光伏别墅一体化的课程设计.docx
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光伏别墅一体化的课程设计
课程设计
课程名称光伏别墅一体化设计
班级10级光伏发电
（1）班
专业光伏发电技术及应用
学号：
1003030129
姓名：
肖国豪
指导教师：
吴闰生
提交日期：
2012年11月25日
课程设计成绩：
目录
摘要I
第1章绪论1
1.1人类所面临的能源危机1
1.2太阳能发电的优势1
1.3光伏与建筑一体化优点2
第2章新余市的地理情况及基本气象4
2.1新余市的基本气象4
2.2新余市的地理情况4
第3章别墅的设计5
3.1项目概况5
3.2设计的基本原理5
3.2.1太阳能光伏发电系统的基本原理5
3.2.2太阳能光伏发电主要部件5
3.3别墅用电器耗电量的一般情况7
第4章蓄电池容量的设计8
4.1蓄电池容量的设计8
4.2蓄电池的基本参数9
第5章太阳电池组件的设计10
5.1太阳能电池组件的基本性能参数10
5.2太阳组件最佳倾角及方位角的计算11
5.3支架的设计11
第6章光伏系统的其他组成部分13
6.1逆变器的选择13
6.2配电柜13
6.3防雷接地14
第7章发电估算15
7.1发电量的估算15
第8章技术美学16
参考文献17
课程设计心得体会18
摘要
随着社会的发展和科技的进步，人类对能源的需求量也越来越大，化石燃料正迅速减少，而价格也越来越高。
与此同时，生态环境也因化石燃料的使用而日趋恶化。
人类迫切需要一种可再生的绿色能源来满足能源需求，而太阳能显然是最佳的选择。
而太阳能这种能源是一种可以在任何有阳光的地方就可以利用的能源，所以备受人类青睐。
太阳能的使用己经从最初的边远地区和缺电地区逐步转移到发达国家城市的使用，从简单的安装光伏组件，到现在能够把光伏组件和建筑进行很好的结合，使得太阳能发电得到更广阔的发展空间，“光伏建筑一体化”（BIPV）的概念于1991年被正式提出。
本文介绍了光伏系统的种类和特征，并介绍了组成光伏系统的各个主要部分，包括太阳能电池板、逆变器、蓄电池、电力调控器等。
在介绍完系统组成后紧接着讲解BIPV系统的设计流程，包括场地选取、负荷分析、确定系统大小以及关键元件的选取，这是设计一套性能优良的BIPV系统所必需的。
因此本文采用系统的设计方案并将其作为示范工程在其生活园区了建造了此BIPV别墅。
关键词:
太阳能发电;太阳能电池;独立光伏系统;光伏建筑一体化
第1章绪论
1.1人类所面临的能源危机
在人类社会生存和发展所需的物质基础中，能源是极为重要的基础，在最近的两百年中，煤炭和石油等化石能源对人类社会的发展起了极大的推动作用。
然而，在人类物质文明和精神文明不断发展的同时，人们也意识到大规模使用这些化石燃料所带来的严重后果，资源日益枯竭，环境不断恶化，这些问题己经展现在人们的面前[1]。
由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足[2]，不能满足其经济发展的需要，我国的能源供求情况也面临着非常严峻的挑战[3]，化石能源面临枯竭的危机是太阳能发电得到大力发展的主要原因之一。
据权威人士分析，即使以目前的速度开采现今已探明的能源储量，煤炭、石油和天然气的还可以开采的时间分别为200、40和60年[4]，而传统的电能多来源于煤炭和使用等化石燃料的燃烧。
现代社会的发展越来月迅速，对能源的需要量将迅速增大，这会限制加速化石能源的枯竭，如果还不开发可以大规模使用的可再生能源，人类社会的发展将被能源问题所限制。
1.2太阳能发电的优势
相对应常规能源，太阳能资源具有常规能源所不具备的特殊优点。
常规能源通常不具备以下四个太阳能资源所独有的优点。
（1）时间长久:
根据天文专家的研究，太阳系的存在时间大约为50亿年。
太阳的能量来源于其内部发生的由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的热核反应。
根据太阳中的氢含量和核反应速度计算，太阳还可以以现在的发光强度持续发光数百万年。
相对应人类的存在时间来说，称其为“取之不尽用之不竭”毫不为过。
（2）能量巨大:
根据现有太阳辐射强度和地球受光面积计算，太阳每年辐射到地球上的能量大约相当于130万亿吨煤燃烧的能量，大约是现在人类所消耗各种能量总和的lxl04倍。
（3）随处可得:
太阳将光能辐射到地面，不会像其它能源那样受制于地理位置，也不需要像其它能源那样运输。
几乎可以说是随处可得，随采随用，无论是开发还是使用都非常方便。
（4）清洁安全:
使用太阳能既不用像担心使用化石能源那样担心环境被污染，也不用担心像使用核能那样担心危险的产生，所以太阳能被称为“干净能源”和“安全能源”。
