太阳能离网发电系统设计nedu.docx

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太阳能离网发电系统设计nedu

毕业设计论文

姓名：

李鸿鹏学号：

1001020117

学院：

电气工程学院

专业：

电子信息工程

题目：

太阳能发电系统设计

指导教师：

王汝田副教授

2014年6月

摘要

由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重，清洁的可再生的太阳能越来越受到人们是重视。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。

由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。

简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。

关键词：

太阳能；光伏系统；光伏电池

Abstract

Duetotightglobalenergyandenvironmentalpollutiongraduallygrowing,clean,renewablesolarenergymoreandmorepeopleareseriously.

Solarenergyisthefirsttime,butalsorenewableenergy.Itisrichinresources,canusefreeofcharge,andwithouttransportation,withoutanypollutiontotheenvironment.Formankindtocreateanewlife,sothatsocialandhumanenergyintoaeraofreducingpollution.

Isacomponentofphotovoltaicpanelsinthesunexposurewillgeneratedirectcurrentpowergenerationdevices,fromvirtuallyallsemiconductormaterials（egsilicon）aremadeofthinphotovoltaiccellscomposedofsolid.Becausethereisnopartofactivity,andwouldthusbealongtimeoperationwouldnotleadtoanyloss.Simplephotovoltaiccellsforwatchesandcomputerstoprovideenergy,andmorecomplexPVsystemstoprovidelightingforthehousingandpowersupply.

Keyword：

Solarenergy;PVsystems;photovoltaiccells

第1章绪论

1.1课题背景及研究的意义

1.1.1人类所面临的能源问题

能量以电的形式出现，是现代社会文明的重要标志和基础，“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经成为共识，人们总是尽可能把一次能源转换为电能使用，电力在终端能源中的比例正在不断提高。

但是随着电能利用比例的提高，也带来了很多的问题。

一方面，用于发电的传统一次能源如煤、石油等的贮藏量有限，根据目前所探明的储量和消费量计算，石油可用40多年，天然气可用60多年，煤可用20年左右。

我国一次能源状况也和世界相仿国家1999年政府白皮书估计，目前我国石油剩余可采储量为32.736亿吨，可供开采20年;天然气剩余可采储量11704亿时，可供开采60年;煤炭剩余可采储量为1145亿吨，可供开采不足百年。

随着科技的发展、人口的增长等，整个世界面临着能源需求量成倍增长的挑战[1]。

另一方面，这些化石能源的大量开采和利用是造成大气和其它类型污染与人类生存环境恶化的主要原因之一，如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应和酸雨的产生。

如何在开发和利用能源的同时保护好人类赖以生存的地球生态环境，已经成为一个全球性的大问题。

形势是非常严峻的，在有限资源和环境保护要求的双重制约下发展经济，这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的清洁能源。

因此，开发利用风能、太阳能等可再生的绿色能源，研究风力发电、太阳能发电、垃圾发电、燃料电池等环保型发电新技术，在世界范围内迅速发展。

其中太阳能应用技术及其独特的优势更是得到人们的青睐。

1.1.2光伏发电的特点与优势

太阳能取之不尽、用之不竭，因此作为一种可再生利用的新能源，得到了广泛的应用。

太阳能发电又分为光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。

光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式。

光伏发电是当今太阳能发电的主流。

与常规发电和其它绿色发电技术相比[2]。

太阳能光伏发电有以下的优势：

（1）是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源；

（2）利用的场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；

（3）可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的电源；

（4）接近负载中心，减少电网的线损，减少输配网络的传输功率；

（5）发电的效率不随发电规模的大小而变；

（6）就地可取，无需运输。

由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展很快。

从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。

1.2太阳能光伏发电产业的前景

1.2.1光伏发电系统的国外与国内发展

从上世纪70年代开始，各国政府都投入了很大的力量来支持太阳能电池的发展。

美国于1973年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目标；日本于1974年开始执行“阳光计划”，投资5亿美元，迅速发展成为世界太阳能电池的生产大国。

自上世纪80年代以来，其他发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。

近年来世界太阳能光伏一直保持着快速发展，十世纪九十年代后期世界光伏市场更是出现了供不应求的局面，进一步促进了发展速度。

综观进入新世纪后世界太阳电池的总产量，年增长率达到30-40%[3]。

充分开发利用包括太阳能在内的可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有重大的战略意义。

随着对太阳能和可再生能源的广泛的大规模的利用，全球的能源结构必将发生根本性的变化。

我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，由于城市中大量使用化石能源，环境持续恶化。

另一方面，我国具有丰富的太阳能资源，日照时数大于2000h，太阳能总辐射量高于5016MJ/（m2a）的地方约占全国总面积的三分之二以上，尤其是西部地区有很大的潜力。

