光伏发电系统与地理环境的技术探讨资料.docx

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光伏发电系统与地理环境的技术探讨资料

南京信息职业技术学院

毕业设计论文

作者沈通学号31141P34

系部中认新能源技术学院

专业光伏发电技术及应用

题目光伏发电系统与地理环境的技术探讨

指导教师许萌

评阅教师

完成时间：

2014年4月28日

毕业设计（论文）中文摘要

光伏发电系统与地理环境技术探讨

摘要：

随着化石能源的不断消耗，能源问题是人们最大的问题。

如何可持续的发展下去，在这种情况下，太阳能作为一种新能源跳入人们的视线中，太阳能首先是取之不尽的并且清洁的能源。

各种利用太阳能的技术也应蕴而生，其中光伏发电技术是比较完善且利用效率高的技术。

光伏发电系统则是能满足我们日常生活的一种供电系统，但这种发电系统受周边环境影响较大，因此根据不同环境来正确的选择光伏发电系统是必须的。

光伏发电系统的各部件的选择也要因地制宜，这与周边环境的考察密不可分。

光伏发电系统具有清洁无污染的特性，且供电稳定必是将来的主流供电系统。

关键词：

新能源光伏发电系统环境参数辐射量

毕业设计（论文）外文摘要

Photovoltaicsystemsandgeographicalenvironment

Abstract:

Withthecontinuousdepletionoffossilenergy,theenergyissueisthebiggestproblempeople.Howsustainabledevelopmentcontinues,inthiscase,solarenergyasanewenergytojumpintopeople'seyes,thefirstisinexhaustiblesolarenergyandclean.VarioussolartechnologiesshouldalsoYunwasborn,whichphotovoltaictechnologyismoresophisticatedandhigh-efficiencytechnologies.PVsystemsareabletomeetoneofourdailylifepowersupplysystem,butthissystemisthatalargepoweraffectthesurroundingenvironment,dependingontheenvironmentandthereforetoselectthecorrectphotovoltaicsystemisnecessary.Selectthevariouscomponentsofphotovoltaicsystemshaveadaptedtolocalconditions,whichareinseparableandstudythesurroundingenvironment.Photovoltaicpowergenerationsystemhascleanpollution-freecharacteristics,andstablepowersupplywillbethemainstreamoffuturepowersupplysystem.

Keywords:

NewenergyphotovoltaicsystemsenvironmentalparametersRadiantquantity

目录

1引言

2．太阳辐射量的数据分析

2.1太阳辐射量的年际变化

2.2太阳辐射变化量分布的季节特点

3.负载情况分析

4.光伏板最佳倾斜角的确定

4.1关于最佳倾斜角的设计

4.2全年最佳倾斜角

4.3不同地区的最佳倾斜角

5.光伏系统总功率的概算

5.1太阳能电池板的电气特性

5.2太阳能电池板的串、并联电气特性

6.不同地区光伏发电系统的应用

6.1天和家园住宅小区概况

6.2北京南站太阳能与建筑一体化设计案例

总结

致谢

参考文献

1.引言

能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。

目前的世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。

而化石能源是不可再生能源，大量的耗用终将枯竭，并且在生产和消费过程中有大量的污染物排放，破坏生态与环境。

为保证人类的稳定、持久的能源供应，必须优化现存的以资源有限、不可再生的化石能源为主体的能源结构，建立资源无限、可以再生、多样化的新的能源结构，走经济社会可持续发展之路。

为保护人类赖以生存的地球的生态环境，必须采取措施减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源，走与生态环境和谐的绿色能源之路。

通过太阳能电池将资源无限、清洁干净的太阳辐射能转换为电能的太阳能光伏发电，是新能源和可再生能源家族的重要成员之一。

近年来，世界太阳能电池的产量和装机容量以年增长量在30％左右的速率快速发展，到2004年年底全球的总装机容量已达4330MW左右。

专家们预测，到21世纪中叶，太阳能光伏发电将发展成为重要的发电方式，在世界可持续发展的能源结构中占有一定的比例。

太阳能光伏发电系统可以安装在各个不同的地点和场合，而不同的光伏发电系统由于安装地点、当地的气象参数以及负载情况都有所不同，在设计之前，应当收集当地的气象参数，在此基础上估算太阳能光伏电池的发电量，然后进行具体的系统设计、模拟仿真、安装可能性判断和施工上的问题检查。

