家用独立型光伏发电系统的优化设计.docx
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家用独立型光伏发电系统的优化设计
《太阳能光伏发电系统》
课程设计
课题名称：
家用独立型光伏发电系统优化设计
专业班级：
学生学号：
201106314
学生姓名：
XXXXXXXXXXXX
学生成绩：
指导教师：
XXXXXXX
课题工作时间：
2014.12.29至2015.01.05
沈阳工程学院
《太阳能光伏发电系统》
课程设计
课题名称：
家用独立型光伏发电系统的优化设计
一、课程设计的任务和要求
要求：
1、具备独立查阅光伏发电系统设计的相关文献和资料的能力；具有查阅光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器等光伏器件参数和型号的能力；具有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能提出并较好地实施方案，能对光伏发电系统的结构和配置进行分析研究和优化设计。
3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。
4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
5、报告内容简练完整、立论正确、讨论充分、论述流畅、结构严谨、结论合理；技术用语准确、符号规范统一、编号齐全、书写工整、图表完备。
6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。
7、内容不少于3000字。
技术参数：
1、光伏发电系统安装地点：
沈阳；
2、使用单晶硅光伏电池；
3、负载表
数量
功率
使用时间
荧光灯
8
18w/盏
5h/天
电视机，电脑
2
120w/个
3h/天
洗衣机
1
600wh/天
电冰箱
1
1000wh/天
任务：
1、选择适当的光伏电池、蓄电池、逆变器和控制器；
2、设计合理的光伏发电系统；
3、利用PVsyst软件和有关理论模拟优化设计，并对结果进行分析和总结。
二、进度安排
1、2014.12.29选题、分析查找相关资料、熟悉PVsyst软件
2、2014.12.30提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计
3、2014.12.31讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型
4、2015.01.04写出课程设计报告初稿
5、2015.01.05整理课程设计报告、交稿
三、参考资料或参考文献
1、杨金焕、于化丛、葛亮著.太阳能光伏发电应用技术.第1版.电子工业出版社.2009年。
2、李钟实著.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.第1版.人民邮电出版社.2010年。
3、PVsyst软件应用教程。
4、课程设计摘要（中文）
以太阳能光伏组件上接收太阳能辐射量“全年均衡,冬半年最大”作为独立系统设计原则，结合全年累计最大亏欠量和放电深度,计算太阳能光伏组件和蓄电池容量,确定家用独立型光伏发电系统最佳配置。
系统实行智能控制,连续7个阴天后,蓄电池的放电深度为50%。
五、课程设计摘要（英文）
"Theannualsolarradiationquantityreceivedbalancedbysolarphotovoltaiccomponents,wintermaximum"asthedesignprincipleofindependentsystem,combinedwiththeannualmaximalaccumulateddeficitamountanddepthofdischarge,thecalculationofsolarphotovoltaicmodulesandbatteriescapacity,todeterminetheoptimalallocationofhouseholdindependentphotovoltaicpowergenerationsystem.Implementationoftheintelligentcontrolsystem,7consecutivecloudydays,depthofdischargeofbatteryis50%.
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
家用独立型光伏发电系统的
优化设计
摘要
