某地东南山口50Mwp光伏电站设计毕业设计论文.docx
《某地东南山口50Mwp光伏电站设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《某地东南山口50Mwp光伏电站设计毕业设计论文.docx（60页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
某地东南山口50Mwp光伏电站设计毕业设计论文
某地东南山口50Mwp光伏电站设计毕业设计论文
1.1太阳能光伏系统的简介-1-
1.2太阳能光伏发电系统的类型-1-
1、太阳能光伏发电系统的介绍
1.1太阳能光伏系统简介
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。
我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。
太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。
在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。
光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。
光伏发电系统可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，典型特征为需要蓄电池来存储能量，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等。
并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。
1.2太阳能光伏发电系统类型
光伏发电系统按照应用的基本形式可分为三大类：
独立发电系统、微网发电系统和并网发电系统。
未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统称为独立发电系统；与偏远地区独立运行的电网相连接的太阳能光伏发电系统称为微网发电系统；与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网发电系统。
并网光伏发电系统按照系统功能又可以分为两类：
不含蓄电池环节的“不可调度式并网光伏发电系统”和含有蓄电池组的“可调度式并网光伏发电系统”。
（1）离网光伏蓄电系统这是一种常见的太阳能应用方式。
在国内外应用已有若干年。
系统比较简单，而且适应性广。
只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。
（2）光伏并网发电系统当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。
而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。
在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。
图1.1光伏并网发电系统图
（3）A,B两者混合系统这是介于上述两个方之间的系统。
该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。
但是其造价和运行成本较上述两种方案高。
1.3太阳能光伏发电系统
1.3.1太阳能光伏发电系统工作原理
光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。
光伏发电系统的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。
光伏发电系统的模拟原理电路图2.3.1：
图1.3.1光伏发电系统的模拟原理电路图
1.3.2太阳能光伏发电系统的组成
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）组成。
如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。
各部分的作用为：
（1）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。
其作用是将太阳能转化为电能，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。
图1.3.2.1太阳能电池板
（2）太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
（3）蓄电池一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
（4）逆变器在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。
由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。
为能向AC220V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，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。
图1.3.2.2
2.我国以及哈密地区光能资源分布状况
2.1、我国太阳能资源分布
我国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有比较丰富的太阳能资源。
根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐射年总量大致在3.35×103～8.40×103MJ/m2之间，其平均值约为5.86×103MJ/m2。
图2.1我国太阳能资源分布图
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：
一类地区：
全年日照时数为3200～3300h，年辐射量在6700～8370MJ/m2。
相当于228～285kgce（标准煤）燃烧所发出的热量。
主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
这是我国太阳能资源最丰富的地区。
二类地区：
全年日照时数为3000～3200h，年辐射量在5860～6700MJ/m2，相当于200～228kgce燃烧所发出的热量。
主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
此区为我国太阳能资源较丰富区。
三类地区：
全年日照时数为2200～3000h，年辐射量在5020～5860MJ/m2，相当于171～200kgce燃烧所发出的热量。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。
四类地区：
全年日照时数为1400～2200h，年辐射量在4190～5020MJ/m2。
相当于142～171kgce燃烧所发出的热量。
主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以，属于太阳能资源可利用地区。
五类地区：
全年日照时数约1000～1400h，年辐射量在3350～4190MJ/m2。
相当于114～142kgce燃烧所发出的热量。
主要包括四川、贵州两省。
此区是我国太阳能资源最少的地区。
1、二、三类地区，年日照时数大于2000h，年辐射总量高于5860MJ/m2，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。
四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。
2.2新疆地区太阳能资源
新疆太阳能资源主要分布在天山南麓、天山北麓、东疆东部、北疆中部、北疆北部五大区域。
由于新疆具有西高东低、南高北低的地理特性，水平表面年总辐照度的区域分布大致是由东南向西北不均匀递减。
新疆水平表面太阳辐射总量为5000～6500MJ/
，年总辐射量比同纬度地区高10%～15%，比长江中下游高15%～25%.
