光伏发电毕业论文终稿

上海电力学院本科毕业设计（论文）题 目： 家用光伏并网发电系统 的设计与优化 院 系： 数理学院 专业年级： 应用物理学专业 2010 级 学生姓名： 李红飞 学号：20103166 指导教师： 李鹏飞 2014 年 6 月 10 日上 海 电 力 学 院 学 士 学 位 论 文- I -摘 要现代化社会中，人们对舒适的建筑环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的 30%40%，对经济发展形成了一定的制约作用。本文系统的介绍了家用光伏并网发电系统的设计思路以及理想化优化思路，涵盖了以下内容：光伏发电的基本原理；并网发电系统的构成及每个部分的用途、原理；光伏发电系统的可行性即经济效益和环境效益分析；光伏发电系统设计流程，包括倾角、阴影、系统配置的计算以及系统配置的选择和注意事项；系统配电装置的设计和系统的防雷接地方法。然而，并网光伏发电系统在国内算是新兴行业，对此了解的人并不是很多，部分非专业人士已有的了解也存在一定的误区。本文通过查阅并总结大量相关资料并结合自己的实习心得对并网光伏发电系统的原理、构成、经济效益和环境效益、主要的技术以及系统设计等方面做了一个简单的阐述，希望能够从一个光伏行业新人的角度去帮助更多的人更加容易的了解并网光伏发电系统，同时可以给进入光伏行业的新人提供一定的参考。阅读本文后，可以对并网光伏发电系统有个初步的认识和理解，可以纠正对某些易于混淆的概念的错误看法。关键词：光伏发电；并网；系统设计家 用 光 伏 并 网 发 电 系 统 的 设 计 与 优 化- II -The Design and Optimization of Household Photovoltaic Grid Power Generation SystemAbstractIn modern society, people in a comfortable building environment, the pursuit of more and more high, leading to the construction of heating and air-conditioning consumption growing. In developed countries, building energy consumption has accounted for 30% of total energy consumption to 40%, formed a certain restriction on economic development.System in this paper the design idea of household photovoltaic (pv) grid power generation system are introduced and the optimization of ideas, idealized covers the following contents: the basic principle of photovoltaic power generation; The composition of grid generation system and the purpose, principles of each part; Photovoltaic power generation system, the feasibility of the analysis of economic and environmental benefits; Photovoltaic power generation system design process, including dip Angle, the shadow, the calculation of system configuration and system configuration options and matters needing attention; The design of the system, power distribution equipment and system grounding method.However, grid connected photovoltaic power generation system in China is the emerging industry, this understanding is not a lot of people, some non professionals already know there are certain errors. In this paper, through consulting and summarizing the relevant information and make a simple description combined with their own practical experience for grid connected photovoltaic power generation system principle, structure, economic benefits and environmental benefits, the main technology and system design, in the hope of a photovoltaic industry new perspective to help more people more easy to understand the grid connected photovoltaic system, provides the certain reference and also can give the photovoltaic industry new. After reading this, you can have a preliminary understanding of grid connected photovoltaic power generation system, the errors can be corrected views on some concepts easy to confused.Key Words：photovoltaic power generation ；grid-connected ;system design上 海 电 力 学 院 学 士 学 位 论 文- III -目 录摘要 .IAbstract .II引 言.11 光伏发电原理.21.1 内光电效应.31.2 P 型、N 型半导体 .31.3 PN 结 .31.4 太阳电池发电原理.42 家用光伏并网发电系统的构成.62.1 光伏组件.82.1.1 光伏组件结构.82.1.2 