毕业论文 XX地区光伏发电系统设计.docx

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毕业论文XX地区光伏发电系统设计

本科毕业论文〔设计〕

论文〔设计〕题目：

XX地区光伏发电系统设计

学院：

电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电自XXX

学号：

57944697465

学生姓名：

XXXX

指导老师：

XXXX

20XX年X月XX日

XX大学本科毕业论文〔设计〕

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文〔设计〕，是在导师的指导下独立进展研究所完成。

毕业论文〔设计〕中凡引用别人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文〔设计〕作者签名：

日期：

CQ地区光伏发电系统设计

摘要

人类进入21世纪以后，随着世界人口的持续增长和经济的不断开展，人类正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重场面。

因此逐步转变能源的消费构造，大力开展可再生能源，走可持续开展的道路已经到了刻不容缓的地步。

太阳能发电作为一种全新的电能消费方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，既是一次能源，又是可再生能源，因此受到越来越广泛的关注。

各国政府也相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业开展的政策法规，使得太阳能光伏产业迅猛开展，光伏发电技术和应用程度不断进步，应用范围也逐步扩大。

本文首先研究分析了当下太阳能光伏产业的开展状况，再根据CQ市某小区的详细负载参数，选用适宜的太阳能电池组件、蓄电池组、光伏离网控制器、光伏逆变器、直流汇流箱以及交流配电柜等相关电气设备，利用太阳能光伏发电的原理设计出一个完好可靠的小功率光伏发电供电系统，来解决特定区域内给定负载的持续可靠供电问题，并重点设计研究了此类型太阳能光伏发电系统防雷接地的相关问题。

关键词：

太阳能光伏发电系统，铅酸蓄电池，光伏离网逆变器，防雷与接地系统

CQareaphotovoltaicsystemdesign

Abstract

With the world's ever - increasing population and the development of economic, Human beings are facing the serious situation of a scarcity of fossil fuels and the pollution of the environment into the 21st Century. Therefore, it is of great urgency to gradually transform the consumption structure of energy, vigorously develop the renewable energy source, and persisting in the course of sustainable development. As a new way of power energy production, solar power is clean, non – pollution, inexhaustible and simple with maintenance measures. It is both a primary energy source and a kind of renewable power resources. So it gets more and more attention. Governments have also introduced a series of policies and regulations to encourage and support the development of solar photovoltaic industry, which made a contribution to the rapid development of solar photovoltaic industry, an increase of the technology and application of photovoltaic power generation technology, and a wider scope of application.

Atfirst,thispaperstudiedandanalyzedthecurrentdevelopmentstatusofsolarphotovoltaicindustry,andofaspecificloadparametersaccordingtothecityofCQ,chooseappropriatephotovoltaicsolarmodules,batteries,off-gridphotovoltaiccontroller,inverter,dcjunctionboxandacdistributioncabinetsandotherrelatedelectricalequipment,theuseofsolarenergyphotovoltaicpowergenerationprincipleofdesignofacompleteandreliablelowpowerphotovoltaicpowersupplysystem,tosolvethespecificproblemofgivenloadcontinuousandreliablepowersupply,andthistypeofsolarphotovoltaicpowergenerationsystemdesignresearchismainlyfocusedonthegroundingoftherelatedproblems.

Keywords:

Solarphotovoltaicpowergenerationsystems,Lead-acidbattery,Photovoltaic（pv）off-gridinverter,Lightningprotectionandgroundingsystem

