包元元-家用独立光伏发电系统的优化设计

目录目录1摘要1引言21设计课题32系统设计与计算42.1负载计算42.2.倾斜角计算42.3蓄电池计算62.4光伏组件计算82.5控制器选型93仿真结果分析103.1全年损耗分析103.2全年产能分析123.3系统能量利用率及用户需求满足率133.4方阵日均输入/输出能量144结语155参考文献15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、独立系统引言 随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，有限的化石能源的消耗量逐渐增大，由此导致世界能源危机日益加剧。光伏发电技术可直接将太阳光转换成电能,没有任何污染,有助于解决全球变暖的问题和我国的能源安全问题。户用光伏发电系统又叫离网型光伏发电系统，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。具有功率小、安装方便、维护简单等特点。近年来,我国在太阳能光伏发电领域出现了日新月异的变化,光伏企业犹如雨后春笋般地呈现.通过”送电到乡”等工程,光伏系统已经解决了许多边远地区人口的供电问题。随着传统化石能源的枯竭,太阳能光伏发电这一清洁、可再生的新型发电方式成为能源结构中重要的替代能源太阳能光伏建筑一体化（BuildingIntegrated Photovoltaic,BIPV）是应用太阳能发电的一种新形式，简单的讲就是将太阳能发电系统和建筑的围护结构外表面如建筑幕墙、屋顶等有机的结合成一个整体结构，不但具有围护结构的功能，同时又产生电能供本建筑及周围用电负载使用。还可通过建筑物输电线路并网发电，向电网提供电能。太阳能光伏方阵与建筑的结合由于不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而备受关注本设计为太阳能发电在小型建筑中的简单应用，利用PVsyst5.11软件对其进行仿真设计 。根据太阳能的特点和实际应用的需要，我国政府一直把研究太阳能技术列入国家技术攻关计划，大大推广了我国太阳能产业的发展。1设计课题 本次要求为一个独立的单晶硅光伏发电系统来供给处于沈阳一个基本的家庭用电：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/天表1设计用户地区位于沈阳，查询资料知：经度：123.26，纬度：41.46，平均峰值日照时数：4.6012，气象参数：PVsyst软件自带。设计中选取蓄电池的最大连续供电天数为4天 。图12系统设计与计算2.1负载计算图22.2.倾斜角计算 设计以全年辐射量均衡冬半年最大为依据，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54（在此角度上夏半年的辐射量要大于冬半年）。倾斜面上平均日辐射量为3.93kWh/m,计算得到的倾斜面上的峰值日照小时数为3.93h。 图3图454度倾角上的月均日辐射量如下：图52.3蓄电池计算12V：是对于灯和电视使用的小型系统，用电器最大功率低于300W，对应电流为25A，逆变器小于1KW。24V：是对于小型电器和冰箱使用或电缆超过10m的中型系统，用电器最大功率低于1000W，对应电流为42A，逆变器小于5KW。48V：是对特殊工业和农业使用的小型系统，最大功率低于3000W，对应电流为62A，逆变器小于15KW。蓄电池组容量Bc计算公式为:C=SLKDOD式中，C蓄电池容量, S蓄电池供电支持的天数（一般取2.55.0d）, L负载平均每天用电量, DOD蓄电池放电深度（一般取0.6）, out -从蓄电池到负荷的效率:out = FoFi, Fo交流配电电路效率（一般取0.95）,Fi逆变器效率（一般取0.9）,K蓄电池放电容量修正系数（一般取1.2）等于蓄电池Amp-hour效率的倒数。负载安时数L=3040Wh/24V=126.7 Ah计算得C=1185Ah 蓄电池并联数一般为2，最多不超过4个，防止蓄电池之间形成环流、浪费电能。计算选择600Ah,2V的蓄电池蓄电池串联数=系统的工作电压24V 所选单个蓄电池电压2V =12个软件模拟结果如下：图6蓄电池具体参数如下：图72.4光伏组件计算峰值日照小时数Tm（h）为斜面上的3.93h修正系数（放分母）： 1.直流修正系数取0.82.充电修正系数取0.85 3.