2.太阳辐射量的数据分析

2.1太阳辐射量的年际变化

近30年来,我国年平均（58个站平均）太阳直接辐射（s）和总辐射（q=d+s）从1972年开始一直呈下降趋势,太阳散射辐射量（d）在平均线上下呈波动式摆动。

s和q的变化趋势基本同步,表明在q的变化中,s变化起决定性作用。

s和q在1961、1970、1973、1975和1982年出现了明显的下降低谷,而且1982的低值持续了2年。

1985年开始略有上升,但是到了1992年又开始下降（图2.1）我们计算的太阳辐射量变化趋势分布表明我国东北、华北绝大部分地区以及西北、华南部分地区、华南沿海和云贵高原西侧的太阳散射辐射量是增加的,长江中下游流域、河套和华南部分地区在减少。

太阳直接辐射量全国普遍减少,平均变化趋势为-246MJ/（m2*10a）,减少量最大中心在长江中下游流域和华南沿海以及以西宁为中心的西北地区。

太阳总辐射量分布形式同太阳直接辐射量分布形式差不多,全国平均变化趋势为-16.8MJ/（m2*10a）。

图2.1　我国太阳散射（d）、直接辐射（s）和总辐射（q）平均距平变化（1957～1992年）

2.2太阳辐射变化量分布的季节特点

由于在建筑围栏结构设计中对不同问题的关注程度不同，地点、气候、纬度、平均日照、平均温度、降水量、湿度、浮尘量、风荷载和地质条件都会影响光伏建筑一体化的经济性。

在设计计算前，需要收集当地的气象数据资料，包括当地的太阳能辐射量以及温度变化等。

一般来说，气象资料无法做出长期预测，只能根据以往10~20年的平均值作为设计依据。

但是，很少有独立光伏发电系统建设在太阳辐射资料齐全的城市，而偏远地区的太阳辐射数据可能与临近城市的数据资料并不类似。

因此在设计过程中要考虑这一类的偏差因素。

另外，从当地气象部门得到的气象数据资料，一般只有水平面的太阳辐射量，需要根据理论计算换算出光伏板表面的实际辐射量。

春季:

太阳散射辐射量在华北的增加区向南延伸,江南的减少区南退,减少量的绝对值变小。

太阳直接辐射和总辐射在全国绝大部分地区趋于减少,并在云贵高原和江南形成一减少带。

夏季:

我国东部和北部地区太阳散射辐射量基本是增加的,其他地区太阳散射量以减少为主（图2.2.1,图中阴影部分为辐射量增加区,非阴影部分为辐射量减少区）。

太阳直接辐射减少量的绝对值东部大于西部,长江流域为一显著的减少带,上海、南京、合肥和宜昌的太阳直接辐射量的变化趋势在-900MJ/（m2*10a）以下（图2.2.2）。

太阳总辐射减少量分布形式同直接辐射分布很类似,但长江上游的减少区分别向南北方向延伸,两个减少中心分别在四川盆地和江淮地区,合肥、南京等地太阳总辐射量以65MJ/（m2*10a）的趋势减少（图2.2.3）。

图2.2.1　夏季（7月）太阳散射辐射变化趋势（365MJ/（m2*10a））分布图（1957～1992年）

秋季:

　我国东部的太阳散射辐射量增加区向华北退缩,华南转变成增加区。

太阳直接辐射变化量的绝对值比夏季小,长江流域的减少带东撤到115°E以东。

四川盆地的太阳总辐射减少量中心已消失,长江中下游的减少中心向东萎缩,减少量绝对值变小。

图2.2.2　夏季（7月）太阳直接辐射变化趋势（365MJ/（m2*10a）分布图（1957～1992

年）

图2.2.3　夏季（7月）太阳总辐射变化趋势365MJ/（m2*10a）分布图（1957～1992年）

冬季:

