家用独立型光伏发电系统的优化设计

I 《太阳能光伏发电系统》课程设计课题名称 50W 太阳能 LED 路灯系统设计专业班级： 新能本 121 学生学号： 2012213117 学生姓名： 马宇驰学生成绩：指导教师： 郭瑞、高微课题工作时间： 2014.12.29 至 2015.1.5 沈阳工程学院II 《太阳能光伏发电系统》课程设计课题名称： 家用独立型光伏发电系统的优化设计一、课程设计的任务和要求要求： 1、具备独立查阅光伏发电系统设计的相关文献和资料的能力；具有查阅光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器等光伏器件参数和型号的能力；具有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能提出并较好地实施方案，能对光伏发电系统的结构和配置进行分析研究和优化设计。3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。5、报告内容简练完整、立论正确、讨论充分、论述流畅、结构严谨、结论合理；技术用语准确、符号规范统一、编号齐全、书写工整、图表完备。6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。7、内容不少于 3000 字。技术参数： 1、光伏发电系统安装地点：沈阳；2、使用单晶硅光伏电池；3、负载表数量 功率 使用时间荧光灯 8 18w/盏 5h/天电视机，电脑 2 120w/个 3h/天洗衣机 1 600wh/天电冰箱 1 1000wh/天任务： 1、选择适当的光伏电池、蓄电池、逆变器和控制器；2、设计合理的光伏发电系统；3、利用 PVsyst 软件和有关理论模拟优化设计，并对结果进行分析和总结。二、进度安排1、 2013.12.16 选题、分析查找相关资料、熟悉 PVsyst 软件2、 2013.12.17 提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计3、 2013.12.18 讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型4、 2013.12.19 写出课程设计报告初稿5、 2013.12.20 整理课程设计报告、交稿三、参考资料或参考文献1、杨金焕、于化丛、葛亮著 . 太阳能光伏发电应用技术 . 第 1 版 . 电子工业出版社 . 2009 年。2、李钟实著 . 太阳能光伏发电系统设计施工与维护 . 第 1 版 . 人民邮电出版社 . 2010 年。3、 PVsyst 软件应用教程。报告正文目录第一章 绪论 1 1.1 设计背景 1 第 2 章 沈阳市气象资料及地理情况 2 第 3 章 家用独立型太阳能光伏发电系统的优化设计 3 3.1 设计方案 . 3 3.2 负载的计算 . 4 3.3 蓄电池容量及串并联的设计及选型 5 3.4 太阳能电池板的方位角与倾斜角的设计 . 6 3.5 太阳能电池板容量及串并联的设计及选型 . 7 3.6 控制器、逆变器的选型 . 8 3.7 系统配置清单 . 9 第 4 章 家用独立型太阳能光伏发电系统的优化结果与讨论 10 4.1 软件仿真结果分析 10 4.2 系统仿真结果分析 . 11 4.2.1 全年损耗分析 . 11 4.2.2 方阵日均输入 /输出能量 12 4.2.3 组件日输出量 . 13 4.2.4 标准化产能分析 . 14 第 5 章 心得体会 15 参考文献 15 第 1 页第一章 绪论1.1 设计背景随着世界性的能源短缺问题的日益严重，开发和利用新能源是一种必然的趋势，而太阳能就是其中最好的能源之一，其原因是太阳能资源丰富、分布广泛，是 21 世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、 安全、 便利、 高效等特点， 已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。近年来全球光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。我国光伏发电产业也得到迅速发展，使得家用独立光伏发电系统得以实现。