新疆的直射辐射年总量变化规律为北疆、东疆地区高于南疆，这是由于南疆尘暴较多，大气透明度低的缘故。
直射辐射峰值点一般分布在哈密一带。
新疆的直射辐射年总量在2400～4400
。
2.3、哈密地区太阳能资源
哈密地处亚欧大陆腹地，属典型的温带大陆性气候，干燥少雨，晴天多，年平均降水量不足40毫米，光照丰富，年、日温差大。
春季多风、冷暖多变，夏季酷热、蒸发强，秋季晴朗、降温迅速，冬季寒冷、低空气层稳定。
极端最高气温43℃，极端最低气温-32℃，无霜期平均182天。
这里空气干燥，大气透明度好，云量遮蔽少，光能资源丰富，为全国光能资源优越地区之一，日照充足，年平均太阳总辐射量为6273.71兆焦/平方米,全年日照时数为3300至3500小时，为全国日照时数最多的地区之一。
哈密市东南部、星星峡等区域全年日照时数达3500小时，比俗称“日光城”的拉萨还多350小时。
根据我国太阳能资源区划标准，该区属“较丰富带”，比较适合建设大型光伏电站。
哈密基本气候情况（据1971-2011年资料统计）
哈密地区
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
平均温度（℃）
-10.4
-4.1
4.6
13.5
20.2
24.6
26.5
24.7
18.2
9.4
0.0
-8.0
平均最高温度（℃）
-3.1
3.7
12.3
21.5
28.0
32.2
34.2
33.2
27.6
18.7
7.5
-1.5
极端最高温度（℃）
7.8
14.2
25.9
34.0
38.8
39.6
43.2
42.6
37.5
31.7
20.2
10.0
平均最低温度（℃）
-15.9
-10.6
-2.7
5.5
11.9
16.5
18.6
16.8
10.5
2.6
-5.3
-12.7
极端最低温度（℃）
-27.7
-25.8
-15.2
-11.7
-1.5
7.0
9.4
5.4
0.8
-9.4
-21.6
-28.6
平均降水量（毫米）
1.3
1.5
1.2
2.0
3.9
6.6
7.3
5.3
3.3
3.3
2.0
1.3
降水天数（日）
1.7
1.1
1.0
1.5
2.0
3.6
4.4
3.4
2.0
1.4
1.0
1.8
平均风速（米/秒）
1.4
1.6
2.2
2.5
2.2
1.9
1.7
1.6
1.4
1.4
1.4
1.3
表2.3.1
本光伏电站代表年各标准月太阳辐射数据统计表
月份
标准月辐射量/（
）
标准月日照时数/h
1
262.12
210.4
2
344.79
219.9
3
523.23
267.9
4
646.22
288.3
5
777.28
338.8
6
765.18
329.6
7
760.14
333.4
8
692.60
323.3
9
571.62
296.9
10
431.49
270.6
11
280.27
216.5
12
218.77
189.5
表2.3.2
从气象部门获得的太阳能总辐射量是水平面上的，实际光伏电池组件在安装时通常会有一定的倾角以尽可能多的捕捉太阳能。
通过以上数据分析，水平面平均年辐照量为1742.70
（6273.71
），属于太阳能资源比较丰富地区，比较适合建设大型光伏电站。
2.4、项目任务及规模
太阳能光伏发电站的建设有利于促进当地电网的电源结构调整，优化资源的合理配置，可以对地区局部气候环境的改善起到一定的促进作用，同时还可以与周边旅游景点结合起来，成为新的旅游景点。
开发利用可再生能源是国家能源发展战略的重要组成部分。
哈密市年平均日照时间在3285.1小时左右，开发利用太阳能资源具有较好的条件和前景，符合国家产业政策。
根据当地的光能资源以及初步开发规划，本项目建设规模为50MW，初步推荐安装50套单机容量为1MW太阳能光伏方阵（电池组件及并网逆变器）。