华北地区和华南沿海部分地区为太阳散射辐射增加区。

太阳总辐射主要减少区在黄河以南、南岭以北地区。

3.负载情况分析

负载的计算是独立太阳能光伏发电系统设计的重要内容之一。

通常的办法是列出负载的名称、功率要求、额定工作电压和每天的用电小时数，交流负载和直流负载应分别列出，功率因数在交流功率的计算中可以忽略不计。

然后将负载和工作电压进行分组，计算每组的总功率要求。

再选系统的工作电压，计算整个系统在这一工作电压下的平均安时数（Ah），即计算出所有负载每天平均耗电量之和。

关于系统工作电压的选择，通常是选用最大功率负载所需的电压。

在交流负载为主的系统中，直流系统电压应当与选用的逆变器输入电压相适应。

一般的独立太阳能光伏发电系统，交流负载的工作电压为220V，直流负载电压为12V或其倍数（24V、48V等）。

从理论上讲，负载的确定非常简单，而实际上负载的要求往往是不确定的。

例如，家用电器所要求的功率可以从制造厂商的样本上得知，但对它们的工作时间并不确定，每天、每周和每月的使用时间都有可能估算过高，这样其累计的结果会造成系统设计容量和成本的大幅提高。

在严格的设计中，必须掌握独立光伏发电系统的负载特性，即每天24h内不同时间的负载功率，特别是对于集中的供电系统，了解用电功率有利于系统的最优化设计。

4.光伏板最佳倾斜角的确定

在光伏系统的设计中，光伏板的安装形式和安装角度对于光伏板所能接收到的太阳辐射量以及光伏供电系统的发电能力具有很大的影响。

光伏板的安装形式有固定安装和自动跟踪两种。

对于固定式光伏系统，一旦安装完成，光伏板的倾斜角和方位角就无法改变。

而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统可以自动跟踪太阳的方位，使光伏板一直朝向太阳光，接收最大的太阳辐射值。

然而在大部分情况下，通常都是采用固定安装的光伏系统，且必须合理的选取光伏板的方位角和倾斜角。

对于不同的倾斜角，光伏板每月接收到的太阳辐射量相差较大。

因此确定光伏板的最佳倾斜角是光伏发电系统中必不可少的环节。

例如在离网型光伏发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，确定最佳倾斜角时要综合考虑光伏板平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和最大性。

而对于并网型光伏供电系统，通常是根据在全年获得最大的太阳辐射量这一要求来确定最佳倾斜角。

4.1关于最佳倾斜角的设计

一般来说，倾斜表面上的总太阳辐射可以由倾斜表面上所获得的直射辐射、散射辐射和地面反射辐射来表示。

在不同地区倾斜表面的逐时总太阳辐射可以表示为：

G（i）=G（a）+G（b）+G（c）

G（i）——在i时刻倾斜表面上获得的总的太阳辐射，W/（m²*h）；

G（a）——在i时刻倾斜表面上获得的直射太阳辐射，W/（m²*h）；

G（b）——在i时刻倾斜表面上获得的散射太阳辐射，W/（m²*h）；

G（c）——在i时刻倾斜表面上获得的地面反射太阳辐射，W/（m²*h）。

4.2全年最佳倾斜角

在不同的地区，不同的方位角对应着不同的最佳倾斜角。

在北半球常用的典型方位角有东面（α=-90°）；东南（α=-60°，α=-45°，α=-30°）；南面（α=0°）；西南（α=30°，α=45°，α=60°）；和西面（α=90°）。