第一章前言

1.1本设计的目的和意义

目前，化石燃料正面临逐渐枯竭的危机场面，而太阳能是取之不尽的可再生能源。

保护生态环境逐渐受到人们的重视，太阳能发电对环境没有污染。

另外常规电网具有一定的局限性，太阳能资源可免费使用且无须运输。

太阳能发电系统建立周期短，方便灵敏，可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵，防止浪费。

因此，太阳能光伏发电具有广阔的应用前景。

本设计的目的是为了利用光伏发电的原理，设计一个完好可靠的离网发电供电系统，完成在CQ地区特定区域内给定负载的持续供电。

1.2太阳能光伏发电的优缺点

当前可再生能源每一种都有自己的优势与独到之处。

〔1〕太阳能资源取之不竭，没有随着化石能源枯竭的危险。

只计算地球外表的太阳辐射的能量,足够的当前全球能源需求的一万倍[1]。

由此可看出太阳能辐射地球外表的总量之大。

（2）发电系统中不似诸如水电火电风电等发电形式具有机械转动，所以光伏发电的部件一般不易损坏[2]。

没有机械转动部件，也没有噪声，稳定性比拟好。

（3）光伏发电没有使用化石燃料,维护简单,维护本钱很低。

（4）太阳能发电系统运行比拟灵敏多样,建立周期相对较短[3]。

除了蓄电池以外,其他部件完全干净,无任何污染的产生。

（5）太阳辐射能随处都可获取，减少了远间隔输送这个传统环节。

同时，太阳能由于自身的局限性，主要有以下三个缺乏之处。

（1）分散性：

虽然能量到达地球外表的结合是宏大的,但是因为大局部的地球外表被海洋覆盖,真正到达外表的土地只占总数的约10%,这直接导致了外表使用太阳的能量更少。

事实上,太阳能的搜集和使用能量密度低,大面积的太阳能辐照度,小于1千瓦/㎡,这也使得许多太阳能搜集难度增加。

（2）不稳定性：

太阳能是受自然环境和气候条件因素的影响。

一年四季,昼夜交替的纬度、海拔、地理和自然条件,如天气,雨和雪,云,如天气变化将严重影响系统。

另外空气中的颗粒物如灰尘粉屑等降落在太阳能电池外表也会阻挡局部光线的照射，造成发电量的减少。

诸多随机因素的影响，给太阳能大面积的推广增大了难度。

（3）效率低和本钱高：

效率低和本钱高:

当前太阳能光伏发电应用技术开展理论和技术都已经成熟。

最根本单位的光伏电池组件、光伏转换效率较低,光伏发电不宜普遍推广和应用。

光伏发电本钱由于效率偏低变得较高,和常规能源相比竞争性不高,太阳能的进一步开展需要国家出台经济政策来维护和加强。

光伏系统的造价也比拟高,系统本钱40000～60000元/k,售电价格为常规电价的10倍左右,相对较高。

尽管太阳能和缺点和缺陷,但随着化石能源逐渐枯竭,生态环境的恶化,开发和利用可再生能源是解决这一问题的主要措施之一。

太阳能光伏无污染的平安,有很大的研究和利用价值[4]。

1.3国内外太阳能光伏发电研究现状

上世纪70年代石油危机和90年代的环境污染问题的影响，人们越来越关注了对能源和环境问题的认识，各国政府相继出台了不少支持和鼓励光伏产业开展的政策，不断加大科研投入，将光伏产业作为国家能源保障的重要工程。

自1980年代以来,世界各国已将大量的人力物力来开发新能源,如太阳能的研究、开发和利用的工作。

出如今1990年代末世界光伏市场是供不应求的情况,进一步推动光伏产业的开展速度[6]。

广泛的大规模太阳能和可再生能源的使用,全球能源构造将彻底改变[7]。

我国能源问题非常严重,大量使用化石燃料导致生态环境恶化。

中国的太阳能总辐射超过5016MJ/㎡地区约占陆地总面积的三分之二的国家[8]。

离网并网发电工程在这些地区,当地能源扶贫的开展,进步当地人民生活程度有着非常重要的作用。

中国在1950年开场研究太阳能电池,并于1971年首次成功地应用于东方红2卫星发射。

在探索V电力不断开展。

21世纪之初,国家开展和改革委员会在2002年发起了“发电送乡工程〞,工程容量20mw光伏系统[8]。

尽管中国光伏技术经过50年的努力,获得了很大的成就。

但光伏发电的关键技术和设备主要依靠进口。

因此,光伏发电系统本钱高,具有强烈的依赖性,这限制了光伏发电系统在国内的开展和推广。

国内光伏系统并网主要应用单位功率因数,但它没有电能质量控制功能[9]。

第二章光伏发电系统简介

2.1系统组成与原理

太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。

通常而言，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电〞。

它是利用半导体界面的光生伏特效应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展封装保护即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，就形成了光伏发电装置。

光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成[11]。

图2.1太阳能光伏发电系统构造图

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展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。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理[12]。

