能控制器、蓄电池（组） 、负载组成，如输出带交流 220V或 110V负载，还需要配置逆变器。系统工程具体安装时，应考虑如下因素：1、电池板阵列需要考虑安装方位角、倾斜角。2、电池板之间需避免遮挡。包括周边建筑物（电线杆，房屋檐角等） 。3、支架放置稳定性和牢固性（考虑当地的气象资料，如日照时间，灾害天气、风暴等情况） 。4、走线距离及汇流箱位置。尽量走线距离短且平均。5、相关辅件要符合系统要求（比如接线柱、用线线径等） 。6、接线端子要牢固，防止虚接或断路。7、蓄电池极端子要牢固（千万不可短路）安装时注意极性，避免引起爆炸和火灾。8、控制器一般都有相应的配电保护措施。不过接线过程中也要注意防止极性接反、短路等现象。避免不必要的麻烦。注意放置的角度、避免雨水浸入（防水控制器或机箱除外） 。9、带有逆变器的系统，逆变器连接时需连接到蓄电池正负极上。不要接到控制器输出端。 一般离网控制器输出端默认是直流输出， 所自带的保护也是针对直流负载的。 由于逆变器带交流负载会不稳定， 所以建议连接在蓄电池上， 另外需加载必要的配电保护，以保障系统安全性。10、建造系统地点必须开阔，在安装太阳能电池方阵处不得有高大建筑物或其它东西挡住阳光。11、控制器需要选择损耗低、工作稳定性好、寿命长的控制器。安装时弄清楚控制器是属于共负极设计还是共正极设计， 这样对整个系统连接、 安装有帮助。12、安装过程中，要注意电气开关保护等，杜绝带电操作，以引起不必要的损失和麻烦。13、控制器调试需注意细节，以免影响整个系统工程的周期。在安装过程中，可能还会碰到其他的一些临时情况。只要注意细节，认真对待，一般都会很顺利的。独立光伏系统设计8 第 3章 独立光伏系统的设计3.1 使用地区的气象、地理信息3.1.1 苏南地区的地理信息苏南通常是指江苏长江以南的几个地区。该地区地理位置为：北纬 30°47′ -32 ° 2′、东经 118° 47′ -121° 2′，气候特点属于中亚热带季风气候。苏南地区基本处于相同的纬度， 经度跨度也不大， 气候条件基本相同， 所以可以引用相同的光伏系统设计数据和方法。3.1.2 苏南地区的气象信息苏南地区水平面月度日平均直射／漫射、月总辐射参考数据如下图独立光伏系统设计9 2图 2 3.2 客户用电需求常见的家用电器典型负载分析见表 1. 系统设计时采用耗电量的最大值计算。独立光伏系统设计10 3.3 蓄电池组的容积计算蓄电池的主要作用是在太阳辐射量低于负载平均耗电量的天气给负载供电；在太阳辐射量高于平均值得情况下， 光伏组件给蓄电池充电， 同时保证系统供电一点的自给天数， 即系统在没有任何外来能源的情况下 （连续的阴雨天气） 负载仍能正常工作的天数。设失负荷概率 LOLP=0.001，结合苏南地区的气候条件，确定蓄电池按最大电量使用 5.8d 的储能容量计算。蓄电池容量的计算公式为：式中， CAP为蓄电池容量， kwh； S 为存电可用天数； L 为最大平均每日用电量，kwh； DOD为蓄电池发电深度； out 为从储能系统负载间的总效率。计算中， 逆变器日均效率取 0.92 ， 蓄电池充电控制器效率取 0.98. 所以 out逆 变 器 日 均 效 率 × 蓄 电 池 充 电 控 制 器 效 率 =0.92 × 0.98=0.9 ， 将 S=5.8 ，L=12.1kwh,DOD=0.6, 9.0out 代入公式⑴，计算得出蓄电池容量约为 130kwh。3.4 光伏阵列面太阳辐射量计算光伏阵列面太阳辐照量的计算需要用到水平面月度日平均辐射量。 月总辐射量数据，本文采用气象部门的历史数据，如图 2 所示。当太阳高度角为 α ， 太阳光线落在与水平面成 β 角的阵列面上时， 水平面上光线的直射辐射量（ S）需要换算到阵列垂直面上的设计辐射量（ S ） ，如图 3 所示图 3 太阳光线落在与水平面成 β 角的阵列面上辐射量最低的月份（ 12 月）阵列平面设计直射辐射量 S 可用公式 （ 2）计算：独立光伏系统设计11 式中： S 为阵列平面设计直射辐射量， Wh／㎡ ;S 为水平面辐射量， Wh／㎡ ;α 为正午时太阳的高度角； β 为光伏组件板的最佳倾角。α 用公式⑶计算式中， θ 为北半球的纬度； δ 为日偏角， 即地球和太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。 δ 采用公式⑷计算：式中： ε 为黄赤交角，即地球公转轨道面（黄道面）与赤道面（天赤道面）的交角， ε =23.45°； d 是从 1 月 1 号开始的日期编号， 1 月 1 号取 d=1。将 d=347、 ε =23.45°代入公式⑷中，得 δ =﹣ 23.2 °；将 δ =﹣ 23.2 °、θ =32°代入公式⑶，得出 α =34.8°；将 α =34.8°、 β =52°、 12 月份 S=942Wh／㎡代入公式⑵，得出阵列平面直射 S 为 1650Wh／㎡。光伏阵列平面设计辐射量 R 可用公式⑸计算：式中： R 为光伏阵列平面设计辐射量， Wh／㎡； D为月度日平均漫射辐射量，Wh／㎡。代入 S 及 12 月份 D 值（ 464Wh／㎡） ，得出 R （ 52°）光伏阵列平面设计辐射量为 2114Wh／㎡。