1.3光伏与建筑一体化优点
所谓“光伏建筑一体化”，简称BIPV，也就是将光伏组件与建筑物结合，使得光伏组件不但可以发电，而且还是建筑物屋顶或外墙的一部分，这样的发电方式不但环保，还可节约光伏系统的成本。
BIPV系统的安装方式有两种[5]，分别为与屋顶结合和与墙面结合。
而在与建筑物的结合方式中，可以是建筑物与光伏系统结合，也可以是光伏系统与建筑材料结合。
前者是将光伏系统完美地安装在建筑物上，使建筑物的美观不被破坏，甚至让建筑物更美观;而后者是将光伏元件制造成为一种建筑材料，这样的“建筑材料”自然不但可以发电还而且还起着建材的作用。
近年来，随着太阳能光伏系统在建筑上的广泛应用，其优势已经逐渐被人们所认识，总结起来大致有一下优点：
（1）削峰填谷作用。
夏季，由于大量制冷设备的使用，电网处于用地啊高峰期。
光伏系统在建筑上的应用，除了保障建筑自身用电外，还可以向电网供电，从而舒缓高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益。
（2）减少电力损失。
光伏系统与建筑结合使用，可实现原地发电，原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。
在那些架设公共电网非常昂贵的地方，太阳能光伏发电是一个具有很高性价比的替代产品。
（3）节省城市土地。
光伏组件可以有效利用利用建筑围护结构表面，如屋顶和墙面，无需额外用地或增建其他设施，适于人口密集的地方使用。
这对于土地昂贵的城市尤其重要。
对于并网的BIPV，也可将多余的电力输送给公共电网，缓解周边用电需求；若阴雨天发电不足时，可从公共电网取电，弥补用电需要。
（4）减少气体排放。
由于采用光伏系统为建筑供电，避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，降低二氧化碳等气体的排放，这对于环保要求越来越高的今天和未来是至关重要的。
但是随着光伏与建筑一体化水平的不断提高，初具备以上优点之外，一些新的附加功能也日益体现出来，可见光伏应用技术作为一种新型的技术，在建筑学上已经成为一种新的可行的选择。
在能源和环保压力的促进下，太阳能光伏技术已逐步成为国际社会走向可持续发展道路的首选技术之一。
对于几千瓦以下的小型发电系统，采用太阳能光伏发电是最为理想的。
而BIPV的并网发电已成为近年来光伏应用的主要方向和热点。
联合国能源机构最近发布的调查报告显示，光伏建筑一体化（BIPV）将成为21世纪的市场热点，太阳能建筑业将是21世纪最重要的新兴产业之一。
光伏与建筑一体化应用技术可以利用太阳能这种巨大的可再生能源来产生电力，又可以作为多功能建筑材料构成实际的建筑构材，为建筑提供遮阳、通风等附加功能。
如表1.1所示。
表1.1光伏与建筑一体化附加功能
一体化形式
附加功能
屋顶平行安装
保温隔热、通风屋顶
墙体结合安装
有效降低建筑墙体温度，减少空调冷负荷
光伏幕墙
具有遮阳作用，节省建筑面积
光伏遮阳板
具有遮阳作用
太阳能瓦
综合使用材料，节约成本
采光顶
采光照明
第2章新余市的地理情况及基本气象
2.1新余市的基本气象
①气温：
年平均气温17.7℃。
7月份全年最热时期,极端最高气温40.0℃,月平均气温29.4℃；1月份全年最冷时期，极端最低气温－7.2℃,月平均气温5.4℃。
②降雨量：
降水丰沛，年平均降水量1594.8mm左右，月平均降水量52.93mm，属于全国多雨地区。
③风速：
根据不完全统计，历年平均风速20米／秒
④湿度：
年平均相对湿度80％
⑤地温：
年平均地温20.1℃
⑥日照时数：
历年平均日照时数1655.4小时，日平均5个小时
新余市历年平均基本气象资料如表2所示。
表2新余市历年平均基本气象资料
水平辐射量
斜面辐射量
气温
最低气温
相对
湿度
日照时数
最长连续
阴雨天数
年平均
13094KJ/m²
13714KJ/m²
29.4℃
-7.2℃
74%-84%
1655h
5天
2.2新余市的地理情况
新余位于北纬27º33'～28'05'，东经114º29'～115º24'，属亚热带湿润性气候，具有四季分明.气候温和.日照充足.雨量充沛.无霜期长.严冬较短的特征。
新余属亚热带湿润性气候，平均年日照数为1400小时～3000小时，太阳能资源年理论储量每平方米1130～1530千瓦时，每年每平方米地表吸收的太阳能相当于140～190公斤标准煤热量，太阳能资源比较丰富，开发利用前景较为广阔。
第3章别墅的设计
3.1项目概况
本项目拟先设计一个独立系统，安装在别墅屋顶上，用于演示光伏发电系统在别墅中应用的情况。
该别墅长28m，宽10m，层数两层，总面积560m2，周围绿草如茵，其中夹杂着一簇簇的鲜花和灌木林，无比较高大的障碍物.。
