屋顶太阳能发电厂设计--太阳能光伏发电课程设计.docx

太阳能光伏发电课程设计 课程名称: 太阳能光伏发电课程设计 设计题目: 屋顶太阳能发电厂设计 班 级: 新能源 姓 名: 学 号: 小组成员：指导教师(签名): 第一章 基本知识一发展历史 .1二太阳能发电原理 .1三太阳能电池板结构说明 .2四太阳能电池板材料选型 . . 3五系统选定及介绍 .5第二章 可行性讨论一系统实现的目标 . 13二根据目标进行选择材料 .13 1.1 太阳电池组件（单晶硅太阳电池）.13 1.2蓄电池（金属氢化物镍蓄电池）. .14 1.3汇流箱 . . .14 1.3光伏控制器（太阳能控制器）. .15 1.4交流逆变器（光伏逆变器） . 16三优化系统结构 .18四问题的提出与解决 .19第三章 总结第一章 基本知识一发展历史早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。 1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦时，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。世界光伏组件在1990年2005年年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%13%提高到13%15%，生产规模从15兆瓦/年发展到525兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利。二太阳能光伏发电原理光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。光伏发电的基本原理如图2-1所示。半导体材料组成的PN结两侧因多数载流子（N区中的电子和P区中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自由电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对防扩散，但它对两边的少数载流子（N区中的空穴和P区中的电子）却其牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，当太阳能射到PN结时，以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞，产生大量处于非平衡电子驱向N区，N区中的非平衡空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形成于内建电场方向相反的光生电场Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外，还使P型层带正点，N型层带负电，在N区和P区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时，就会产生电流，输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串联的方式组合在一起构成光伏阵列，就会在太阳能作用下输出足够大的电能。 图1-1 光伏发电原理示意图三太阳能电池板结构说明1.面板玻璃 其作用为保护发电主体(如电池片)，透光其选用是有要求的， （1）透光率必须高(一般91%以上);（2）超白钢化处理。图一 面板玻璃2.EVA胶膜 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体(如电池片)，透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。图二 EVA胶膜3.电池片 主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低，但消耗及电池片成本很高，但光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜薄膜太阳能电池，相对设备成本较高，但消耗和电池成本 很低，但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，但弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，如计算器上的太阳能电池。图三 电池片4. 背板 作用，密封、绝缘、防水(一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，大部分组件厂家都质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求)。图四 背板5.铝合金边框 起一定的密封、支撑作用。图五 铝合金边框6.接线盒 保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。图六 接线盒7.有机硅胶 密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。图七 有机硅胶8.互连条 互连条也叫涂锡铜带、涂锡带，宽一些的互连条也叫汇流条，它是电池组件中电池片于电池片连接的专用引线。图八 互连条四太阳能电池板材料选型太阳能电池可由各种不同的半导体材料制成，迄今使用最普遍的是硅。虽然硅 把阳光转换为电力时效率并非最高的，但是它却是半导体市场的主导，因为硅半导 体发电的成本最低、发电量最大。