根据各月份特征日期编号， 分别计算出各个月份的高度角 α 、 日偏角 δ 、 S及 R ，计算结果见表 2表 2 β =52°时各个月份 α 、 δ 、 S 、 R 计算结果独立光伏系统设计12 3.5 光伏组件阵列面积的确定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辐射量最少的月份负载需要，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充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长使用寿命，减少维护费用。光伏组件阵列面积用公式⑹计算：式中： A 为光伏组件阵列面积， ㎡； L 为最大日平均负载用电量， kWh／ d; R为阵列面每日设计辐射量， kWh／㎡； in 为从日照输入到储能系统间的总效率。in 可用公式⑺计算：式中： bat 为组件额定效率， 取 0.16 ； rC 为最大功率温度系数， 一般为 -0.5 ％／℃； cT 为组件工作温度， 可用环境温度 +20℃计算， 设 12 月份环境温度为 6℃；rT 为 NOCT标准温度，取 25℃。将 r =0.16、 rC =-0.5 ％、 cT =26℃、 rT =25℃代入公式⑻， 得出： mp =0.159；将 mp =0.159 、 bat =0.9 、 mppt =0.98 、 D=0.95、 SD=0.98 代入公式⑺，得出：in =0.13；将 in =0.13， out =0.9 、 L=12.1kWh、R =2114kWh· 2m 代入公式⑹，得出：光伏组件阵列面积 A=48.9 ㎡。独立光伏系统设计13 第 4 章 系统各部件型号技术要求及连接方式4.1 蓄电池型号及连接方式蓄电池型号： 200Ah/12V。蓄电池连接方式：逆变器输入电压为 110V，串联蓄电池数量 =110V/12V=9.2≈ 6个。4.2 组件型号及性能参数组件型号： 260W、电池片排列方式（ 6× 10） 、单品、 156× 156. 组件性能参数： 最大功率点的工作电压 maxV 为 32V， 最大功率点的工作电流 MPPI 为8.12A，组件效率 η 为 16％；尺寸（长宽高） 1640mm× 992mm× 46mm，单块组件面积为 1.627 ㎡。组件数量： 48.9 ㎡ /1.627 ㎡≈ 30 件。组件连接方式：每 5 个组件串联，共 6 组，为 9 个串联蓄电池（共 6 组）充电。组件标准条件下工作电压为 160V，但由于组件实际工作温度的升高将导致实际最大功率点工作电压的下降，下降系数通常为 -0.4 ％ / ℃。同时，福照度在较低情况下（ 200W/㎡以下） ，工作电压也随之下降，通常降为 92％左右。所以，实际工作电压会较接近蓄电池所需的充电电压（ 110V） ，约为 130-140V，充电电流工作范围 1-8A 充电（小于恒压充电方式限流值： 2.5 10I ） 。为蓄电池较理想的恒压充电方式。4.3 逆变控制器技术参数直流输入 ：输入额定电压 DC 110V ，允许输入电压范围 99-150V，最大输入电流 202A。交流输出：额定容量 20kVA;输出额定功率 16kW；输出额定电压及频率 AC 220V 3％， 50Hz;输出额定电流 91A；逆变效率 92％。独立光伏系统设计14 致 谢回顾整个设计过程，由于时间较为紧张，又是初次尝试独立完成整个独立光伏系统的设计， 由于考虑不周而造成的误算， 错算时有发生。 尽管现在设计已基本完成， 但仍然存在很多不完善， 不详尽甚至不当之处， 希望各位老师能够谅解。我在做独立光伏系统设计期间做到了系统所学知识， 中间我温习了以前所学的应用光伏学、 硅结构设计原理、 基础设计等书； 学习了从图书馆和资料室借到的书， 学到了好多东西， 再就是除了掌握自己所学的课本外， 要更多的了解规范，它是我们工作的准绳。通过本次设计， 我真正体会到了一名设计工程人员所肩负的责任， 作为一名即将毕业的大学生， 只有认认真真的， 踏踏实实地从最基本的小事做起， 才可能真正的做好大事。这也是几个月来最大的收获和感触。特别的， 我要对在几个月中辛勤指导的×××老师以及系里的其他老师表达最衷心的谢意。 老师们孜孜不倦， 不厌其烦的讲解使我受益非浅， 老师严格的要求也在整个过程中不断督促我按计划进度完成任务。 在老师们的认真知道下， 我不但进一步巩固了以前所学的知识， 还学到了不少新的知识， 也从老师身上学到了许多做人做事的道理。 同时， 我还要对同组所有同学表示最大的谢意， 在整个设计过程中， 他们也给了我很多耐心的指导和帮助， 特别是自己在电脑方面得到的帮助， 让我感触很深， 同时让我充分体会到了集体合作的重要性， 从而使我能够顺利的完成设计任务。最后， 让我再次对给予我帮助的各位领导、 老师和同学表示的最真挚的感谢。此致敬礼！独立光伏系统设计15 参考文献此论文在编写过程中参考、 引用了下列书籍、 文献， 在此向作者表示衷心地感谢。[1] 吴春华 , 肖鹏 , 崔开涌 , 陈国呈 . 一种新型光伏发电逆变系统的研究与设计 [J]. 电力电子技术 . 2007(11) [2] 劳力 , 裴晓泽 , 姜久春 . 150W 独立式光伏逆变器的设计 [J]. 电工技术 . 2007(11) [3] 赵俊宝 , 贲洪奇 , 周庆忠 . 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