家用独立型光伏发电系统的优化设计-太阳能光伏系统课程设计说明书

武汉工程大学本科课程设计 课程设计说明书 课程设计名称： 太 阳 能 光 伏 系 统 课程设计题目： 家用独立型光伏发电系统的优化设计 学 院 名 称： 光电信息与能源学院 专 业 班 级： 光电信息科学与工程 学 生 学 号： 学 生 姓 名： 学 生 成 绩： 指 导 教 师： 刘 国 华 课程设计时间： 2018.06.19 至 2018.06.25 IV格式说明（打印版格式，手写版不做要求）（1）任务书三项的内容用小四号宋体，1.5倍行距。（2）目录（黑体，四号，居中，中间空四格），内容自动生成，宋体小四号。（3）章的标题用四号黑体加粗（居中排）。（4）章以下的标题用小四号宋体加粗（顶格排）。（5）正文用小四号宋体，1.5倍行距；段落两端对齐，每个段落首行缩进两个字。（6）图和表中文字用五号宋体，图名和表名分别置于图的下方和表的上方，用五号宋体（居中排）。（7）页眉中的文字采用五号宋体，居中排。页眉统一为：武汉工程大学本科课程设计。（8）页码：封面、扉页不占页码；目录采用希腊字母、排列，正文采用阿拉伯数字1、2、3排列；页码位于页脚，居中位置。（9）标题编号应统一，如：第一章，1，1.1，；论文中的表、图和公式按章编号，如：表1.1、表1.2；图1.2、图1.2；公式（1.1）、公式（1.2）。课程设计任务书一、课程设计的任务和基本要求要求：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；具备撰写文献综述报告的能力；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；具备撰写课题开题报告的能力；3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力；具备撰写科技论文的能力；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、具备一定的科研意识和思维，掌握科研基本方法和技巧，具备团队协作的能力。7、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解；8、内容不少于3000字；技术参数：1、光伏发电系统安装地点：广州 2、使用单晶硅光伏电池（多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池）； 3、负载表数量功率使用时间荧光灯818w/盏5h/天电视机，电脑2120w/个3h/天洗衣机1600wh/天电冰箱11000wh/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本科生课程设计成绩评定表姓名陈志立专业班级光电信息科学与工程学号1509090501课程设计题目：课程设计答辩记录：（手写）成绩评定依据：项目得分比例考勤记录20设计结果20报告撰写50答辩成绩10总评成绩备注：成绩评定依据的项目内容和项目分值比例可以由老师按指导的专业进行调整，但成绩评定依据的项目数不得少于3项。最终评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日二、进度安排1. 2018.06.19 解读课程设计任务和要求、解释选题；系统讲解科研方法、策略和技巧；熟悉PVsyst软件；查找分析相关文献资料；2. 2018.06.21 提出设计方案；根据设计方案对太阳能光伏系统进行优化设计；光伏发电系统各部件的选型与配置；支架、防雷和接地设计；3. 2018.06.22-2018.06.24 讨论、修改、进一步优化设计方案；撰写课程设计报告；4. 2018.06.25课程设计答辩与总结。IX摘要随着地球资源日益缺乏，但太阳能具有分布广泛、清洁、可持续等优点被逐渐认可。如何低成本、高效率的利用太阳能是一直研究的课题。所以本课程设计一种直流型家用光伏发电系统。以解决部分地区用电难的问题。首先，对光伏电池的工作原理和输出特性进行深入研究，并建立了光伏电池的数学模型。并以此为基础研究了光伏电池最大功率跟踪方法，进行了在PVsyst仿真实验。 其次，选择根据负载的年耗电量选3040wh，选择60Wp14v Solarex-MSX60.PAN单晶硅电池，根据电池工作电压和电流确定了“10串2并”的组合方式。由于阴雨天和其他未知因素的影响还要加入蓄电池组，最终选定800Ah的蓄电池。