制造太阳能模块的硅有三种形式：单晶硅、多晶硅和非晶硅。(1)单晶硅太阳能电池单晶硅，是硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性 将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成P-N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单晶硅电池片四个角呈圆弧状，表面没有花纹。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。图1-2 单晶硅太阳能电池(2)多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池以多晶硅为基体材料的太阳能电池。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。多晶硅电池片四个角为方角，表面有类似冰花一样的花纹。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。图1-2 多晶硅太阳能电池(3)非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池，非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。图1-3 非晶硅薄膜太阳能电池五系统选定及介绍光伏发电系统(PV System)是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和分布式太阳能光伏发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。据智研咨询统计:2012年全球光伏发电累计装机达到97GW,2012年全球新增装机30GW，中国新增装机占全球总量的16%以上 ，随着国家对清洁能源产业的大力扶持，我国光伏发电系统产业将迎来发展高峰期。是指利用光伏电池的光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，包括光伏组件和配套部件(BOS)。系统形式主要有三种:1.独立光伏发电系统(离网系统) 2.并网光伏发电系统3.分布式光伏发电系统独立光伏发电系统主要组成部分 图1-4离网型光伏发电系统离网光伏发电系统一般由太阳电池组件组成的光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载和交流负载等构成。光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。组件作用：1. 太阳能电池组件：作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。2. 控制器：用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。3. 蓄电池：作用是对蓄电池组的充放电进行保护;蓄电池组用于存储电能;逆变器的作用是将直流电变换为交流电。在夜晚或阴雨天，太阳电池组件无法工作时，由蓄电池组供电给负载工作。蓄电池的工作方式可分为循环使用和浮充使用两种。经常处于频繁的充放电工作状态，即循环使用;经常处于充电状态则为浮充使用，能弥补蓄电池因自放电而造成的容量损失。4. 逆变器：将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。第二章 可行性讨论一系统实现的目标离网型光伏发电系统实现了在偏远地区或经常停电地区作为应急发电设备，在阴雨天保证负载的使用，无枯竭危险；绝对干净（无污染，除蓄电池外）；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；获取能源花费的时间短；供电系统工作可靠。 二根据目标进行选择材料1.1太阳电池组件（单晶硅太阳电池）（1）负载日功耗QL（Wh）计算。 1）主要依据：要求建设一座光伏电池组件装机容量为1MW的独立光伏电站；当地年辐射量为6782.3MJ/m2。 2）计算公式为：QL=PKOPHL/（5618A365） P=1000kWP HL=6782.3MJ/m2式中：A为安全系数，取1.2；KOP为最佳辐射系数，取1.1；HL为水平面尚年太阳总辐射量（kJ/m2）；P为光伏电池功率。于是有： QL=1000 kWP1.16782.3MJ/m2/（56181.2365）=3032kWh（2）光伏组件设计。 1）太阳能电池组件总功率为1000kWP。选用300WP太阳能电池组件。其主要参数为：额定峰值功率340WP；额定峰值电压34V；额定峰值电流10A。设计发电系统的额定直流电压220V。连续阴雨天数7天。2）太阳能电池组件串并联数的确定。电池组件串联数=（系统工作电压1.43）/组件峰值工作电压。 =（2201.43）/34=10块电池组件并联数=光伏电池方阵功率/（太阳能电池组件串联数组件峰值功率） =1000000WP/（10300）=334块电池组件实际数=10334=3334块。电池组件实际总功率=3334300=1000.2kW。2蓄电池选用48V/1200Ah的蓄电池。