在这些地方发展并网发电计划，对于缓解当地的能源贫乏情况，提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。

我国在20世纪50年代开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。

此后，光伏发电就不断摸索中发展。

在新世纪初，国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”，该工程光伏系统容量为20MW，极大地拉动了我国光伏市场的需求[4]。

尽管我国研制太阳能电池始于1958年，中国的光伏技术经过了50年的努力，已经具有一定的水平和基础，但是与世界先进国家相比仍有不小的差距。

近几年来，我国的光伏发电技术己经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，光伏并网发电的技术更是刚刚起步，因此，并网型光伏系统的造价高，依赖性强，制约了并网型光伏发电系统在国内的发展和推广。

掌握并网型光伏系统的核心——并网逆变技术对发展并网型光伏发电系统具有至关重要的作用。

国内光伏系统主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。

因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。

对逆变器建立模型并进行分析，采用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。

同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。

1.3本文的研究内容

本课题的目的是在常规光伏发电系统的基础上，根据光伏电池板的输出特性，光伏电池板受温度、日照强度等因素的影响转换效率低的特点，太阳能发电系统的安装地点、负载情况及运行要求设计一个太阳能发电系统。

第2章太阳能光伏发电系统原理

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。

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和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。

一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成[5]。

2.1太阳能发电系统的构成

2.1.1太阳能电池板

太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

一般根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。

2.1.2充电控制器

在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。

充电控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。

在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

如果用户使用直流负载，通过充电控制器还能为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）[6]。

2.1.3逆变器

逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。

在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。

由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。

为能向AC220V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。

2.1.4蓄电池组

蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮存起来供负载使用。

在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电。

在冬天日照量少时，这部分贮存的电能逐步放出。

白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还要给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。

因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。

常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。

2.2太阳能光伏发电系统的分类

目前，电力系统是以大容量集中发电，高压输电和大电网联网运行的方式进行电能的生产、输送和分配，全世界90%的电力都是由这种集中单一的大电网提供的。

近年来以可再生能源为主的分布式发电技术得到了快速发展，与传统电力系统相比克服了大电网系统的一些弱点，并以其环保性能与大电网形成了良好的互补性，成为世界能源系统发展的热点之一[7]。

根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。

2.2.1独立供电的光伏发电系统

所谓独立式光伏发电系统，就是不与电网相连的光伏发电系统。

由于独立式光伏发电系统中太阳能是唯一的能量来源，为了保证系统的正常工作，系统中必定存在一个储能环节来储存和调节整个系统能量。

独立供电的太阳能光伏发电系统如图2-1所示。

整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。

太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。

根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电;当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。

控制器也是光伏发电系统的核心部件之一，包括光伏电池阵列输出电压和输出电流的检测、蓄电池的充电和放电管理、系统设备的保护、故障诊断定位和运行状态指示等。

由于整个系统中加入了蓄电池环节，所以独立式光伏发电系统可以有效的调节能量，但是系统的成本增加，可靠性略微降低。

图2-1离网太阳能光伏发电系统结构框图

2.2.2并网光伏发电系统

光伏并网发电系统指的是，先把光伏电池阵列输出的直流进行最大功率跟踪，再将电转化为与电网电压同幅值、同频率的交流电，实现与电网相连的系统。

并网光伏发电系统如图2-2所示。

光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。

目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。

带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。

此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。

不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。

当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能[8]。

与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处：

（1）不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。

（2）光伏电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率。

（3）因为直接将电能输入，可以充分利用光伏阵列所发的电力。

省略了作为储能环节的蓄电池，降低了蓄电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电池的维护，以及由其带来的间接污染，降低了系统的成本。

（4）并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。

但目前光伏发电系统也存在几大问题:

光伏阵列发电效率低；系统的造价成本高；发电运行受气候环境因素影响大。

同时并网光伏供电系统作为一种分布式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛

效应等。

图2-2并网光伏发电系统结构框图

2.2.3混合型光伏发电系统

图2-3为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。

图2-3混合型光伏发电系统结构框图

2.3本章小结

本章主要介绍了光伏发电系统的各个组成部分，包括太阳能电池板，蓄电池，蓄电池充电器，逆变器。

分析了独立光伏发电系统和并网光伏发电系统，并对混合发电系统做了简要的分析和介绍，由于独立的光伏发电在我国西部仍然是主要的发电方式，在市场中占有很大比重，因此本文将着重介绍独立的光伏发电系统。