随着世界性的能源短缺问题的日益严重，开发和利用新能源是一种必然的趋势，而太阳能就是其中最好的能源之一，本文通过对太阳能组件工作的原理的学习和认识，针对小型用户用电需求，根据沈阳的经度、纬度、气象、环境状况及用户负荷状况，运用太阳能光伏发电知识设计了一种家用独立光伏发电系统，运用PVsyst软件对系统的电池板倾角、光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器等组件进行了优化设计和选择。
最后用PVsyst软件对设计的系统进行模拟仿真
关键词
PVsyst仿真、组件优化设计、独立系统
第1章绪论
1.1设计背景
能源是世界发展的源动力，随着石油等矿物能源的消耗，能源危机已经是世界面临的一大挑战，于是开发和利用新能源成立必然的趋势，而太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点：
第一：
它是人类可以利用的最丰富的能源。
据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。
今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。
第二：
地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。
第三：
太阳能是一种洁净的能源。
在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。
绝对不会造成污染和公害。
现今国内外都在大力发展太阳能，比如建造大型太阳能发电基地，建设太阳能的公共设施，太阳能的建筑一体化等等。
单个的光伏发电系统可以满足任何离网设备的供电需求，而由于常规电网的局限性，导致现今世界越近20亿的人口存在用电困难，而这些地区往往太阳资源丰富，一个家庭的供电可以通过光伏系统来获能，因此本文将对一个独立光伏系统进行设计，并且采用PVSYSTEM该软件进行模拟和优化设计，从而达到进一步了解光伏发电系统的目的。
1.2设计意义
a.太阳能电池方阵安装在屋顶上，可以节约宝贵的土地资源；
b.可以近距离供电，减少线路损耗；
c.可以为因为常规电网局限性而无法用电提供电能，有良好的经济和社会效益；
d.太阳能发电不受地区限制，是无电场所家庭用电的理想电源；
e.通过亲自设计可以加深自己对这个发电系统的全面理解；
第二章沈阳市气象资料及地理情况
由于太阳能发电系统的发电量与太阳光的辐照强度，大气层厚度，地理位置，所在地的气候和气象，地理地物等因素和条件有着直接的关系和影响，因此设计时需要考虑太阳能辐照资源及气象信息，方位角，倾斜角，峰值日照时间，全年辐射总量，连续阴雨天及最低气温等。
系统所在地沈阳的纬度，41.46度；最佳倾斜角，纬度+1；软件模拟最佳倾角51.0度；平均峰值日照时数，3.95h；水平面年平均辐射量，1291.6kwh/m2；斜面修正系数kop=1.0671连续阴雨天7天
沈阳市地理位置：
东经：
123.25度北纬41.46度
图1图2
图3
最低气温-11.5摄氏度，年平均气温为8.1摄氏度，年平均风速为3.0米每秒。
其中4~9月这几个月的辐照度比其他几个月充足，可以用蓄电池存储这几个月过剩的电能来弥补其他几个月由于光照不足等原因造成无法给用户供电，满足用户需求。
第三章家用独立型太阳能光伏发电系统
的优化设计
3.1设计方案
本次要求为一个独立的光伏发电系统来供给处于沈阳一个基本的家庭用电。
当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集，计算。
如当地纬度，经度；年最高最低气温；全年太阳能辐射量；平均峰值日照时数；年最长连续阴雨天数等
用电量需求的分析和计算
确定光伏发电系统的形式
系统容量设计：
a.太阳能电池组件功率和方阵构成的设计与计算
B.蓄电池（组）的容量与组合的设计与计算
系统配置与设计：
a.控制器的选型与设计b.逆变器的选型与设计
C.线路设计
图4
太阳能光伏系统的设计方案如图4所示，太阳能光伏发电系统的设计分为两个部分：
第一，光伏发电系统的容量设计；第二，光伏发电系统的系统配置设计。
逆变器
控制器
交流负载
直流负载
蓄电池
直流
太阳能电池板
图5
太阳能光伏发电系统完整的配置如图5所示，主要有太阳能光伏组件或方阵，控制器，逆变器，蓄电池，负载组成。
3.2负载的计算
消耗电能的设备称为负载，他们在很大程度上影响着光伏光伏系统的型号和成本。
设计者应在对能源设备的全面分析以在更大程度上节约能源。
系统所有负载情况如图
图6
日的用电消耗量：
ql=8个x18瓦x5h+2个x120瓦x3h+600wh+1000wh=3040Wh/day=3.04kwh/day
增加5%的预期负荷留量后为：
3040wh/dayx1.05=3192wh/day约为3.2kwh.