电池总量=（负载日耗电量（Wh）/系统直流电压（V）连续阴雨天数/（逆变器效率蓄电池放电深度） =（3032000/220）7/（0.90.7）=31.31Ah蓄电池并联数=蓄电池总量/蓄电池标称容量 =31.31Ah/1200Ah=128块蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压 =220/48=5块蓄电池总块数=1285=640块1.3汇流箱本次设计方案为，每个发电单元中的11块太阳能电池组件顺次串联组成一个发电单元，再将8个发电单元接入一个汇流箱内。选用阳光电源公司的8输入汇流箱，型号为PVS-8, 共需38个。图2-1 汇流箱汇流箱参数如下表：表2-1汇流箱参数最大光伏阵列电压 1000Vdc最大光伏阵列并联输入路数8每路熔丝额定电流（可更换）10A/15A环境温度 -25+60环境湿度 099%宽*高*深670*600*210mm重量 27kg1.4光伏控制器（太阳能控制器）本次设计方案为：先用12-24V型号为SC1224-25A的太阳能光伏控制器控制当发电单元，再用型号为SC500-2600A的太阳能光伏控制器控制SC1224-25A的太阳能光伏控制器。（1）SC1224-25A太阳能光伏控制器参数：太阳能板功率（WP） 300充电电压（V） 24充电电流（A） 12.5太阳能板组数（路） 1过充保护（V） 13.7V/27.4V欠压保护（V） 10.5V-11V/21V-22V空载电流（A） 20mA工作环境温度 35-85RH（无结露）/-10-50温度补偿 （-4mv/） 工作海拔高度(M) 5000保护类型 过充、过放、过载、短路保护；防反接、防反充、防雷功能显示方式 LCD屏幕显示+LED灯显示工作状态防护等级 IP22冷却方式 铝板散热（2）SC500-2600A太阳能光伏控制器参数：太阳能板功率（WP） 1300000充电电压（V） 500充电电流（A） 2600太阳能板组数（路） 1过充保护（V） 570.8欠压保护（V） 437.5-458.3空载电流（A） =416。6mA工作环境温度 35-85RH（无结露）/-10-50温度补偿 （-4mv/） 工作海拔高度(M) 5000保护类型 过充、过放、过载、短路保护；防反接、防反充、防雷功能显示方式 LCD屏幕显示+LED灯显示工作状态防护等级 IP22冷却方式 铝板散热1.4交流逆变器（光伏逆变器）本次设计电站容量较大，发电系统的容量达到了 1MW，所以选用较大的大型逆变器，型号为SG1000KS。SG1000KS为定制产品，内部由两个型号为SG500MX容量达500kW的逆变器 组成，并包含有一台交流配电柜，配备自用电输出端口。产品参数如下表: 表2-2 逆变器参数直流输入参数最大直流输入功率（cosp=1)3000kW最大直流电流1200A最大直流输入电压DC1000VMPPT电压范围DC500-DC820直流输入路数8交流输出参数额定输出功率1000kW最大输出功率1200kVA额定电网电压三相AC315V (2路）允许电网电压范围 AC250-AC362V (可设置）额定电网频率 50Hz允许电网频率47-52Hz (可设置）功率因数调节0.9 (超前）0.9 (滞后）总电流谐波畸变率 3% (额定功率）电网类型IT电网（三相三线）直流分量5%额定电流隔离变压器（有/无）无转换效率最大效率98.7%欧洲效率 98.5%图2-4 交流逆变器三优化系统结构设计发电系统的额定直流电压110kV。1太阳能电池组件串并联数的确定。电池组件串联数=（系统工作电压1.43）/组件峰值工作电压。 =（1100001.43）/120000=4627块电池组件并联数=光伏电池方阵功率/（太阳能电池组件串联数*组件峰值功率） =1000000WP/（2300）=1块电池组件实际数=14627=4627块。电池组件实际总功率=4627300=1388.1kW。2蓄电池选用24V/1200Ah的蓄电池。电池总量=（负载日耗电量（Wh）/系统直流电压（V）*连续阴雨天数/（逆变器效率*蓄电池放电深度） =（3032000/110000）7/（0.90.7）=306.26Ah蓄电池并联数=蓄电池总量/蓄电池标称容量 =306.26Ah/1200Ah=1块蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压 =110000/24=4584块蓄电池总块数=45841=4584块蓄电池电流由6400A降到了50A，减小了128倍，电流损耗减小了1600倍。3.降压变压器因为系统电压升高到110kV，不能直接给负载供电，需要加一台变压器。根据以上条件，选用SF10-63000/110型变压器。型号参数如下：1. 电压组合及分接范围：高压110kV22.5,低压220V。2. 空载损耗（kW）39.1，负载损耗（kW）221，空载电流（）0.2，阻抗电压10.5，运输重量（t）54.6，总重（t）65.5，外形尺寸：长x宽x高(mm) 5830x4520x5885。图2-5 优化后系统结构四问题的提出与解决。1.如果蓄电池发生故障该怎么解决？表4-1 蓄电池外观故障及解决方法故障现象故障原因故障后果解决方法电池壳裂痕或碎裂运输或撞击损坏电池液干涸或接地故障更换损坏的蓄电池电池端子上有腐蚀制造过程残留的电解液或电池端子密封不严渗透的电解液腐蚀了端子增大了接触电阻，连接部位发热并加大电压降拆下连接线，清洁连接面再安装，并涂保护油脂，渗透严重时必须更换蓄电池电池端子上有熔化的油脂痕迹因为连接松动或接触面有污物造成接触不良，使连接处发热输出电压下降，使用时间缩短，端子损坏重新拧紧松动处，清除连接处污物后再连接电池壳发热膨胀因为高温环境、过大浮充电压或充电电流，或上述故障的组合，造成热失控电池失水严重，缩短使用寿命，