该别墅坐落在北边朝向南，这样就能一年四季都能有阳光照射进房间，保证各房间良好朝向的前提下，采用被动式太阳能利用技术和生态环境治理技术对建筑的外环境和构造进行综合设计；然后，采用主动式光伏发电、光导照明、传感与自控技术对建筑设备中供电供水、保温和照明等问题进行了光伏一体化的综合设计。
3.2设计的基本原理
3.2.1太阳能光伏发电系统的基本原理
太阳能光伏发电是一种新型的发电方式,基本原理是光生伏特效应原理,也就是当太阳光照射在某些特殊材料上,会引起材料中电子的移动,形成电势差,从而由太阳光能直接转换为电能。
这其中的特殊材料也就是光伏发电的的最基本元件被称为太阳电池半导体,即太阳能电池（片）,它包括有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。
光伏发电系统主要由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器、控制器等几大部分组成,由这些电子元器件构成的系统,安装维护简便,运行稳定可靠。
白天太阳能电池组件将太阳辐射出的光线转变为电能,储存在蓄电池里,在夜间或需要时,从蓄电池里将电能释放出来,用于照明和其他用途。
太阳能电池组件是发电设备,蓄电池是储能设备,控制器、逆变器是充放电控制保护和直交流变换设备。
3.2.2太阳能光伏发电主要部件
1.太阳能电池板：
是光伏发电系统的基本单元。
当太阳光照在光伏电池组件上时，电池吸收光能并产生光伏效应，将太阳能转化为直流电能。
太阳能电池一般为硅电池，分单晶硅、多晶硅及非晶硅电池3种。
然而太阳能电池板不但是太阳能发电系统中的核心部分，而且也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，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。
2.太阳能控制器：
是对蓄电池组的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载电源需求控制光伏电池组件和蓄电池组对负载的电能输出，保证光伏电池组件在任何日照和环境温度下都可以输出相应的最大功率。
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：
是将光伏电池组件产生的电能储存起来，当太阳光照不足或负载需求大于光伏电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求。
蓄电池组是太阳能光伏发电系统的储能部件，一般由一定数量的蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择需与光伏电池组件的容量相匹配。
一般为铅酸电池，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，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。
4.逆变器：
是将光伏电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。
在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。
由于太阳能的直接输出，为能向220VAC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）。
3.2.3太阳能光伏发电原理图
图3.1太阳能光伏发电原理图
3.3别墅用电器耗电量的一般情况
1.别墅中的家用电器耗电量具体情况如表3.1所示。
表3.1别墅用电器耗电量的具体情况
编号
电器名称
AC/DC
电器功率
（W）
负载数量（个）
总功率
（W）
每日工作时间（h）
每日耗电量（Wh）
1
空调
AC
1000
1
1000
2
2000
2
冰箱
AC
140
1
140
24
3360
3
电视机
AC
150
1
150
8
1200
4
洗衣机
AC
300
1
300
1
300
5
照明灯
AC
45
30
1350
6
8100
6
热水器
AC
800
1
800
1
800
7
微波炉
AC
150
1
150
0.5
75
8
电磁炉
AC
1000
1
1000
1
2000
9
饮水机
AC
100
1
100
2
200
10
电脑
AC
60
1
60
8
480
11
总结
AC
3745
39
5050
3.67
18515
第4章蓄电池容量的设计
4.1蓄电池容量的设计
1.首先要确定日负载，为了计算方便，采用安时数作为负载的计量单位。
