太阳能光伏发电课程设计.docx
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太阳能光伏发电课程设计
太阳能光伏发电课程设计
《太阳能光伏发电原理与应用》
课程设计
课题名称：
家用独立型光伏发电系统的优化设计
专业班级：
光电02班
学生学号：
1009040204
学生姓名：
黄斌
学生成绩：
指导教师：
刘国华
课题工作时间：
2013.6.24至2013.6.28
武汉工程大学教务处
五、课程设计摘要（英文）
Abstract:
Theconventionalenergy-mail-basedenergystructurewithcontinuousconsumptionofresourceswillbecomeincreasinglyunsuitedtotheneedsofsustainabledevelopment,inordertoacceleratethedevelopmentandutilizationofsolarenergyasthethemeofrenewableenergyhasbecometheconsensus.Inlightofthis,wedesignaviablestand-alonephotovoltaicsystemshome.First,anoverviewofthestand-alonephotovoltaicsystemcomponentsandoperation,aswellasaffecttheefficiencyofphotovoltaicpowergenerationsystemfactors,focusedontheindependenceofthePVsystemdesignandsimulationparametersoptimizationresults.Includingstand-alonephotovoltaicsolarphotovoltaicsystemscalculatethenumberofcomponents,thenumberofcomputingandbatteryinstallation,andthroughPVsystsoftwaretosimulatethesystem,theoutputofthesystemoptimizationresults,andtheresultsareanalyzedindetail,andultimatelydeterminein9510RTL-CS9524a"two-string12and"wayaspartofthePVarrayto612194PVX-2120Ltake"2andseries3）approachthecompositionofthebatterystorageportion,thefinaloptimizationresultsmeettheneedsofusersrateof97.3%,theresultprovesthedesignofthesysteminreallifeisdesirable.
Keywords:
stand-alonesystems,monocrystallinesolarpanels,PVX-2120Lbattery,PVsyst,stand-alonesystemoptimizationresults
六、指导教师评分
评价内容
具体要求
权重
得分
调查论证
能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
10
实践能力
独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）
15
分析解决问题能力
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。
15
工作量、工作态度
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
10
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。
40
外语和计算机应用能力
在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。
5
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。
5
综合评语
指导教师签字：
年月日
七、答辩记录
记录人（签字）：
年月日
答辩意见及答辩成绩
答辩小组教师（签字）：
年月日
课程设计总评成绩：
（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）
第1章绪论
1.1世界能源结构和发展新能源的背景
随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。
新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。
研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。
新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。
根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。
目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。
20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。
以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30%以上。
西班牙2003年风力发电装机占到全机总量的4%，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%。
瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。
我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。
近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了《再生能源法》，该法已于2006年1月1日起实施。
1.2太阳能光伏发电的重大优势
太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。
在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。
目前太阳能利用的方式有:
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。
其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。
太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种模式，光电池是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。
太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点
（l）取之不尽，用之不竭。
地球表面所接受的太阳能约为1.07×1014
，是全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。