关键词：太阳能光伏发电；PVsyst；单晶硅电池ABSTRACTToday, with the decreasing of the earths resources, the solar has been gradually accepted by mare and more people because of its advantages of broad distribution, clean sustainability, How to improve the efficiency of the solar energy with lower cost has been extensively discussed these days and many solutions have been proposed. a special household directly current photovoltaic power generation system is desigened based on the power consumption of ordinary families. To solve the problem of power shortage in some areas. Firstly, The working principle and output characteristic of photovoltaic cell are studied in depth, and established the mathematical model of photovolaticcell.Based on it,the maximum power tracking method of photovoltaic cell is studied, then simulation experiment in PVsyst.Second, select 3040wh for the annual consumption of the load, and choose 60Wp14v Solarex - msx60-60, a single crystalline silicon battery, and based on the voltage and current of the battery, the 10 series of 2 pairs. Due to the influence of rainy and rainy days and other unknown factors, the battery group was added, and the 800Ah battery was finally selected.Key word: solar photovoltaic generation；PVsyst；Monocrystalline silicon cell目 录第一章 绪论2第二章 太阳能光伏发电系统结构32.1 太阳能发电的由来32.2 太阳能系统的构成3第三章 家用太阳能光伏发电系统设计53.1广州市气候资料及地理条件53.2客户用电需求63.2 太阳能电池组的方位角与倾斜角63.3太阳能电池组件及方阵的设计方法73.4蓄池组的选择93.5家用光伏发电系统逆变器的选择103.6太阳能光伏组件支架和基础的设计103.7防雷与接地系统的设计10第四章 家用光伏发电系统仿真优化结果11参考文献152第一章 绪论 在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平;日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量;欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。“十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万千瓦，太阳能光热发电装机容量100万千瓦，分布式光伏发电系统约1000万千瓦，光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算，分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算，总投资需求约2500亿元。尽管我国是太阳能产品制造大国，不过我国太阳能产品只用于出口。在2010年时，全球太阳能光伏电池年产量1600万千瓦，其中我国年产量1000万千瓦。而到2010年，全球光伏发电总装机容量超过4000万千瓦，主要应用市场在德国、西班牙、日本、意大利，其中德国2010年新增装机容量700万千瓦。不过，我国太阳能资源十分丰富，适宜太阳能发电的国土面积和建筑物受光面积也很大，其中，青藏高原、黄土高原、冀北高原、内蒙古高原等太阳能资源丰富地区占到陆地国土面积的三分之二，具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。太阳能资源丰富、分布广泛，是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。第二章 太阳能光伏发电系统结构2.1 太阳能发电的由来当光触及硅等半导体，半导体中的低能电子吸收光能活化，形成高能电子流的基本原理，可追溯到爱因斯坦光量子理论的光电效应。现代形态的太阳能是1954年美国贝尔研究所Person等3位科学家发明的，其后太阳能电池用于人造卫星、灯塔等电源，并得到进一步的发展。20世纪70年代，发达国家以国家级研究计划积极研究开发太阳能发电，其中日本于1974年开始的国家“Sunshine”尤为突出。太阳能电池是太阳能发电装置的核心，用硅等半导体制作的太阳能电池是将太阳能直接转化为电能变换器，半导体受日照射产生电流，但没有蓄电功能。本设计的家用太阳能发电系统为独立发电系统而家用太阳能光伏发呆你系统一般安装在比较偏远的地区使用。