总投资约为5.675亿元，占地面积1800亩，年发电量7300万千瓦时。
3、光伏发电系统总体方案设计及发电量计算
3.1、光伏发电系统构成
根据当地电力分布的情况，本工程选择为不可调度式并网光伏发电系统。
太阳光通过太阳能电池组件转换成直流电，经过三相逆变器（DC-AC）转换成三相交流电，再通过升压变压器转换成符合公共电网要求的交流电，直接接入公共电网。
本工程光伏发电系统主要由太阳能电池（光伏组件）、逆变器及升压系统三大部分组成。
本项目50MWp光伏并网发电系统根据分成若干个1MWp光伏并网发电单元。
每个1MWp发电单元由1MWp光伏方阵、2台500kW光伏并网逆变器、1台1000kVA升压变压器以及相应的配电监控单元等相关设备组成，除光伏方阵外，其他设备均安装在一个就地配电室内。
每个就地配电室1MWp太阳能产生的直流电经光伏并网逆变器逆变成交流电后就地升压成35kV，通过高压电缆送到主控室35kV母线，经升压站主变压器升压后接入并网点。
3.2、光伏组件选型
3.2.1光伏组件种类的确定
商用的太阳能电池主要有以下几种类型：
单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟镓硒电池等。
上述各类型电池主要性能参数。
具体参数如下表:
电池
原料
转换
效率
制造
能耗
成本
资源
可靠性
公害
技术
壁垒
单晶硅
13-20%
高
高
中
高
小
中
多晶硅
10-18%
中
中
中
中
小
高
非晶硅
8-12%
低
低
丰富
中低
小
高
表3.2.1
而目前国内已经实现工业化生产的且工艺比较成熟的太阳能电池有：
单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。
（1）单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，技术也最为成熟，主要用单晶硅片来制造。
单晶硅材料的晶体完整，光学、电学和力学性能均匀一致，纯度较高，载流子迁移率高，串联电阻小，与其它太阳能电池相比，性能稳定，光电转换效率高，其商业化的电池效率为16%～18%。
单晶硅太阳能电池曾长期占领最大的市场份额，只是在1998年后才退居多晶硅电池之后，位于第二位，但其现在仍在大规模应用和工业生产中占据主导地位。
今后，单晶太阳能电池将继续向超薄、高效发展。
受到材料价格及相应复杂的电池工艺影响，单晶硅成本居高不下，与此同时在加工过程中还伴随着高耗能、高污染的不利影响。
（2）多晶硅太阳能电池
随着铸造多晶硅技术的发展和成本优势，多晶硅太阳能电池逐渐抢占了市场份额。
从多晶硅电池表面很容易辨认，多晶硅片是由大量不同大小、不同取向的晶粒构成，在这些结晶区域（晶粒）里的光电转换机制完全等同于单晶硅电池。
由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组成，而在晶粒界面（晶界）光电转换容易受到干扰，因而多晶硅电池的转换效率相对单晶硅略低，其商业化的电池效率为14%～17%。
同时多晶硅的光学、电学和力学性能的一致性也不如单晶硅。
随着技术的发展，多晶硅电池的转换效率也逐渐提高，尤其做成组件后，和单晶硅组件的效率已相差无几。
（3）非晶硅薄膜太阳能电池
自1976年第一个非晶硅薄膜太阳能电池被研制出，1980年非晶硅太阳能电池实现商品化，直到今天，非晶硅太阳能电池以其工艺简单，成本低廉，便于大规模生产的优势，取得了长足的进展，被称为第二代太阳能电池。
非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光性好，受温度影响小等优点，但非晶硅太阳能电池转换效率相对较低，商业化的电池效率也只有6%左右，而且非晶硅薄膜太阳能电池在长时间的光照下会出现衰减现象（S-W效应），组件的稳定性和可靠性相对晶体硅组件较差。