逆变器修正系数取0.9（直流不用） 据所选组件为37V、4.96A、太阳能电池组件并联数=负载日平均用电量L126.7AH 倾斜面上的峰值日照小时数Tm3.93h 组件的峰值电流4.96A 系统效率修正系数 11个）太阳能电池组件串联数=系统的工作电压24V近似峰值系数1.43单个组件的标准电压37V 1个太阳能电池组件总数=串联数并联数=11个）组件具体参数如下： 图82.5控制器选型控制器所能控制的太阳方阵最大电流 方阵短路电流IFscNpIsc1.25=114.961.25=68.2A式中， Isc组件的短路电流；1.25安全系数； Np是并联数。控制器的最大负载电流I =65A式中，PL用电设备的总功率近似为1000W；U控制器负载工作电压（即蓄电池电压）24V；K损耗系数，K取0.8。 软件模拟结果如下：图93仿真结果分析3.1全年损耗分析图10如图10所示，沈阳地区全年平均辐照量为1292kWh/m,方阵的转换效率为13%，阵列的全年发电能量为1394kWh， 负载端全年功耗1110kWh，用户全年功耗885 kWh。3.2全年产能分析 图11如图11所示为系统全年标准化产能，由图可看出2、3、4、5、11月份发电量最充足，在满足负载用电情况下，不仅满足蓄电池充满电，还有盈余，7、8月份发电量略有不足，不过影响不大。3.3系统能量利用率及用户需求满足率 图12图13 Globhor水平总的辐射、Globeff有效辐射、E avail可用的太阳能、E unused能量损失、E user用户使用的太阳能、E load负载端所需的能量、Solfrac负荷利用率注：PR=系统的产出/光伏组件收集的能量=系统的能量利用率 SF=系统的输出/用户的需求=用户需求满足率由图12，图13可知该设计可以很好满足用户要求，并且有剩余。由图13数据显示3、4、5月份 辐照量很大，发电增多，过多的电量未能被负载消耗，又电池处于饱和状态无法充电，故多余电能浪费。这是该系统的一个缺陷。3.4方阵日均输入/输出能量 图14图14为系统每日辐射能量与电能产出情况图，涵盖了一年中每一天的情况，每个点都为每天的平均输入产出情况。从图中我们可以了解系统的能量效率。斜率越高效率越高， 图中某些点辐射很大但产能很低，主要是辐射导致电池板温度升高发电效率降低。4结语方法蓄电池组件容量Ah型号串联 并联 功率W型号串联 并联 PVSYST582 291Ah6V421.0kwp170w16公式1185600Ah2V1221.87kwp170w111软件与公式所选出的蓄电池与组件的容量相差甚远，公式计算所得的容量几乎都是软件模拟的2倍。原因可能有以下几点：1.软件模拟以某一年的天气为基础，更符合实际。2.软件模拟把诸多因素考虑进去，而公式计算只考虑几个重要的因素。 本设计应用结合光伏建筑一体化基本知识，结合小型用户用电量需求，并考虑到可靠性经济性，设计了一种满足小型用户使用的独立光伏发电系统。设计中，先通过简单计算确定太阳电池、蓄电池、控制器、逆变器等的设计参数及限制条件，然后利用PVsyst软件对系统进行模拟仿真，最后对输出结果进行分析讨论。实验结果显示， 本设计能胜任用户用电需求，过进一步完善改进，可以用于实际生活之中。5参考文献1杨金焕、于化丛、葛亮，太阳能光伏发电应用技术M.北京:电子工业出版社,2009.1.2李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护M.北京:人民邮电出版社, 2010.1.3周志敏、纪爱华，太阳能光伏发电系统设计与应用实例M.北京:电子工业出版社,2010.4QiuXinfa,ZengYan,etal.Estimation of annual actual evapotranspiration from nonsaturated land surfaces with conventional meteorological dataJ. Science in China(Series D:Earth Sciences),2004,3:299 303.5葛亮、杨金焕等，独立光伏系统的计算机优化设计方法C.21世纪太阳能新术2003年中国太阳能学会学术年会议论文集, 2003.6陈耀、独立光伏系统蓄电池的选择J.电源世界, 2011, 6:47 49.7李杰慧、刘祖明，独立光伏系统中光功率与蓄电池容量的匹配设计C.21世纪太阳能新技术2003年中国太阳能学会学术年会议论文集, 2003.8李杰慧、刘祖明、李景天，固定式独立光伏系统中光伏方阵设计C.21世纪太阳能新技术2003年中国太阳能学会学术年会议论文集2003.139杜宗伟、姜凤利等，户用光伏发电系统设计与研究J.农业网络信息,2011,11:3841.10杨金焕、黄晓橹、陆钧，一种独立光伏系统设计的新方法J.太阳能学报,1995,4(16): 407414.11Pang Huey, Close Jos