光伏发电系统主要有两种发电形式。

其中离网光伏发电系统，主要由光伏电池方阵、光伏控制器、蓄电池、光伏离网逆变器、交流配电柜等构成；另一个原因是电网的光伏发电系统中,光伏电池光伏方阵,控制器、光伏（pv）并网逆变器和其他电气设备组成,这两种形式的发电系统都有各自的适用范围及其优缺点,本设计主要是对离网光伏发电系统设计电力系统可靠地。

离网光伏发电系统主要由太阳能电池组件、光伏控制器、离网逆变器等电气设备构成,太阳能电池方阵输出电流为直流电，假如负载中有交流负载,那么需要利用交流逆变器将直流电转换为交流电。

离网光伏发电系统根据其简单可靠的系统构造广泛称为严寒高原、极度偏远山区及野外作业的发电供电电源[13]。

在离网发电系统中，光伏控制器的作用是用来调节和控制的电能的分配,可以把调配后的电能供给负载,也可以向蓄电池存储电能。

控制器可以有效防止电池过度充电以及过放电,保护蓄电池，进步蓄电池的使用年限。

离网光伏系统可分为直流光伏发电系统和交流光伏系统两大类。

下来,可分为直流没有电池,v直流光伏发电系统,电池系统,交流和AC/DC混合光伏发电系统等[14]。

并网电网的光伏发电系统由光伏方阵、并网逆变器等设备。

网格光伏系统与离网太阳能光伏发电系统相比,前者忽略电池能量储存和释放过程,降低了能源消耗,节省空间,有效地降低了配置的本钱。

电网的光伏发电系统可分为两种,有电池,没有电池类型。

和电池是可调度的,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能。

主要包括回流电网光伏发电系统,通过电网的光伏发电系统中,切换网格型光伏发电系统,电网的光伏发电系统储能设备四种类型。

第三章CQ地区气象和地理的相关参数

CQ地区位于中国西南部，详细位置在东经105～110°，北纬28～32°之间。

CQ市年平均气温在12℃左右，最热月份平均气温27℃℃；最冷月平均气温6℃℃。

CQ市月平均温度1月最低，7～8月最热，最冷月与最热月相差20℃以上[16]。

CQ市年降水量比拟充足，大局部地区为1200毫米左右。

连阴雨持续时间一般为5～8天。

CQ市年平均相对湿度为75％。

年日照时数大概1200小时，CQ市累年平均日照时数为1254小时，日照百分率仅为30％。

CQ市年总辐射量在3350～4200MJ/m2之间，峰值日照时数在2.55～3.20之间，平均为2.8。

图3.1钢球小区所在地区示意图

第四章设计方案及各电气设备的设计

4.1相关参数总述

本设计需要解决此小区两个用户的持续供电问题。

详细参数如下表：

表4.1用户负载参数汇总表

用电器

额定功率〔W）

数量

时长

用电量〔Kwh〕

用户A

照明

40

10

5

2

用户G

风扇

44

6

5

地点：

重庆市九龙坡区二郎钢球厂二郎路161号

系统直流电压U：

48V

峰值日照时数：

h

连续阴雨天数：

8天

控制器效率：

80%

负载日耗电量：

1.32+2=〔kW/h〕

4.2太阳能电池组件设计

太阳能光伏光电转换模块的最小单位是一个太阳能电池单体之间的构造大小约5~100cm²。

太阳能电池单体电压为0.5V工作,一般工作电流之间的25~25cm²,因为电池单体弱,不能单独使用光伏（pv）电源。

必须通过研究串并联和封装太阳能电池单体组成的太阳能电池组件,可以使用光伏电源为最小单位。

太阳能电池组件通过一系列的串联和并联组合,可以形成固定安装的太阳能电池方阵。

太阳能光伏发电系统输出功率所需的电力负荷通常几百几千瓦,大,只有通过这可以满足。

电池组件根据他们不同类型可分为晶体硅组件,非晶硅薄膜电池组件和砷化镓电池组件。

晶体硅是分为两种类型,即单晶硅和多晶硅。

常用的太阳能电池主要是晶体硅太阳能电池。

晶体硅太阳能电池是由晶体硅晶圆,内衬金属外表网格线,外表金属层。

一层电阻启动薄膜太阳能电池,并能减少太阳能的反射损失。

之间的负载连接太阳能电池外表的两个,将会有电流流过负载。

太阳能电池发电,太阳能电池吸收一个光子被创立时,电流就越大。

单晶硅太阳能电池光电转换效率高,稳定性好,但本钱较高;非晶硅太阳能电池消费效率高,本钱较低,但显然,光电转换效率相对较低,与单晶硅电池多晶硅相比,本钱低,转换效率比非晶硅薄膜电池有点高。