月的用电总量：
96kwh/month
全年耗电量QL=qlx365=1168kwh/Year
沈阳家用电器电压为220v
自主系数即连续阴雨天数取7天
系统电压24v
根据计算可知负载平均每天耗电量为3.04kwh，年耗电量为1168kwh。
由于光伏发电系统在建立之后不可避免的会出现各种损耗，或者气候变化等原因，发电量会出现一定范围的波动，因此设计的独立光伏发电系统日发电量必须在3.04kwh以上，年发电量必须在1168kwh左右，太低不能满足客户需求，太高就会造成资源浪费，所以光伏发电系统应做到实用且节约资源。
3.3太阳能电池板容量及串并联的设计及选型
太阳能组件的设计原则是要满足平均天气条件（太阳辐照量）下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能组件的全年发电量等于负载全年用电量。
由于天气条件有低于或高于平均值的情况，因此，设计太阳能组件要满足光照最差，太阳能辐射量最小的季节的需求。
太阳能电池板容量是指平板式太阳能板发电功率Wp。
太阳能发电功率量值取决于负载24h所消耗的电力，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P（AH），再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP（A）。
由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF（V），再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT（v）及反充二极管P－N结的压降VD（v）所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP（V），由太阳能电池阵列工作电源IP（A）与工作电压VP（v），便可决定平板式太阳能板发电功率，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量Wp与太阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数
用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作，通常需要串并联若干太阳能电池组件。
首先需要求出电池板的功率，方法如下：
3.3.1满足负载的理论功率
P1=
=972.1519w
其中K取1.2。
根据电池板的功率来选定所需电池板的型号。
下图为由pvsyst软件提供的一些厂家的电池板参数及型号:
图7
本设计中选取的单晶硅光伏电池板型号Si-monoM65Neste,其具体参数如下：
功率：
43W；峰值电压：
14.60V；峰值电流：
2.95A；开路电压18V；短路电流3.30A。
其具体参数如下图所示：
图8
组件的峰值功率P=2.95x14.6=43.07w
3.3.2组件日平均发电量：
光伏组件日发电量
公式中：
为太阳能电池组件峰值工作电流；
为峰值日照时数；
为斜面修正系数；
为组件衰将损耗修正系数。
取0.8
代入数据得：
=9.947Ah
3.3.3电池组件串联数=
=1.906=2
公式中系数1.43是光伏电池方阵的峰值电压与系统工作电压的近似比值。
代入数据得：
=2个。
3.3.4光伏组件并联数
：
=
=13.4=14
3.3.5光伏电池方阵的功率
根据以计算出的光伏电池串并联数，即可得到光伏电池方阵的功率P：
P=串联数x并联数x组件日均峰值功率=2x14x43.07w=1205.96w>972.1519w所以选用的串并联数能够满足用户需求。
3.4太阳能电池板的方位角与倾斜角的设计
3.4.1方位角:
太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。
在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。
方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。
如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。
至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。
方位角 ＝（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）－12）×15＋（经度－116） 。
在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。
3.4.2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，相应的倾斜角也大。
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（斜率大于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。
3.4.3 阴影对发电量的影响
一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。
因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。
针对这种情况，我们要对理论计算值进行校正。
通常，在方阵周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影。
如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。
另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后，前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。
有一个高为L1的竹竿，其南北方向的阴影长度为L2，太阳高度（仰角）为A，在方位角为B时，假设阴影的倍率为R，则：
R ＝ L2/L1 ＝ ctgA×cosB 。
此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。
例如方阵的上边缘的高度为h1，下边缘的高度为h2，则：
方阵之间的距离a ＝ （h1-h2）×R。
当纬度较高时，方阵之间的距离加大，相应地设置场所的面积也会增加。
对于有防积雪措施的方阵来说，其倾斜角度大，因此使方阵的高度增大，为避免阴影的影响，相应地也会使方阵之间的距离加大。
通常在排布方阵阵列时，应分别选取每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。