第3章独立光伏发电系统的设计

3.1负载安装地点以及运行要求

安装地点：

东北电力大学第一教学楼（楼顶）

负载情况：

三相异步电动机一台（380V/5kw，白天工作）、220V照明（共2kw，晚上工作）

运行要求：

异步电动机每天平均工作4小时，照明工作4小时，遇阴雨天气，能够连续运行1天

3.2独立光伏发电系统的设计

3.2.1整体电路结构的设计

整个电路有如下几个部分：

光伏电池阵列、蓄电池、DC-DC电路、DC-AC电路、负荷。

如图3-1。

图3-1整体电路结构

控制器：

白天给发电机供电接三相交流电，晚上切换到两相给电灯供电，实现自动切换。

充放电控制器：

阴雨天放电，正常天气充电。

3.2.2蓄电池容量的设计

（1）蓄电池选择NP65-12，浮充电压为1.2V。

（2）蓄电池容量Be（AH）计算

蓄电池的容量由下列公式计算决定

Be=（PL*24*D）/（Kb*V）

符号含义

D：

连续不日照天数（一般在3至7天）

Kb：

安全系数（放电深度（一般为70%）,逆变器效率（根据厂家数据），线损（一般为5%）等）

V：

系统电压（V）

PL：

负荷的消费电力

PL=（2*4+5*4）/（4+4）=3.5kwh

Be=（PL*24*D）/（Kb*V）

=（3.5*24*1）、（0.8*324）

=324Ah

3.2.3光伏阵列的容量设计

太阳电池采用38D97x400型组件，组件的标准功率为38w，工作电压为17.1v，工作电流为2.22A，安装地水平面上接收的平均日辐射量为13572（KJ/m2），Kop值为1.1548，最佳倾角44.9o。

太阳能电池组组件串联数Ns

Ns=Ur/Uoc=（Uf+Ud+Uc）/Uoc

=（324+0.7+1.2）/17.1

=19

Ur：

太阳能电池方阵输出最小电压；

Uoc：

太阳能电池组件的最佳工作电压；

Uf：

蓄电池组浮充电压；

Ud：

二极管压降，一般取0.7；

Uc：

其他因素引起的压降。

太阳能电池组件日发电量Qp

Qp=IocTKopCz

=2.22x3.77x1.1548x0.8

=7.732Ah

T=Ht*2.778/10000=3.77

式中：

Ioc：

太阳能电池组件最佳工作电流；

T：

等效峰值太阳小时数

Kop：

斜面修正系数，参考表7-5

Cz：

修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8

两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：

Bcb=AQLNL

=1.2x66.7x1

=80.04Ah

Ql=2/220*4+5/（3*220）*4=66.7Ah

式中：

A：

安全系数，取1.1-1.4之间

Ql：

负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数

Nl：

最长连续阴雨天数

4.太阳能电池组件并联数Np的计算方法

计算方法如下：

Np=（Bcb+NwQl）/QpNw*n*Fc

=（80.04+7*66.7）/（7.732*7）

=10.10

≈12

n：

蓄电池充电效率的温度修正系数，蓄电池充电效率受到环境环境温度的影响，修正系数见表7-6

Fc：

太阳能电池组件表面灰尘、赃物等其他因素引起的损失的总修正系数（通常取1.05）

太阳能电池方阵的功率计算

P=PoNsNp

=38*19*12

=8.664kw

Po：

太阳能电池组件的额定功率。

综上，太阳能电池功率为8.664kw，蓄电池容量为324Ah。

3.3本章小结

综上，蓄电池选择NP65-12，浮充电压为1.2V。

太阳电池采用38D97x400型组件，组件的标准功率为38w，工作电压为17.1v，工作电流为2.22A，安装地水平面上接收的平均日辐射量为13572（KJ/m2），Kop值为1.1548,最佳倾角44.9o。

太阳能电池功率为8.664kw，蓄电池容量为324Ah。

第4章逆变器的设计及仿真

4.1太阳能电池方阵

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。

太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为20－25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。

将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。

太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率[10]（见图4－1）。

（1）硅太阳能电池单体

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。

晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。

硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。

PN结形成一个电场。

太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失[11]。

图4-1太阳能电池单体、组件和方阵

太阳能电池的工作原理如下：

光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。

这就是“光生伏打效应”。

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。

光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

（2）硅太阳能电池种类

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：

单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。

多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。

多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。

非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。

一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为13――15%

产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为11――13%

产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为5――8%

（3）太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。

为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。

太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。

一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。

当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可