（2）无污染。
光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。
（3）资源分布广泛。
不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。
（4）建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。
光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。
（5）光伏建筑集成。
光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。
（6）分布式。
光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。
1.3太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势
当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。
20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以10%-15%的递增速度在发展。
90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。
到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9
，到2005年底，达到4961.69MW。
己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。
在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15
，并网系统价格为6
，发电成本为0.25
。
光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到15%，单晶硅光电池转化率是23.3%，砷化镓光电池转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%-36%。
太阳能光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用30多年。
目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。
今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。
专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。
20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计容量达35
，约占世界份额的3%。
10多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。
到2020年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:
2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/
;2010-2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/（
）。
到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。
第2章独立型系统的优化设计
2.1独立型太阳能光伏发电系统简介
离网（独立）型光伏发电系统是指未与公共电网相连接的独立太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载（交流负载或直流负载）的发电系统。
其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。
图2.1离网光伏发电系统
图2.1所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。
太阳能电池组件式太阳能发电系统的核心部件；蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并随时向负载供电；光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态；DC/AC逆变器的作用是把太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流转换成交流电供应给交流负载使用的设备。
蓄电池和太阳能电池板可以直接通过控制器给直流负载供电。
2.2光伏发电系统相关参数
2.2.1地理环境及月辐照度统计结果
本次设计地理位置是中国四川省成都市。
据有关资料显示：
成都处于东经104.1°北纬31.4°海拔高度508m,如图2.2所示。
隶属于第7时区。
平均峰值日照时数2.83小时。
水平面年平均辐射量1053.63
.市区面积598平方公里，地域辽阔，有充足的太阳能资源可以利用。
从环保的角度考虑，在本地建立足够的太阳能光伏发电系统将会大大改善当地的环境治理问题。
同时，从长远角度来看，这也是社会发展的必然产物，因此本次设计就是依据PVsyst软件上采集的当地全年的太阳能数据来设计的一种可行的独立型太阳能光伏发电系统。
设计中选取最大连续阴雨天数为5天，两最大连续阴雨天数间最短间隔天数取30天。
下面是PVsyst软件上记录的数据：
图2.2成都市地理位置及时区
表2.1成都市月辐照度及其他参数
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
辐照度（kWh/m2）
40.9
45.0
62.5
91.4
107.1
119.5
107.1
101.2
77.8
56.5
48.2
35.7
温度（℃）
5.5
7.2
11.6
16.5
21
23.5
25.2
24.9
21.0
16.9
11.8
7.1
风速（m/s）
0.9
1.10
1.29
1.30
1.30
1.20
1.09
1.10
1.10
0.89
0.89
0.81
PVsyst软件仿真输出的数据如下：
图2.3成都市月辐照度及相关参数
从图2.3中可以看出成都市全年总辐照度为892.9kWh,最低气温5.5℃、平均温度16℃，平均风速1.1m/s，而冬季的1月、2月、11月、12月这四个月的辐照度较低，发电量不能满足用户需求；而4月、5月、6月、7月、8月这几个月的辐照度比较充足，我们可以用蓄电池存储这几个月份过剩的电能来弥补冬季几个月分的不足，从而可以全年满足用户需求。
2.2.2用户负载的相关参数
表2.2用户负载参数
负载数量功率使用情况
荧光灯8盏18W/盏5h/day
电视机/电脑2台120W/台3h/day
洗衣机1台600Wh/day
电冰箱1台1000Wh/day
根据表2.2可以算出该用户负载的日均用电量和年度总用电量，计算公式如下：
（2.1）
（2.2）
根据式
（1）、
（2）可以看出，该用户负载平均日用电量为3.04
，年用电总量约为1110
。
光伏发电系统在建立之后都不可避免的存在各种损耗，因此，设计的独立式光伏系统日均发电量必须在3
以上，年均发电总量必须在1100
左右，太低就不能满足用户需求，太高则会浪费过多资源。
因此设计的系统应尽量做到实用且节约能源。
2.2.3光伏组件和蓄电池的选择