对于光伏建筑一体化系统，光伏板的倾斜角一般根据建筑壁面的形状和建筑师的设计来确定。

因此，分析其在不同方位角和倾斜角等下的全年运行情况尤为重要，其关系如图4.2所示：

表4.2倾斜角与辐射量关系

4.3不同地区的最佳倾斜角

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。

一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾角也大。

但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜大于50％-60％）等方面的限制条件。

对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。

对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。

特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。

方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。

对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。

 以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。

表4.3全国各地的最佳倾斜角

5.光伏系统总功率的概算

5.1太阳能电池板的电气特性

太阳能电池板的光电特性能存在着两种情况：

一是通用组件，他的工作电压一般是常用电压或容易组成常用电压值，如2V、6V、12V等等，这样与蓄电池能够很好的配合；功率在1~10W以上不等。

对于20mmX20mm见方的小片，多组成1W的组件，对于直径为100mm的大圆片电池，可组成30~40W组件。

二是专用组件，专门为某些用电设备设计的。

其工作电压和输出功率是按设备要求，便于组成所需要的数值而设计的。

目前多数太阳电池板的生产都是按组件定型设计进行生产的，这样在组成阵列时就会比较方便。

太阳能电池组件在安装阵列之前，要进行必要的测试工作。

在规定的条件下，测试它的开路电压、短路电流、伏安特性曲线和最大输出功率等，其方法与测试单体电池相同。

此外，还应测试绝缘性能（可用500V或1000V兆欧表测量组件与底板框架间的绝缘电阻），其数值大于1000兆欧。

除电性能测试外，还要做环境实验，对温度、湿度、烟雾、振动等项依规定实验，以保证组成的阵列在实际运行中能达到较长的使用寿命。

5.2太阳能电池板的串、并联电气特性

在构成光伏阵列时。

为了得到适合的输出功率，必须把单个电池串联或并联起来。

根据负载用电量、电压、功率、光照等情况。

确定光伏电池的总容量和光伏电池板的串联、并联数量、串联时的输出电压等于单个电池电压之和，流过所有电池的电流相同；而并联时电流为单个电池电流之和，总的输出电压为单个电池工作电压的平均值。

既要求大电流又要求高电压时，就是必须串联和并联联合组成的电池阵列。

串联是应注意选择工作电流相等或近似相等的电池组件，以免电流浪费。

在确定光伏电池板的串联数，即光伏阵列总的输出电压时，主要考虑负载电压的要求，同时考虑蓄电池的浮充电压、温度以及控制电路等的影响。

如果总的输出电压过低，不能满足蓄电池正常的充电要求，就可能会出现光伏电池只有电压而无电流输出的现象。

而且光伏电池的输出电压随温度的升高还会呈现特性，所以在计算电池组件串联级数时，要留有一定的余量，但也不能把串联级数定的过高，造成较大的浪费。

最优的方案是选择的光伏阵列工作点位于阵列总的伏安特性曲线的最大功率点。

在确定光伏电池的并联数，即光伏阵列总的输出电流时，主要考虑负载每天的总消耗电量、当地平均峰值日照时数，同时考虑蓄电池组的充电效率、电池表面不清洁和老化等带来的不良影响。

一般光伏电池组件的并联数乘以每一待并支路的最佳工作电流即为蓄电池的充电电流。

6.不同地区光伏发电系统的应用

6.1天和家园住宅小区概况

6.1.1简介

浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积64788m2，总建筑面积13.5×l05m2。

小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无髙大建筑物，无遮阴情况，日照充分。

小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈人字形，楼高22.2m〜22.86m。

计划在天和家园20号楼屋顶装设太阳电池板，建住宅小区太阳能光伏发电示范电站。

20号楼目前处于在建状态，屋顶可利用面积有：

西侧平台，面积87m2；斜屋面，W1～W7共7块，总面积（斜面）113.9m2；露台，L1～L5共5个，总面积233.44m2。

6.1.2光伏发电系统运行方式的选择

独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。

由于必须装有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很髙。

在有公共电网的地区，光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。

并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。

由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，能量的损失、蓄电池的使用寿命通常仅为5〜8年、报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。

在建筑密度很大的城市住宅小区中，能够安装太阳电池板的面积有限，住宅小区屋顶光伏发电系统的容量通常远远小于其变压器的容量，即光伏系统的发电功率始终小于小区负载的功率，没有剩余电能送入上级城市电网。

综合考虑，该光伏发电系统拟采用并网运行方式，并在小区内局部并网，不考虑将电能送入上级城市电网，系统原理图如图9.1所示。

采取小区内局部并网运行方式提高了上级城市电网的安全性。

6.1.3系统设计

（1）设计依据：

该系统的设计依据有：

《光伏系统并网技术要求》（GB/T19939-2005）；当地气象资料；建设方提供的相关资料及要求等。

（2）光伏系统太阳电池组件的配置方案：

①最佳方阵倾角的确定慈溪市介于北纬30°02'〜30°24'和东经121°02'〜121°42'之间，处于北亚热带南缘，属季风型气候。

平均年日照时数2038小时，太阳单辐射量4000~4800MJ/m2，年日照百分率47%。

查阅相关资料可知，太阳电池组件方阵最佳倾角为30°。

②太阳电池组件的布置将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时，与建在边远地区、荒漠地区的独立光伏电站有很多不同点，不能简单地将太阳电池方阵按最佳倾角的要求布置，必须要充分考虑与周围环境的协调和美观。