因此设计过程中应充分考虑实际情况一般遵循经济适用原则、可靠性高牢固耐用原则1-2。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。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。2.2 太阳能系统的构成光伏发电系统（PV system）是指无需通过加热直接将光能转变为电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。蓄电池：在电量用到一定程度之后可以被再次充电、反复使用的化学能电池。控制器：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。逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）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。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。 其结构如图1所示。蓄电池组直流负载交流负载逆变器控制器太阳能电池组件图1 太阳能光伏发电独立系统结构图本课设研究的家用太阳能光伏发电系统为独立型系统，应充分考虑经济节约，家用光伏发电系统一般都在偏远地区使用，所以还要考虑可靠性、容易维护，当然当地的天气也会影响使用寿命等。第三章 家用太阳能光伏发电系统设计 3.1广州市气候资料及地理条件广州地处中国南部、广东省中南部、珠江三角洲中北缘，广州位于东经112度57分至114度3分，北纬22度26分至23度56分。市中心位于北纬23度06分32秒，东经113度15分53秒。Teonorm通过GoogleEarth软件查询当地的经纬度、海拔高度后然后计算当地的气象资料并且将气象、资料数据保存在PVsyst子目录的Meteo文件夹内，然后在PVsyst主界面的Tool内导入数据3。广州地处亚热带沿海，北回归线从中南部穿过，属海洋性亚热带季风气候，以温暖多雨、光热充足、夏季长、霜期短为特征。全年平均气温20-22为摄氏度，是中国年平均温差最小的大城市之一。一年中最热的月份是7月，月平均气温达28.7。最冷月为1月份，月平均气温为916。平均相对湿度77%，市区年降雨量约为1720毫米。全年中，4至6月为雨季，7至9月天气炎热，多台风，10月、11月、和3月气温适中，12至2月为阴凉的冬季。月份123456789101112辐照度（kwh/m2）67.058.555.162.688.5103.0133.9120.9112.3118.399.489.3温度（）13.314.317.721.925.627.328.528.327.124.019.415.03.2客户用电需求 太阳能光伏发电系统所需要的负载如下表2数量功率使用时间总功率荧光灯818w/盏5h/天720w/天电视剧/电脑2120w/个3h/天720w/天洗衣机1600wh/天电冰箱11000wh/天表2根据表中数据可算 日平均耗电量=818w5h+2120w3h+600wh+1000wh=3.04kwh （3.1） 为了延长蓄电池的寿命需要预留5%的容量，所以组件日平均耗电量=3.04kwh1.05=3.2kwh年耗电量=3653.2kwh=1168kwh （3.2）太阳能电池组件的方位角与倾斜角的选定是太阳能系统设计时最重要的因素之一。3.2 太阳能电池组的方位角与倾斜角（1）太阳能电池方位角的选择在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。如果受太阳能电池设置场所影响的限制，则应考虑他们方位角一致，以求充分利用现有地形和有效面积，并尽量避开周围建筑或树木等产生的影响。有些太阳能光伏建筑一体化发电系统设计时，当正南方向太阳能电池铺设面积不够时，也可以将太阳能电池铺设在正东、正西方向。（2）太阳能电池倾斜角的选择最理想的倾斜角是使太阳能电池发电尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。根据当地广州的年气温差异较小，所以应取年年辐照度为参考。由PVsyst仿真出倾斜角为26最佳。结果如下图2图2上图表示当倾斜角为26时，抑制至最佳损耗为0%，此时太阳能电池板能收集的太阳能为1211kwh/m2 。下图3表示倾斜角度与FT的转化效率的关系，当倾斜角为26时，FT最大为1.09图33.3太阳能电池组件及方阵的设计方法太阳能电池组组件的设计就是满足负载年平均每日用电量的需求。太阳能电池组件是太阳能供电系统工作的基础，他的功能是将太辐射转化为电能，器光电转换效率决定了供电系统的工作效率，所以光电转换效率是选择太阳能组件需要考虑的一个重要参数。目前，太阳能电池组件注意主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。其中单晶硅电池板转换效率为1520%以上，最高可达到24%，使用寿命一般为15年左右，最高可以达到25年。多晶硅电池板的光电转换率为12%。非晶硅约为10%，综合考虑，本系统的太阳能电池组件采用单晶硅太阳能电4-6。