图3.2.1各种太阳能电池市场份额
（资料来源《2007年中国光伏发展报告》）年中国光伏发展报告》
图中显示了各类光伏组件的市场占有份额，市场占有率情况反映了产品的成熟度和其性能的稳定性，可见单晶硅和多晶硅太阳能电池仍占据光伏发电市场的主流，而同等的稳定性和发电量情况下，多晶硅组件价格更有优势。
综上所述，各种太阳能组件都有其优势和弊端，但随着技术的发展及同类产品的竞争，单晶硅、多晶硅组件的价格也在逐渐降低，目前光伏发电还是晶体硅组件占主导地位，所以本项目采用CSI阿特斯生产多晶硅电池组件CS6P-245P。
该组件系列产品既经济又可靠，保质期可达20-25年。
可以被广泛应用于各种环保工程领域，从大型长期太阳能项目到中小型独立及并网系统太阳能电站。
它已经获得IEC61215第二版的证书，TUV二级安全认证和北美UL1703安全认证，同时也是严格按照CE，ISO9001及ISO16949等质量认证体系加工生产。
太阳能光伏组件
CS6P-245P光伏电池组件的特点如下：
（1）60片高效的多晶电池片组成。
（2）优质牢固的铝合金边框可以抵御强风、冰冻及变形。
（3）新颖特殊的边框设计进一步加强了玻璃与边框的密封。
（4）铝合金边框的长短边都备有安装孔，满足各种安装方式的要求。
（5）高透光率的低铁玻璃增强了抗冲击力
（6）优质的EVA材料和背板材料
通过综合比较，光伏电站中拟选用多晶硅光伏组件。
3.2.2电池组件型号的确定
目前国内生产的各种太阳能电池组件的种类、参数十分齐全，对GW级的光伏电站，组件用量大、占地面积广，所以应优先选用单位面积容量比较大的电池组件。
经调查，目前技术较成熟的大容量电池组件规格中，初选的电池组容量在180Wp,210Wp,245Wp之间选择，其技术参数见下表。
电池组件型号规格
CSP6P-180p
CSP6P-210p
CSP6P-245p
标准测试条件下峰值功率（Wp）
180
210
245
最佳工作电流（A）
7.6
7.55
8.17
最佳工作电压（V）
25
28.2
30.0
短路电流（A）
8.4
8.07
8.74
开路电压（V）
35.76
34.74
37.1
最大系统电压（V）
1000
1000
1000
组件效率
14.12%
14.83%
14.9%
填充因子
0.74
0.74
0.75
短路电流温度系数
0.045%/K
0.06%/K
0.065%/K
开路电压温度系数
-0.34%%/K
-0.37%/K
-0.34%/K
峰值功率温度系数
-0.47%/K
-0.45%/K
-0.43%/K
输出功率公差
组件尺寸（mm）
1482
992
35
1650
990
50
1938
982
40
重量（kg）
16.8
19.8
20
表3.2.2.1
初选电池组件组成的50MWp光伏电站组件数量比较
参数
方案一
方案二
方案三
组件型号
CSP6P-180P
CSP6P-210P
CSP6P-245P
串联数量（块）
22
21
20
1MWp子方针并联数量（路）
254
228
206
1MWp子方针组件数量（块）
5588
4788
4120
50MWp方针组件数量（块）
279400
239400
206000
电站实际安装容量（MWp）
50.292
50.274
50.47
表3.2.2.2
通过表表3.2.2.1和表表3.2.2.2具体参数的对比分析，可知：
（1）245Wp组件的最佳工作电流、最佳工作电压、短路电流、开路电压的综合指标较高。
（2）采用245Wp组件组成1MWp光伏电站所使用的组件数量最少，组件数量少意味着组件间连接点少，故障几率减少，接触电阻小，线缆用量少，系统整体损耗也会降低。