实验室高的光电转换效率约为17%,工业大规模消费的光电转化率为10%[18]。

本设计综合各种条件选择多晶硅薄膜电池。

在设计和计算太阳电池组件方阵时，本设计根据所选地区的地理和气象数据以及负载参数，首先选择大小符合要求的电池组件,峰值功率、峰值,根据电流和功率数据等根据详细要求确定。

再在之后的计算中确定该电池组件的串、并联数量以及方阵的总功率大小。

详细公式为：

太阳能组件发电电流=

=

×48×

本设计所选用电池组件的峰值功率为220W，峰值电压为28.9V，峰值电流为7.61A。

需要电池总数=3896.07/220=17.7取18块。

电池组件的串联数=

×

取串联数为3块

并联数为=18/3=6

即选用18块太阳能电池板，采用3块串联，并联6串的方式组成电池方阵

此方阵的总功率=18×220=3960W

表4.2太阳能电池组件详细参数表

电池组件规格

220W

电池片尺寸〔mm）

156×156

峰值功率〔W）

220

峰值电压〔V〕

峰值电流〔A）

开路电压〔V）

短路电流〔A）

重量〔Kg〕

组件尺寸（mm）

长

1670

固定孔距〔mm）

A

1400

宽

990

B

950

厚

45/50

C

700

固定孔

直径〔mm）

9

电池片排列

6×10

数量〔个〕

6

设计

〔一〕光伏方阵方位角的设计。

通常情况下，方阵垂直面与正南的夹角为0°时，这时候光伏方阵才可以获取年平均最大辐射量，才可以获得年平均最大发电量。

在北半球，偏离正南30°度发电当成方阵的发电总量将减少约15％。

偏离正南60°方阵的发电量将减少大概25％,因此光伏方阵的设计对整个系统的发电量有很大的影响[22]。

结合当地的实际情况，本设计方位角选择正南方向。

〔二〕太阳电池倾角的设计。

电池倾角主要决定的光伏发电系统,不同需求的不同类型的太阳能光伏发电系统优化设计和安装角的选择是不一样的[19]。

一样的地理位置,一年冬天白天日照时间较短,太阳角不高,太阳辐射能量很小,夏天白天日照时间相对较长,太阳角度较高,一个相当大的太阳能辐射。

在中国大局部地区通常添加7°纬度,可以用来设计和选择太阳能电池角。

根据全年用电总量的要求,可按表方式选择组件的角度。

表4.2.1倾斜角选择参数表

光伏发电安装地所处纬度

光伏组件程度倾角选择

纬度在0°～25°之间

倾角等于纬度大小

纬度在26°～40°之间

倾角等于纬度加7°

纬度在41°～55°之间

倾角等于纬度加11°

纬度＞55°

倾角等于纬度加17°

由于本设计所选的小区地理位置处于北纬29.5，所以倾角选择36.5.

设计

光伏阵列安装可以分为电流跟踪支架和固定支架两种。

跟踪支架分为单轴跟踪、双轴跟踪和斜跟踪形式;角必须面对太阳方位。

与固定支架安装相比,这种安装方法可使发电效率约20～60%。

安装光伏发电系统根据不同的地方,可以分为杆安装方式,安装地面安装,屋顶,墙等四种方式[20]。

杆柱安装是指杆柱安装是在金属、混凝土、木制的杆、柱子、塔上等上面安装太样能光伏发电系统。

地面安装倾斜支架安装在地面,然后光伏组件装配固定在支架上。

屋顶安装可分为支持安装和电池组件直接与屋顶形式整体安装两类,前者是将电池通过支架固定在屋顶上,这也被称为光伏方阵和屋顶的集成安装[21]。

墙上安装也可以分为两种:

墙上的特殊组件电池组件固定方阵的方法称为支持安装,即太阳能电池组件方阵插件或连接在墙上的建筑外围。

另一种是将光伏采光阵列作为墙壁材料合二为一，直接应用到建筑物墙壁上。

本设计结合当地详细地理情况决定选择通过支架在屋顶固定安装。

一般情况下，计算出的太阳能电池发电量，是在太阳能电池方阵面平安没有阴影的前提下得到的。

因此当太阳能电池不能被日光直射到时，只有散射光用来发电，发电效率会比无遮挡物时减少约10%～20%。

在选择安装太阳能电池方阵时应注意防止建筑物或者山体的遮挡。

假如实在无法避开，应适当调整其方位角或者从太阳能电池的接线方法上进展解决，使阴影对发电量的影响降低到最低。

另外，假如太阳能电池方阵时前后放置的，后面的太阳能电池方阵与前面的太阳能电池方阵之间间隔较小时，前边太阳能电池方阵的阴影会对后边的太阳能电池方阵的发电量产生影响。

当纬度较高时，太阳能电池方阵之间的间隔也应加大。

通常在排布太阳能电池方阵时，应分别选取每一个太阳能电池方阵的构造尺寸，将其高度调整到适宜值，从而利用其高度差使太阳能电池方阵之间的间隔调整到最小。

详细的太阳能电池方阵设计，在合理确定方位角和倾斜角的同时，还应进展全面考虑，才能使太阳能电池方阵到达最正确状态。

光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距的设计与光伏系统所在纬度、前排方阵或遮挡物高度有关。

设D：

前后间距； 

Φ：

光伏发电系统所处纬度；        

H：

后排光伏组件至前排遮挡物垂直高度； 

Φ—Φ） 〕      

本设计中：

钢球小区地处北纬Φ° 

°—Φ°） ×—×0.493） 〕 

—0.196） 

=0.707H/tan〔arcsin0.368〕 

°

4.3蓄电池选型

蓄电池是太阳能光伏发电系统的一个重要组件的组件。

电池的主要任务在雨天,太阳辐射等缺乏,可以有效地保证系统负载的正常秩序和可靠的电力。

电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池类[23]。

电池可以使用屡次和经济实用性强,具有电压稳定、挪动方便等优点。

铅酸蓄电池电压是稳定的,并且可以小电流放和大电流放电,工作温度范围相对较大,在-40到65℃可稳定工作。

加上铅酸电池技术成熟,本钱相对较低,具有良好的跟随负载输出的特点,在此根底上,本设计的优点选择铅酸电池来完成完好的光伏发电系统的设计

铅酸电池是将电能转化为化学能,当需要将化学能转换成电能。

电池的负极材料主要是铅、铅阳极主要,主要是稀硫酸电解液,所以称为铅酸电池。

铅酸电池不同的产品根据构造形式可分为开放式,阀门密封免维护类型和几类,如类型控制阀门密封胶体,再通过使用环境的不同可以分为两种类型的挪动和固定。

铅酸电池主要由正极板和负极板、电解液、别离器、电池外壳,电池盖,过桥,平安阀和接线端子等,可以组装成电池2v、6v、12v。

电池2v是归类为一个单位。

设计

电池选型设计主要是设计的电池容量，之后再完成电池的串并联组合设计。

蓄电池容量=负载日平均用电量〔Ah〕×连续阴雨天数×放电率修正系数/最大放电深度××1000×8×0.9/（48××

可以选用GFM-500免维护铅酸电池，其标准电压为2V，标称容量为500Ah。

蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压=48/2=24

所以需要蓄电池总数=24×2=48块，其中每24块串联，再2组并联。

表4.3蓄电池选型详细参数表

规格型号

GFM-500

标准电压〔V〕

2

标称容量〔Ah〕

10h

500

1h

325

参考外形尺寸〔mm）

长

243

宽

172

高

328

总高

365

参考重量〔Kg〕

的设计

逆变器是将直流电可以改变使用交流电源负载开关装置,它是整流设备的反向转换功能。

由于光伏发电系统提供的直流电,不能为交流负载提供电源,因此必须装备变频器。

逆变器可以根据不同的方式分类,例如,根据它们输出交流有单相逆变器,三相逆变器以及多相逆变器。

在太阳能光伏发电系统中，还可以将逆变器划分为离网型逆变器以及并网