③太阳能组件的分组串接从系统效率考虑，直流电压越高效率就越髙，住宅用电电压为220V〜400V。

安装组件时原则上要在同一日照条件下使用串联的组件，否则，其他组件会受输出量最低的组件影响导致整体输出严重下降。

为了将组件串接后的热斑效应损耗降到最低，将受到不同方向建筑物影响的组件进行分组。

将受到相同方向建筑物影响的组件归为一组，并且在系统中采用多组串逆变器（在后面的逆变器中详述）。

为了平衡逆变器的功率，每台多组串逆变器都接入了多组的组件，由多组串逆变器的每路MPPT（最大功率跟踪）电路对每路组件进行最大功率点跟踪，从而使因挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。

（3）并网逆变器选择与配置方案：

并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备，其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并把电力输送给与交流系统连接的负载，同时还具有极大限度地发挥太阳电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能，即：

①尽可能有效地获取因天气变化而变动的太阳电池方阵输出所需的自动运行和停机功能，以及最大功率跟踪控制功能；②保护电网安全所需的防单独运行功能和自动电压调整功能；

（4）太阳能光伏发电系统负载的选择：

带负载的用电功率，尽可能使负载的用电时间与光伏系统的发电时间相匹配。

天和家园设置了高压环网站一座，在小区各负荷点设置了7个箱变，其中2#箱变为800kV.A，6#箱变lOOOkV.A，其他均为630kV.A。

与光伏系统公共接入点相连的4#箱变变压器容量为630kV.A，主要供小区公用负荷用电。

天和家园公用负载主要有：

地下车库西区照明灯35.2kW，地下车库东区照明灯21.4kW，智能化设备2kW，以及小区景观灯、围墙灯等。

地下车库照明负荷曲线与太阳光日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统的负荷。

总负荷功率为58.6kW，大于光伏系统的峰值功率43kWP，且所安装的光伏系统峰值功率43kWP不到所连4#箱变容量的10%，保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。

6.2北京南站太阳能与建筑一体化设计案例

6.2.1北京南站利用太阳能发电的可行性

（1）位置与功能：

北京南站位于北京市南二环右安门东滨河路以南，南三环西路以北，马家堡东路以西，马家堡西路以东，崇文区西南角与丰台区右安门地域的交界处。

作为大型的综合交通枢纽，北京南站承担着普速铁路、京津城际、京沪客运专线及地铁4号线、14号线的交通中转功能。

北京南站最高聚集人数10500人，站房总建筑面积220OO0m2，雨篷投影面积71142m2。

（2）地区特点：

北京位于东经115°20'〜117°32'，北纬39°23'〜41°05'，在全国太阳能资源区域划分中属于二类地区，年日照时数达到2600h〜3OOOh，年累计太阳能辐照量达到5600〜6000MJ/m2，为北京地区利用太阳能提供了极为有利的自然条件。

（3）屋面结构：

北京南站房屋面分为中央椭圆屋面及无站台柱雨篷屋面，屋面面积很大，有条件使用太阳能板。

站房附近没有高大建筑物，不存在遮挡物。

6.2.2北京南站太阳电池板的应用部位

太阳电池板一般可以用在建筑的屋面、墙面等受光区域。

北京南站屋面采用直立锁边金属板屋面，为银色表面喷涂，中央采光带为彩釉中空夹胶low-e玻璃，墙面主要为low-e中空夹胶玻璃幕墙，建筑整体给人以现代交通建筑轻盈通透的感觉。

中央椭圆屋面最高点40m，檐口高度20m，雨篷屋面最高点30m，檐口高度16.5m，均为异型曲面，太阳能光电板由于集热需要多为黑色或深蓝色，如果将太阳光电板放在金属屋面上，只能用支架支撑，太阳能光电板与建筑相脱离，这样会对站房纯净轻松的建筑效果造成很大影响。

站房的幕墙在屋面的挑檐遮挡下受光较差，不适合布置太阳电池板。

站房中央采光带面积约14000m2，下方为旅客高架候车厅，如果应用太阳能光电板可兼顾防晒遮阳的作用，且太阳能光电板与建筑幕墙相结合的技术较为成熟。

经过多个部位的分析比较最终确定在中央采光带应用太阳能光电板。

6.2.3北京南站太阳能发电的系统方式

由于北京南站站台照明为一级负荷，照明设备容量大，若采用独立太阳能发电系统，需配置大容量蓄电池。

根据独立太阳能发电系统和并网太阳能发电系统的特点，经过技术经济分析，北京南站采用并网太阳能发电系统，确定了太阳电池板的应用部位之后，需要对采用的太阳电池组件进行分析，使其可以较好的与建筑相融合。

在电力工程师的帮助下，北京南站排除了对