太阳能系统日耗电为3.2kwh，根据当地平均日照时间5h，可以算出太阳能电池板的功率 P消=3200/5=640w （3.3）根据太阳能电池对太阳能的光转换效率为90%，逆变器的转换效率为90%，的太阳能电池组功率 P太=640w0.90.9=790w （3.4） I太=790w24v=32.9A （3.5）所以本小组选择Solarex-MSX60.PAN太阳能电池，当温度为25时，短路电流电流：3.8A，最大工作电流3.5A，温度系数3.0mA/,开路电压21.10V。用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作我们需要并联若干光电池组件。光伏组件的并联数基本计算方法如 （3.6） 所以太阳能电池板并联数为2。其中组件日平均发电量=组峰值工作电流（A）峰值日照时数 （3.7）电池组件串联后就可以产生洗头负载所需要的工作电压或蓄电池组的充电电压 （3.8）系数1.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值所以电池组串联数=32.93.510有了电池组件的并联和串联后，就可以很方便的计算电池组件的总功率由此可算出光伏发电总功率（W）=组件并联数组件串联数选定组件峰值输出功率（3.9）由上述公式算出完全是理想状态下的书面计算，在实际应用中是不能满足光伏发电系统用电需求。所以一般总功率可以略大于计算值。 太阳能电池组件发电量相关的因素主要有两点（1） 太阳能电池组件的功率衰减（2） 蓄电池的充放电损耗将负载日平均用电量乘以组件的日平均发电量，这样就考虑了环境因素和组件自身衰减造成的发电量的减少。3.4蓄池组的选择 蓄电池的任务是在太阳能辐射量不足时，保证系统负载的正常用电。储能电池及器件是太阳能发电系统不可缺少的储能的部件，其主要功能是储能光伏发电系统的电能，并在日照不足、夜间以及应急状态为负载供电。光伏系统的平均放电率计算公式为 （3.10） 由于本课设有多路不同负载，所以负载工作时间需要用加权平均法进行计算，加权负载工作时间计算方法为：负载工作时间= （3.11）蓄电池容量= （3.12）由于广州最低气温为13.3，低温修正系数取1，实验中选最大阴雨天数为四天，最大连续阴雨天数最短间隔选30天，放电修正系数取0.7，最大放电深度0.6。经计算蓄电池应取777Ah以上。 蓄电池串联数= （3.13） 蓄电池并联数= （3.14）本小组选择DryfitA600/8OPzV800型号的蓄电池，其额定电压2.0V，额定容量800Ah，电池的库伦效率是97%，电池宽193mm，深215mm，高688mm，重68kg。实验要求负载工作电压24V，由公式（3.9）的蓄电池串联12组，满足使用所需。3.5家用光伏发电系统逆变器的选择 选择PVsyst 系统自带的Back-upgenerator,1.5kW3.6太阳能光伏组件支架和基础的设计1.太阳能电池组件及方针支架的设计（1）屋顶支架的设计 屋顶类支架的设计要根据不同的屋顶结构分别讨论。 对于斜屋顶可设计与屋顶斜面平行的支架，支架的高度离顶面10cm左右，以利于太阳能电池组件的通风散热，也可以根据最佳倾斜角角度设计成前低后高的高架，以满足电池组件的太阳能最大接受量。 对于平面屋顶一般设计成三角形支架，支架倾斜面角度为太阳能电池的最佳接受倾斜角（2）地面方阵支架的设计。地面用光伏方阵支架一般都是用角钢制作的三角行支架，其底座是水泥混凝土为基础，方阵组件排列有横向和纵向排列两种方式。横向排列每列放置3-5块电池组件，纵向排列每列放置2-4块电池组件。2.防雷器件 防雷器件是用于防止雷电浪涌入太阳能电池方阵、交流负载或电网保护装置。对于输入路数较少的系统，也可以在太阳能电池方阵的总输出电路中安装，防雷器件接地侧的接线可以一并接到接线箱的主接地端子上7。3.7防雷与接地系统的设计 由于光伏发电系统的主要部分都安装在露天状态下，且分布的面积较大，因此存在着直接或间接雷击的风险。同时，光伏发电系统与相关电器设备及建筑物有直接的链接，因此对光伏系统的雷击还会涉及相关的设备和建筑物及用电负载，为了避免雷击带来的损害，就要设置防雷与接地系统进行保护。 根据当地情况，可采用避雷针、避雷带和避雷网等保护措施。 太阳能电池组的选址要尽量避免放置在容易受雷击的地方，避免避雷针的投影落在太阳能电池组上。第四章 家用光伏发电系统仿真优化结果 1.年损耗结果如下图4。图4年损耗从图中可看出年产生电量为1314kwh，用户接受到的电量为1110kwh。接近年发电量，满足用户年用电量的需求。2.太阳能辐射参考如下图5图5太阳辐射从图5可以看出1-4月太阳辐射量相对较低，5-7月辐射量逐渐增强，7-12月太阳能辐射量变化较小。平均辐射量为3.111kwh/m2/day。3.标准产能结果分析如下图6图6标准产能从图中显示不可用的能量为0.07kwh/kwp/day,收集损失的能量为0.9kwh/kwp/day,系统损失和电池充电-0.39kwh/kwp/day,传输到用户的能量为2.53kwh/kwp/day。4.转化效率结果如下图7转化效率转化效率达到90%以上，本小组设计系统比较成功。5.方阵日输出图8图8日输出斜率越大表示光伏发电系统效率越高，当某日辐射量较大，但是产能较小时，可能是温度较高光转化效率减小导致的。6.方阵每天输出能量图9.图9日输出能