光伏组件主要参数及含义.82.2 直流防雷汇流箱.92.3 直流防雷配电柜.102.4 并网逆变器.102.4.1 并网逆变器的功能：.112.4.2 逆变器主要技术.112.4.3 逆变器主要参数.132.5 监控系统.143 家用光伏并网发电系统的设计与优化.153.1 光伏并网发电系统的设计条件 .153.1.1 设计步骤.153.1.2 设计要点.153.1.3 设计地点和建筑物条件.173.2 家用光伏并网发电系统中太阳能光伏方阵的设计.173.2.1 光伏组件的技术要求.173.2.2 太阳能光伏方阵的最佳倾角的确定.183.2.3 太阳能光伏电池板的有效面积确定.193.2.4 光伏发电系统容量的设计.203.2.5 光伏组件的电路.20家 用 光 伏 并 网 发 电 系 统 的 设 计 与 优 化- IV -3.2.6 发电系统容量中的光伏方阵数量的计算.213.2.7 光伏太阳能电池组件外型尺寸的确定.223.3 家用光伏并网发电系统中逆变器控制器的设计.233.3.1 逆变控制器的功能.233.3.2 逆变控制器的设计要求.233.3.3 孤岛效应的危害.243.4 家用光伏并网发电系统的附属设施的设计.253.4.1 交流配电系统.253.4.2 直流配电系统.253.4.3 电缆的选择.253.4.4 系统配电设置.263.4.5 接地及防雷.283.5 家用光伏并网发电系统的优化设想. .283.5.1 设想一采用跟踪系统.283.5.2 设想二合理化线路以及采用更加高效的输电转换设备.313.6 家用光伏并网发电系统的效益和发展前景.323.6.1 经济效益.323.6.2 未来展望.32结 论.33参 考 文 献.34附录 A 防护等级说明 .35致 谢. 36上 海 电 力 学 院 学 士 学 位 论 文- 1 -引 言能源是现代社会存在和发展的重要基础。随着全球经济的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越明显，且这种稀缺性造成能源商品的价格不断上涨。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。其中，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。中国于 1958 年开始进行太阳能光伏发电的研究，但是接下来的几十年，由于受到技术和价格等因素的影响，市场发展缓慢。2000 年开始，由于国际大环境的影响及政府项目的实施，带动了国内光伏产业的发展，造就了一大批光伏企业，促进了中国光伏产业的人才培养和能力建设。2007 年，中国太阳电池生产量超越日本而成为世界第一位，但是国内安装量较少，2007 年的安装量只有 20MW，累计电池安装量还不到世界的 1%。但近年来，由于美国和欧盟的双反造成出口受到制约，国内光伏的爆炸式增长造成产量严重过剩以及国内环境污染造成的雾霾天气增多等因素，政府出台了很多相应的政策促进了国内光伏的安装。从“金太阳工程”到现在的分布式发电以及各地方政府的补贴政策，均大力推动光伏发电的发展。太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称 PV 技术）。太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少 CO2 和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电，而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。近几年，我国光伏行业发展也非常迅速。国家对光伏发电较为重视，国家和地方政府相继出台了一些列的补贴政策以促进光伏产业的发展，国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目，地方政府也陆续启动了光伏照明项目工程。与此同时，偏远地区消费者逐渐认可光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。光伏应用市场发展较为迅速。但目前我国的太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距，主要表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。因此我国还必须不断改进技术，使我国的太阳能光伏发电产业更上新台阶。家 用 光 伏 并 网 发 电 系 统 的 设 计 与 优 化- 2 -太阳能光伏系统利用的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。光伏建筑一体化还能起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。因此，发展太阳能光伏建筑一体化，还可以“节能减排”。虽然光伏并网发电系统有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于家用太阳能光伏并网发电系统存有几大问题：家用太阳能光伏并网发电系统造价较高，太阳能发电的成本高；并且受天气气候的影响较大，发电不稳定，具有波动性，这是由于太阳并不是一天二十四小时照射引起的；蓄电池的储电技术也不完善。这些都是当下需要面对的问题。因此我们可以根据上面的一些缺点或者难点对家用光伏并网发电系统进行适当的增改以增加其对太阳能的利用率以及提高发电效率。上 海 电 力 学 院 学 士 学 位 论 文- 3 -1 光伏发电原理1.1 内光电效应内光电效应是指当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子空穴对。有很多人容易把内光电效应与外光电效应弄混淆（原子把电子打出金属的现象是外光电效应）。1.2 P 型、N 型半导体P 型半导体：在硅晶体中掺入少量三价杂质元素（如硼），因硼原子最外层只有 3个价电子，它与周围原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生空位，当相邻共价键上的电子受到热源振动或在其他激发条件下获得能量就有可能补充这个空位，硼原子便形成了不能移动的负离子，原来硅原子的共价键就会缺少一个电子，形成空穴。N 型半导体：在硅晶体中掺入少量五价杂质元素（如磷），因磷原子最外层有 5 个价电子，它与周围原子组成共价键时，因多一个电子，在晶体中便产生一个多余的电子。多余的电子容易受热激发而挣脱共价键的束缚而成为自由电子，自由电子移动后，在磷原子的位置便留下了一个不能移动的正离子 1。图 1.1 PN 结1.3 PN 结在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当 P 型和 N 型半导体接触时，在界面附近，空穴从 P 型半导体向 N 型半导体扩散，电子从 N 型半导体向 P 型半导