具体的太阳电池方阵设计，在合理确定方位角与倾斜角的同时，还应进行全面的考虑，才能使方阵达到最佳状态。
3.4.4结论
设计以全年辐射数据为依据，在默认方位角为0°条件下，通过软件模拟得到最佳光伏板倾角为51°。
倾斜面上平均日辐射量为3.95kWh/m²,计算得到的峰值日照小时数为3.95h。
3.5蓄电池容量及串并联的设计及选型
独立光伏系统蓄电池的选择过程主要包括三个方面：
蓄电池种类、蓄电池的容量和蓄电池组串并联的确定。
蓄电池种类很多，主要有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢电池等。
目前，由于产品技术的成熟性和成本等因素，一些小型简单的独立光伏系统中使用镍氢电池，但应用较少；多数的独立光伏系统中使用铅酸蓄电池，应用广泛。
蓄电池的容量选择与很多因素有关，主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。
独立光伏系统的蓄电池容量，要保证系统在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间内持续正常工作。
在光照度低于平均值的情况下，太阳能电池组件产生的电能，不能完全补充每日负载需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样蓄电池就会处于亏电状态。
如果在一定时间内光照度始终低于平均值，蓄电池持续放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态持续下降。
但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低值，即蓄电池的最大放电深度。
这里我们将持续放电时间称为：
独立运行天数，即光伏系统在没有任何外来能源的情况下蓄电池供给负载正常工作的天数。
同时，由于铅酸蓄电池的额定容量会随着温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降，所以安装地气温对确定蓄电池的容量非常重要。
如果安装地的气温较低，实际需要的蓄电池容量就要比常温条件下需要的蓄电池容量大，才能保证在不影响蓄电池使用寿命的情况下满足负载的用电需求。
3.5.1蓄电池组容量
Bc计算公式为:
式中A为安全系数，根据情况在1.2-1.4之间选取，取1.2；QL为负载的日平电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为该地区最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，该实验中选择的蓄电池取0.6；代入相关数据得到CB=876Ah。
3.5.2蓄电池的串并联数
由于所设计的光伏发电系统属于小型发电，所以直流系统选用24v
即可以满足用户需求。
为了满足连续7个阴雨天能正常供电，所需的蓄电池容量C为：
蓄电池容量C=
其中安全系数K取1.2，最大放电深度为0.5，所以求得蓄电池容量为2240Ah。
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，蓄电池的选择特别重要。
下图列出了pvsyst软件提供的几种蓄电池的选型。
图9
本次设计由pvsyst软件智能选择，型号DryfitA600/12OPzV1200,额定容量1200Ah,额定电压2V，电池库伦效率97%，具体参数如下图所示：
图10
3.5.3蓄电池串并联数目
为达到系统工作电压，需将蓄电池进行串联，未达到系统容量，需将蓄电池并联。
蓄电池串联数=
=12
蓄电池并联数=
=2
该光伏系统工作电压设定为24V，选用蓄电池的标称电压为2V,所以得到串联目为12，蓄电池标称容量为1200Ah，所以并联数为2240/1200=1.867=2。
3.6控制器、逆变器的选型
控制器中方阵直流工作电压为24V，输出峰值电流为3.3
14=46.2A。
据此知控制器应满足要求如下：
额定工作电压为24V；额定工作电流应大于46.2A。
因此选择控制器Isofoton,Isoltel60，它的系统电压为24V，最大充电及最大负载电流均为60A。
逆变器功率=阻性负载功率×（1.2~1.5）+感性负载功率×（5~7）
该用户阻性负载包括荧光灯、电视机和电脑；感性负载为洗衣机和电冰箱。
假设洗衣机每天工作2小时，电冰箱平均每天工作5小时。
由此可得需要逆变器功率大约为2960.8w--4076w。
由于PVsyst软件自带的逆变器有1.5kW和3kW两种，故故逆变器和控制器可选用4000w的控制逆变一体机，最好是正弦波。
3.7系统配置清单
序号
设备
型号
参数
数目
1
光伏电池
Si-monoM65Neste
功率：
43W；峰值电压：
14.60V；峰值电流：
2.95A；开路电压18V；短路电流3.30A
串2
并14
总28
2
蓄电池
DryfitA600/12OPzV1200
额定容量1200Ah,额定电压2V，电池库伦效率97%
串12
并2
总24
3
光伏发电一体机
4000w
1台
图11
第4章家用独立型太阳能光伏发电系统的优化结果与讨论
4.1由pvsyst软件仿真结果
4.1.1基础设计
图12
通过图可以看出本次设计所选用的电池尺寸及相关参数型号：
电池自主放电天数7天，电池预留量5%，额定电压24V，电池容量982Ah，用电单价2.27EUR/kwh，下面的条形图可以看出可以获得的太阳能量：
3.4kwh/day，用户需要的能量为3.0kwh/day，虽然1月，11月，12月的太阳能不能满足用户的需求，但是可以将其他月份剩余电流存储起来，补偿这三个月的电量，综合考虑得出，依靠本地太阳能发电量可以满足用户全年用电量的需求。
4.1.2方位角
方位角一般取正南方向，通过pvsyst仿真模拟得出倾斜角为51度。
图13
4.1.3用户负载模拟
图14
由图可知，通过pvsyst界面输入得到负载日耗电量3040wh/day，月耗电量91.2kwh/month。
4.1.4电池板蓄电池的模拟以及电路图
图15
图16
4.2系统仿真结果分析
4.2.1全年损耗分析
图17
如图所示，沈阳地区全年平均辐照量为1292kWh/m²,方阵的转换效率为12.4%，阵列的全年名义发电能量为1560kWh，未使用的能源（电池）的损失5.0%,电池存储的能量平衡1.2%,阵列损耗中反射损耗14.1%，损失相对于MPP运行3.3%，阵列全年有效输出能量1213kWh，相当于负载全年功耗1110kWh，完全满足需要，电池年损耗9.6%。
4.2.2太阳能输入和输出关系
图1
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