目前太阳能利用技术主要有 :太阳能光伏发电， 太阳能热利用， 太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光 -光利用等。其中以太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界得到广泛的发展，被认为是当前最具有发展前景的新能源技术。太阳能光伏发电就是利用太阳能电池板，将太阳能转化为能提供人们生产生活的电能。1.2 设计意义本文通过对太阳能组件工作的原理的学习和认识，针对小型用户用电需求，根据沈阳的经度、纬度、气象、环境状况及用户负荷状况，运用太阳能光伏发电知识设计了一种家用独立光伏发电系统，运用 PVsyst 软件对系统的电池板倾角、光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器等组件进行了优化设计和选择。最后用 PVsyst 软件对设计的系统进行模拟仿真。第 2 页第 2 章 沈阳市气象资料及地理情况沈阳市所在地区纬度为北纬 41.46 °，经度为东经 123.25 °其它气象参数：3 第 3 章 家用独立型太阳能光伏发电系统的优化设计3.1 设计方案用电量需求的分析与 计算确 定光伏发电系统 的形式系统容量设计： 太阳能电池组件功率和方阵构成的设计与计算当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、 计算。 如当地经度、 纬度 ;年最高最低气温； 全年太阳能辐射量；平均峰值日照时数；年最长连续阴系统配置与设计； 1.控制器的选型与配置2.逆变器的选型与配置第 4 页3.2 负载的计算数量 功率 使用时间荧光灯 8 18w/盏 5h/天电视机，电脑 2 120w/个 3h/天洗衣机 1 600wh/天电冰箱 1 1000wh/天通过软件算出负载日耗电总量为 3040wh 根据表统计日负荷平均耗电量时，增加 5%的预期负荷留量，所以日均耗电总量为：3.04 1.05 =3.2kWh。第 5 页3.3 蓄电池容量及串并联的设计及选型由于所设计的家用独立光伏系统是小型的系统，所以选择的系统直流工作电压为 24V。为满足 5 个连续阴雨天能正常供电，所需的蓄电池容量 C 为：蓄电池容量 C=DODKAh最大放电深度安全系数连续阴雨天数）负载日平均用电量（其中安全系数取 1.2，最大放电深度为 60％，求得的蓄电池容量为 1333.3Ah 因此选择型号为 TXE 1300 / OPzS1200，额定容量为 1370Ah，额定电压 2V，电池库伦效率 97%，具体参数如下图所示：根据选用的蓄电池可以算出所需蓄电池的串联数和并联数 : 蓄电池串联数 = 系统工作电压蓄电池标称电压 =12蓄电池并联数 = 蓄电池总容量蓄电池标称容量 =1 所以选用 2V/1370Ah 的蓄电池共 12 个，其中每 12 个串联后， 1 个并联。第 6 页3.4 太阳能电池板的方位角与倾斜角的设计设计以全年均衡冬半年最大数据为依据， 在默认方位角为 0° 条件下， 通过软件模拟得到最佳光伏板倾角为 53° 。 倾斜面上平均日辐射量为 3.95kWh/m2,计算得到的峰值日照小时数为 3.95h。第 7 页3.5 太阳能电池板容量及串并联的设计及选型用户用电电流一般较大， 为了使负载能正常工作， 通常需要串并联若干太阳能电池组件。首先需要求出电池板的功率，方法如下：功率 P= KT mql峰值日照小时数负载平均日耗电量其中 K 取 1.2，得到功率 P=972.15W 根据电池板的功率来选定所需电池板的型号。 其中本次设计所选用的单晶硅电池板型号为 Si-mono ZT75S Zytech，开路电压 Voc=21.96v，最大工作电压 Vmm=17.46v，短路电流 Isc=4.74A，其具体参数如下图所示：根据所选用电池板型号可求得需要串并联电池板个数，公式如下：电池组件并联数 Np= ）组件日平均发电量（ ）负载日平均用电量（AhAh =8 块电池组件串联数 Ns= 组件峰值工作电压 系统工作电压 =2 块电 池 组 件 总 发 电 量 = 组 件 并 联 数 × 组 件 串 联 数 × 选 定 组 件 峰 值 功 率=8× 2× 75.1=1201.6w>972.15w，所以选用的串并联数能够满足用户需求。第 8 页3.6 控制器、逆变器的选型①控制器的确定方阵直流工作电压为 24V，输出最大电流为 4.74 8=37.92A。