本次设计采用的单晶硅电池型号为：
Si-mono,RTL-CS95，查阅的具体参数如下：
图2.4光电池基本参数
从上图2.4中我们可以看到，该电池的标准条件：
1000
，短路电流为：
8.40
，最大工作电流7.89
温度系数1.1
℃。
开路电压为：
16.25
，最大工作电压12.03
，电池长度：
1000
，电池宽度：
750
，电池厚度：
8.0
，电池重量：
13.0
，单个组件面积0.75
。
蓄电池的选择：
蓄电池能在光伏组件不发电的情况下给用户负载提供可以使负载正常工作的电量，因此，蓄电池的选取很重要，并且还要考虑到节能减排方面，综合考虑得，本次设计由PVsyst系统智能选择，选择的型号是PVX-2120L、Lead-acid,vented,vehiclestarting，如图2.5中所示可以看出本次设计需要的蓄电池数量是6组，每组的额定电压是12.0
、额定容量是194Ah，电池的库伦效率是97%，电池宽度：
221
，电池深度：
248
，电池高度：
527
，电池重量62.7
。
各项数据表明，此类蓄电池的选择在实际应用中是可行的。
参考数据如下：
图2.5蓄电池基本参数
2.3光伏发电系统的设计与计算
在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。
因此，本次设计的系统太阳能电池方位角选择0°。
太阳能电池的倾斜角对太阳能电池的年发电量影响较大，根据多次模拟测试得出本次设计的方案中倾斜角设为26.6°最合适。
通过PVsyst软件测试平均每年可得到的太阳能辐射量为1139
，配合蓄电池的供电。
该系统基本符合用户负载用电需求。
2.3.1太阳能电池组件的数量的计算
用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作我们需要并联若干光电池组件。
光伏组件的并联数基本计算方法如下：
（2.3）
其中，
（2.4）
电池组建的电压一般比较小，为了能满足用户需求，我们可以把多个光电池串联，这些组件串联后可以产生负载所需要的工作电压或者蓄电池组的充电电压。
光伏组件串联数的基本计算公式如下：
（2.5）
系数1.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。
根据（3）、（4）式我们可以求出光伏阵列的总功率，其计算公式如下：
（2.6）
以上公式均是理想状态，实际应用中我们还应该考虑太阳能电池组件的的功率衰降，蓄电池的充放电损耗等因素。
2.3.2蓄电池组的设计与计算
蓄电池的任务是在太阳能辐射量不足时，保证用户负载的正常工作。
设计蓄电池时不仅应该考虑连续阴雨天数以及蓄电池放电深度对光伏系统的影响，还要考虑蓄电池的放电率、环境温度等因素的影响。
因此蓄电池的容量相关计算公式如下：
（2.7）
（2.8）
（2.9）
本次设计中最低温度时5.5℃，而0℃时蓄电池的容量下降到大约标称电压的95%左右，因此，本次设计可以不考虑蓄电池的低温修正系数。
蓄电池的串、并联数可以由以下公式算出：
（2.10）
（2.11）
实际应用中应该尽量选择大容量的蓄电池以减少并联电池的数量，这样可以减少蓄电池之间不平衡造成的影响。
本次设计中选择并联蓄电池的数量为3组，理论上完全符合设计要求。
2.4离网型光伏发电系统逆变器和控制器的选择
为正确选用光伏发电系统用的逆变器，应对逆变器的技术性能进行评价。
根据逆变器对离网型发电系统运行特性的影响和光伏发电系统对逆变器性能的要求，评价内容有如下几项：
1）额定输出容量；
2）输出电压稳定度；
3）整机效率；
4）保护功能；
5）启动性能；
6）维护方便；
7）计算方法。
由于PVsyst系统中自带的逆变器就两种Back-upgenerator,1.5
和Back-upgenerator，3
，,本次设计选用第一种，即型号为Back-upgenerator,1.5
的逆变器。
太阳能光伏控制器是连接太阳能电池阵列、各种用电设施和蓄电池组的控制中心，是控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，同时还具有防止蓄电池外接短路保护、蓄电池断路保护、防止太阳电池方阵反接保护、在夜间防止蓄电池向太阳电池板放电等的功能，在太阳能离网型光伏发电系统中是不可缺少的。
本次设计对控制器没有做具体要求，根据系统自行选择。
第3章独立型系统仿真结果优化分析
3.1基础设计
图3.1成都市离网型发电系统的基础设计
从图3.1可以看出本次设计的成都市离网型光伏发电系统的电池尺寸和其它相关参数的要求：
电池自主放电时间为4天，电池预留量为5%，额定电压24
，电池容量561
用电单价:
2.41
.下面的条形图上可以看出可以获得的太阳能能量为：
4.6
而用户需要的能量为：
3.0
，虽然1月、2月、12月份的太阳能辐射量不能满足用户需求，但4月到9月的光伏发电量都远超用户需求，可以用蓄电池存储起来补充其他月份不足的电量，综合考虑只要设计合理，依靠本地太阳能光伏发电量可以供该用户常年使用。
3.2倾斜角和方位角
太阳能电池的方位角只要在正南±20°之内，都不会对发电量有太大影响，因此，本次设计选择方位角为0°。
最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量尽可能小时的倾斜角，综合考虑如图3.2所示，当倾斜角取26.6°时，年发电量是最大的，因此，本次设计选取的太阳能电池板倾斜角为26.6°最佳。
图3.2方位角和倾斜角的选取
3.3用户负载的输入
图3.3模拟软件中输入用户负载
如图3.3所示，在PVsyst模拟软件负载输入界面输入各项负载参数，系统自动运算并显示了该用户负载的月均用电量是91.2
日均用电量是3.04
。
3.3蓄电池和光伏组件的选型
图3.4蓄电池及光伏组件型号的选取
如图3.4所示，通过输入的负载的参数系统只能优化，最后选择的是12
、194
型号为PVX-2120L的选电池6块，采取“2串联3并联”的方式接入系统；光伏组件选用的是95
、10
型号为Si-mono、RTL-CS95的光电池，采取“2串联12并联”的方式接入系统，从图中还可以看出，光电池组件通过串联后的电压略微有些偏低，实际安装中可以做一点调整，但理论上本次这样的设计还是可以满足用户需求的。
3.4逆变器和控制器的选择
图3.5系统电路
如图3.5所示，系统电路图中已经接入控制器（Regulater）、逆变器（Back-upgenerator）、蓄电池、光伏组件等，逆变器和控制器的选取要求是不超过负载的电压、电流或功率，本次设计模拟仿真中没有设置到逆变器的选取，系统智能匹配，最佳温度选择的是20℃。
3.5系统仿真结果分析
3.5.1太阳能电池日均输入和输出关系
图3.6光电池日均输入/输出散点图
如图3.6所示，该图显示的是系统全年每日每平方米的太阳辐射量和电能产出情况，横坐标表示的是某天一平方米产生的太阳能辐射总量即全天每平方米太阳能输入总量，纵坐标表示的是系统全天一平方米输出的有效能量，每一个点就表示一天，从图中我们可以看出系统的能量效率，斜率越高则能量效率越高，粗略估计最高点坐标（4.5,9.0），这一天的产能和每平方米的辐射能之比大约是2.0，最低点坐标（3.7,2.5）可以计算出其产能和每平方米的辐射量之比约为0.68，图中平均斜率大约是1.35，图中有些点的每平方米辐射量很大但产能很低主要是电池温度升高，影响了电池的产能效率。
3.5.2产能分析
图3.7系统产能量
如图3.7所示，该系统电池组平均每天天损耗是0.18
太阳能丢失0.79
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