（3）拟选用GSP60-P-245多晶硅电池组件，在工程实施时，应就电池板的抗风沙能力对供货厂商提出具体要求。
CSP6P-245P电池组件各项性能指标如下:
太阳电池组件技术参数
组件测试条件：
辐射度1000
，组件温度25℃，AM=1.5
太阳电池组件型号
CSP6P-245P
组件效率
14.9%
指标
单位
峰值功率
245Wp
开路电压（Voc）
37.1V
短路电流（Isc）
8.74A
工作电压（Vmppt）
30.0V
工作电流（Imppt）
8.17A
尺寸
1638x982x40mm
重量
20kg
峰值功率温度系数
-0.43%/℃
开路电压温度系数
-0.34%/℃
短路电流温度系数
+0.065%/℃
表3.2.2.3电池组件具体参数
3.3、光伏阵列运行方式的设计
3.3.1、阵列安装方式选择
对于光伏组件，不同的安装角度接受的太阳光辐射量是不同的，发出的电量也就不同。
安装支架不但要起到支撑和固定光伏组件的作用，还要使光伏组件最大限度的利用太阳光发电。
安装方式主要有：
固定式、单轴跟踪和双轴跟踪等。
（1）固定式
光伏组件的安装，考虑其经济性和安全性，目前技术最为成熟、成本相对最低、应用最广泛的方式为固定式安装。
由于太阳在北半球正午时分相对于地面的倾角在春分和秋分时等于当地的纬度，在冬至等于当地纬度减去太阳赤纬角，夏至时等于当地纬度加上太阳赤纬角。
如果条件允许，可以采取全年两次调节倾角的方式，也就是说在春分-夏至-秋分采用较小的倾角，在秋分—冬至—春分采用较大的倾角。
图3.3.1.1固定式安装
（2）单轴跟踪
单轴自动跟踪器用于承载传统平板光伏组件，可将日均发电量提高20～35%。
如果单轴的转轴与地面所成角度为0度，则为水平单轴跟踪；如果单轴的转轴与地面成一定倾角，光伏组件的方位角不为0，则称为极轴单轴跟踪。
对于北纬30～40度的地区，采用水平单轴跟踪可提高发电量约20%，采用极轴单轴跟踪可提高发电量约35%。
但与水平单轴跟踪相比，极轴单轴跟踪的支架成本较高，抗风性相对较差，一般单轴跟踪系统多采用水平单轴跟踪的方式。
图3.3.1.2水平单轴跟踪
图3.3.1.3极轴单轴跟踪
（3）双轴跟踪
双轴跟踪是方位角和倾角两个方向都可以运动的跟踪方式，双轴跟踪系统可以最大限度的提高太阳能电池对太阳光的利用率。
双轴跟踪系统在不同的地方、不同的天气条件下，提高太阳能电池发电量的程度也是不同的：
在非常多云而且很多雾气的地方，采用双轴跟踪可提高发电量20～25%；在比较晴朗的地方，采用双轴跟踪系统，可提高发电量35%～45%。
图3.3.1.4双轴跟踪
对于跟踪式系统，其倾斜面上能最大程度的接收的太阳总辐射量，从而增加了发电量，但考虑：
（1）跟踪系统自动化程度高，但目前技术尚不成熟，尤其是在沙尘天气时，其传动部件会发生沙尘颗粒侵入，增加了故障率，加大运营维护成本，使用寿命非常短，不及固定支架寿命的1/4；
（2）跟踪系统装置复杂，国内成熟的且有应用验证的产品很少，并且其初始成本较固定式安装高很多，发电量的提高比例低于成本的增加比例，性价比较差。
（3）不同安装方式的经济比较如下：
项目
固定式
斜单轴跟踪方式
双轴跟踪方式
发电量（%）
100
127.25
131
占地面积（万
）
2.2
4.6
4.9
支架造价
0.7元/Wp
3.1元/Wp
4.4元/Wp
支架费用（万元）
70
310
440
估算电缆费用（万元）
65
135
145
直接投资增加的百分比（%）
0
28.2
41
运行维护
工作量小
有旋转机构，工作量较大
有旋转机构，工作量更大
板面清洗
布置集中，清洗方便
布置分散，需逐个清洗，清洗量较大
布置分散，需逐个清洗，清洗量较大
表
升级会员 