据此知控制器应满足要求如 下 ： 额 定 工 作 电 压 为 24V ； 额 定 工 作 电 流 应 大 于 37.92A 。 因 此 选 择 控 制 器Isofoton,Isoltel60，它的系统电压为 24V，最大充电及最大负载电流均为 60A。② 逆变器的确定用户总负载为 1074W， 由于负载总容量大于逆变器总功率的 80%时， 逆变器会发热过度从而减少使用寿命，故逆变器容量应大于 1074/0.8=1342.5W。由于 PVsyst 软件自带的逆变器有 1.5kW 和 3kW 两种，故前者刚好符合要求，型号为 Back-up generator,1.5kW 第 9 页3.7 系统配置清单序号 设备名称 规格型号 参数 数量1 太阳能电池板 Si-mono ZT75S Zytech 开 路 电 压Voc=21.96v， 最大工作 电 压Vmm=17.46v， 短路电流 Isc=4.74A 16 2 蓄电池 TXE 1300 / OPzS1200 额 定 容 量 为1370Ah，额定电压2V，电池库伦效率97% 12 3 控制器 Isofoton,Isoltel60 系统电压为 24V，最大充电及最大负载电流均为 60A 1 4 逆变器 Back-up generator,1.5kW 1.5KW 1 第 10 页第 4章 家用独立型太阳能光伏发电系统的优化结果与讨论4.1 软件仿真结果分析通过图可以看出本次设计所选用的电池尺寸及相关参数型号：电池自主放电天数 5 天，电池预留量 5%，额定电压 24V ，下面的条形图可以看出可以获得的太阳能量：3.7kwh/day，用户需要的能量为 3.3kwh/day，虽然 11 月， 12 月的太阳能不能满足用户的需求， 但是可以将其他月份剩余电流存储起来， 补偿这两个月的电量， 综合考虑得出，依靠本地太阳能发电量可以满足用户全年用电量的需求。第 11 页4.2 系统仿真结果分析4.2.1 全年损耗分析如图 所示，沈阳地区全年平均辐照量为 1292kWh/m2,方阵的转换效率为 11.5%，阵列的全年名义发电能量为 1659kWh，阵列损耗中反射损耗 15.3%，能量浪费 5.4%，阵列全年有效输出能量 1140kWh， 相当于负载全年功耗 1110kWh， 完全满足需要， 电池年损耗 6.6%。第 12 页4.2.2 方阵日均输入 /输出能量图为系统每日辐射能量与电能产出情况图，涵盖了一年中每一天的情况，每个点都为每天的平均输入产出情况。 从图中我们可以了解系统的能量效率。 斜率越高效率越高， 图中某些点辐射很大但产能很低，主要是辐射导致电池板温度升高发电效率降低第 13 页4.2.3 组件日输出量图所示为光伏组件在这一年中每天输出的有效能量，途中输出不规则可能是天气原因，连续阴雨天可能影响日发电量的输出，二是可能夏季气温过高造成光伏组件发电量较低，综合考虑，本次设计略微改进在实际应用中可以实施。第 14 页4.2.4 标准化产能分析如图 所示为系统全年标准化产能，电池组件每天损耗 0.2kwh，太阳能丢失 1.1kwh，系统和电池控制损失 -0.07kwh，供给用户 2.53kwh。同时由图可看出 2、 3、 4、 9、 10、月份发电量最充足，在满足负载用电情况下，不仅满足蓄电池充满电，还有盈余， 11、12 月份发电量有不足，不过影响不大。第 15 页第 5章 心得体会随着能源的日益短缺，太阳能的开发和利用在当今社会的低位将越来越重要，这样的小型光伏发电系统也将越来越多的出现在人们的生活当中。 本设计应用结合光伏建筑一体化基本知识，结合小型用户用电量需求，设计了一种满足小型用户使用的独立光伏发电系统。设计中，先通过简单计算确定太阳电池、蓄电池、控制器、逆变器等的设计参数及限制条件，然后利用 PVsyst 软件对系统进行模拟仿真，最后对输出结果进行分析讨论。通过这次课程设计我对独立光伏发电系统有了更多的理解， 自己掌握的知识得到充分的利用， 同时知道设计一个家用独立型光伏发电系统的基本步骤和对一些器件的选型要求，太阳能组件的串并联，蓄电池的个数及参数选型。最后通过我们小组的努力终于完成了本次课程设计，使我受益颇多。参考文献1、杨金焕、于化丛、葛亮著 . 太阳能光伏发电应用技术 . 第 1 版 . 电子工业出版社 . 2009 年。2、 李钟实著 . 太阳能光伏发电系统设计施工与维护 . 第 1 版 . 人民邮电出版社 . 2010年。3、 PVsyst 软件应用教程。