用负载的功率乘以每天工作的小时数，再除以工作电压就得到了日负载的安时数。
日负载（安时）=负载（瓦）×日工作时数/工作电压（直流输出）
日负载（安时）=负载（瓦）×日工作时数/工作电压/逆变器效率（交流输出）
工作电压对直流负载而言就是负载的工作电压，对交流法子而言是逆变器直流端的输出电压。
由上章的负载表我们可以算出日负载，我们的家庭用电方式为交流电。
我们选择逆变器的效率为95%，输入电压为48V。
日负载=1000×2/48/95%=43.86Ah
日负载=140×24/48/95%=73.68Ah
日负载=150×8/48/95%=26.32Ah
日负载=300×1/48/95%=6.58Ah
日负载=1350×6/48/95%=177.63Ah
日负载=800×1/48/95%=17.54Ah
日负载=150×0.5/48/95%=1.64Ah
日负载=1000×1/48/95%=21.93Ah
日负载=100×2/48/95%=4.38Ah
日负载=60×8/48/95%=10.53Ah
总日负载=43.86+73.68+26.32+6.58+177.63+17.54+1.64+21.93
+4.38+10.53
=384.09Ah
2.确定蓄电池容量
仅根据蓄电池的特性和工作环境选择蓄电池的容量。
蓄电池的最大放电深度一般在50%—80%之间。
但是蓄电池的并联数不能超过4个。
由蓄电池容量的计算公式可以计算出:
（蓄电池的最大放电深度一般在50%—80%之间,温度因子一般取0.7左右。
）
蓄电池容量
=3429.37Ah
蓄电池并联数
=3.4个
由上计算可知，所需蓄电池并联数为3.4个，购买时，则需购买4个。
蓄电池的串联数
=2个
所以该系统需要使用的蓄电池总个数：
2串×4并=8（个）
4.2蓄电池的基本参数
蓄电池的基本参数如下表4.1所示
表4.1蓄电池的基本参数
型号
HYS121500
品牌
免维护铅酸蓄电池
使用寿命
3-5年
额定电压
48V
额定容量
1000Ah
标称电压
24V
最低工作温度
-20℃
最大允许放大深度
75%
尺寸
350*166*175mm
工作湿度
74%—80%
第5章太阳电池组件的设计
5.1太阳能电池组件的基本性能参数
该设计采用江西赛维LDK有限公司生产的W320单晶硅电池组件如图5.1所示。
产品通过了IEC61215、TUV、和UL国际认证，在国内享有盛誉。
该太阳能电池片转换效率高，表面玻璃为高透光低铁钢化玻璃，边框材料为轻质电镀铝合金。
基本性能参数如表5.1所示。
表5.1太阳能电池组件的基本性能参数
品牌
WARMSPACE
型号
S80W
电池正常工作温度
60℃
额定功率（Wp）
320W
短路电流温度系数
＋0.4mA/℃
开路电压（Voc）
43.0V
开路电压温度系数
－60mV/℃
最大功率电压（Vmp）
17.5V
填充因子
0.73
短路电流（Isc）
8.4A
类型
单晶硅系列
最大功率电流（Imp）
4.6A
迎风压强
2400Pa
工作电流
4.6A
尺寸
1106×403×5mm
工作电压
36V
图5.1太阳能电池组件
以全年中月太阳辐射平均值最低的数乘以选用的光伏组件的最大功率特点的电流,就得到了光伏组件的日输出。
根据日负载的情况计算出需要的太阳能光伏组件数，光伏组件的大小等于选定的光伏组件的功率数与光伏组件之积。
根据基本气象资料可知，倾斜面上全年平均辐射量为13714KJ/m/m=3809.4Wh/m/m。
所以全年平均日照时数：
峰值日照时数=HTWh/m/m÷1000w/m/m=3809.4Wh/m/m÷1000w/m/m=3.81h
那么单块组件日输出容量为=3.81h×工作电流=3.81h×4.6A=17.526A·h/天
由第3章可知负载的日耗电量为18515W.h/天，则：
日平均负载容量=18515W.h/天÷（0.9×24）=857.17A·h/天
因此:
并联太阳能光伏组件数
60.38实际需并联61块
串联太阳能电池组件数
实际需要串联2块
总共需要太阳能电池组件61x2=122块总功率=122×80=9760Wp
5.2太阳组件最佳倾角及方位角的计算
1.一般的在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度高10°-15°。
由于新余地区位于北纬27°33′～28°05′，因此取当地的纬度大约为28°，所以太阳电池方阵倾角Q=28°+12°=40°
2.方位角计算：
通过新余基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻为20:
00，该地区的的经度为东经114°29′～150°24′，所以方位角Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）×15+（经度-116）=（20-12）×15+（150-116）=154°
5.3支架的设计
光伏支架的方式有固定式、斜屋顶式、矩阵式、可调式和立柱式，在本文中，我们采用固定式来对光伏支架的规格和设计参数进行详细介绍。
固定式光伏支架采用三角形连接结构，结构简洁且力学性能优异，适用于开阔地面。
整体支架采用角铝和独特的型材I导轨，最优化地使用材料，现场可实现无焊接安装，且可靠性高。
是一款性价比高的光伏支架系统。
如图5.2所示。
固定式光伏支架规格参数
安装环境：
开阔地面及广场
适用组件:
适用任意尺寸电池组件
单组系统电池组件数量：
6块,排列方式如左图
系统结构材料：
铝型材，不锈钢
系统安全风速：
42m/s（可根据客户需要定制60m/s）
系统设计雪压：
1.4KN/m2
系统适用温度：
-50°~100°
单组系统重量：
46kg
计标准：
AS/NZS1170
使用寿命：
设计使用寿命25年，质量保证10年
图5.2组件支架
第6章光伏系统的其他组成部分
6.1逆变器的选择
逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。
通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置，如图6.1所示。
它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。
逆变器的效率即是逆变器输入功率与输出功率之比。
常见类型有中小功率逆变器、多重串联型逆变器、车载逆变器等。
在该系统采用的是江苏林洋的WI100-120图6.1逆变器
S-220-50型逆变器其参数如表6.1所示：
6.1逆变器的参数
品牌
江苏林洋
型号
WI100-120-S-220-50
品类
逆变器
额定容量
10000VA
输入电压
48V（-18％～+25％）
输出电压
220V±2％
输出频率
50Hz±0.1％
输出电流
31.8A
过载能力
110％30秒，120％3秒
逆变效率
＞88％
保护
输入绶冲、过压、欠压，输出过载、短路、过温等
相对湿度
0-95％不结露
噪音（1米）
≤40dB
外形尺寸
482×266×374mm3
重量
25Kg
6.2配电柜
配电柜（或配电箱）是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。
除安装面外，其它所有侧面都被封闭起来。
这种柜子的开关、保护和监测控制等电气元件，均安装在一个用钢或绝缘材料制成的封闭外壳内，可靠墙或离墙安装。
柜内每条回路之间可以不加隔离措施，也可以采用接地的金属板或绝缘板进行隔离。
通常门与主开关操作有机械联锁。
另外还有控制台，面板上装有控制、测量、信号等电器，正常运行时可借助手动或自动开关接通或分断电路。
故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警。
6.3防雷接地
具有BIPV系统的建筑应采取防雷措施，其防雷等级分类及防雷措施应遵守现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057的相关规定。
防直击雷措施：
直击雷是指直接落在太阳能光伏方阵、低压配电路、电器设备及其配线等处，以及在七近旁的雷击。
防直击雷的基本措施是安装避雷针。
防感应雷措施：
太阳能光伏发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能光伏方阵外，还有配电线路、接地线以及它的组合。
从接电线侵入是由于近旁的雷击使大地电位上升，相对比电源高，从而产生从接地线向电源反向电流引起的。
系统应采取以下措施：
1）在接线箱内及配电盘内安装避电器AC220V（内设切断装置）
2）在太阳能光伏方阵的主要回路内安装浪涌保护器
3）接地要求
光伏系统和并网接口设备的防雷和接地措施，应符合《光伏（PV）发电系统过电压保护-导则》SJ/T11127的相关规定。
1）防雷接地：
包括避雷针，避雷带以及抵押避雷器，外线出线杆上的瓷瓶铁脚以及连接架空线路的电缆金属外皮。
2）工作接地：
逆变器，蓄电池的中性点，电压互感器的二次线圈。
3）保护接地：
光伏组件机架、控制器、逆变器、配电瓶外壳、蓄电池支架、电缆外皮、穿线金属管道的外皮等。
4）屏蔽接地：
电子设备的金属屏蔽。
5）重复接地：
低压架空线路上，每隔1Km处接地
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