【独栋别墅光伏用电系统设计6400字】

独栋别墅光伏用电系统设计摘要全球资源在人类大规模工业化、城市化过程中日益减少，尤其是石油、天然气等不可再生的资源越来越少。全球已探明的石油、天然气和煤炭储量将分别在今后40年、60年和100年左右耗尽。资源能源危机集中体现在人类对资源能源的激烈争夺上。所以，我们要应对资源能源日益短缺带来的挑战，通过绿色发展达到节约资源能源的目的。我们要根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。人类要解决能源问题，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能和风能等清洁能源以其独具的优势，将在世界能源结构中成为主导能源。由于，风能、潮汐能等受环境因素影响较大，因此太阳能成为内地清洁能源使用的主流。为了规避太阳能的不稳定性所造成的供电不稳，不能持续供电等问题，我们选用市电互补系统来进行家庭用电设计。并以此来例证，大力推进光伏发电的可行性。市电互补太阳能供电系统又称分布式光伏发电系统，特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。本文以六安市区独栋别墅为例进行光伏用电的分析。根据光伏发电系统的原理，独栋别墅的负载分析，选择出合适的蓄电池、逆变器和控制器。通过分析六安地区太阳高度角确定光伏屋面板安装的角度以及太阳能电池板阵列设计及选型。以实例来说明光伏发电的可行性，以促进太阳能光伏发电的发展。关键词：光伏-市电互补系统、光伏控制器、离网逆变器1光伏发电系统的分类与组成1.1光伏发电系统的分类光伏发电系统分为独立光伏发电、并网光伏发电和分布式光伏发电独立光伏发电也叫离网光伏发电。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。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。  并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。

 分布式光伏发电系统又可分为集中式大型并网光伏电站和分布式光伏系统。集中式大型并网光伏电站的主要特点是能将所发电直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。而分布式光伏系统，有投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点。1.1光伏发电系统的组成主要是由以下三个部分组成：输入部分（包括光伏阵列和直流汇流箱）、逆变部分（主要是逆变器）、输出部分（主要是交流配电箱，或者隔离变压器-如果是工频隔离型逆变器的话)。光伏电池方阵的作用是将太阳辐射能直接转换成电能,供给负载使用。般由若干太阳电池组件按一定方式连接,再配上适当的支架及接线盒组成。

蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能贮存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。在光伏发电系统中，蓄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，这部分贮存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础.上还要加.上小.得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电，(同时方阵还要给负载用电)，晚上则负载用电全部由.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，要求较高场合的也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。

控制器在不同类型的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能多少及复杂程度差别很大，需根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在简单的太阳电池,蓄电池系统中，控制器的作用是保护蓄电池,避免过充，过放。若光伏电站并网供电，控制器则需要有自动监测、控制、调节、转换等多种功能。如果负载用的是交流电，则在负载和蓄电池间还应配备逆变器，逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的.低压直流电逆变成220伏交流电,供给负载使用。2光伏-市电互补系统在建筑物中的应用2.1项目情况介绍该工程处于安徽省六安光照时间较长，地理条件优越，太阳能电池板理想斜面安装，年辐射量可达1300kW•h/㎡～1400kW•h/㎡，很适合发展光伏项目产业。该工程位于裕安区北部，是一栋总面积达到405.78㎡的独栋别墅，地下一层地上两层。屋顶面积达到108.98㎡,很适合进行屋面太阳能板的安装。2.2项目负载计算一、三相短路电流计算确定基准值：取Sd=100MVA,Ud1=Uc1=10.5KV,Ud2=Uc2=0.4KV；Id1=Sd/(√3Ud1)=5.50kA;Id2=Sd/(√3Ud2)=144.34kA;计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值电力系统电抗标幺值：X1*=Sd/SOC=100MVA/500MVA=0.2;(2)电缆线路电抗标幺值：X0=0.35Ω/KM,X2*=X0LSd/Uc12=0.35×6×100/10.52 =1.9;(3)电力变压器的电抗标幺值：(查表得变压器得阻抗电压Uk％=4.5)X3*=X4*=(Uk％Sd)/100SN=(4.5/100)×(100MVA/1000MVA)=4.5;绘制短路等效电路如图6-2所示：K-1点的短路电流计算总电抗标幺值：X*Σ(K-1)=X*1+X*2=0.2+1.9=2.1三相短路电流周期分量有效值：I(3)K-1=Id1/X*Σ(K-1)=5.5kA/2.1=2.6kA其他三相短路电流：I"(3)=I(3)∞=I(3)K-1=2.6kAi(3)sh=2.55×2.6kA=6.63kAI(3)sh=1.51×2.6kA=3.926kA三相短路容量：S（3）k-1=Sd/X*Σ(K-1)=100MVA/2.1=47.6MVA;K-2点的短路电流计算（1）总电抗标幺值：X*Σ(K-2)=X*1+X*2+X*3/2=0.2+1.9+4.5/2=4.35三相短路电流周期分量有效值：I(3)K-2=Id2/X*Σ(K-2)=144.34kA/4.35=33.18kA其他三相短路电流：I"(3)=I(3)∞=I(3)K-2=33.18kAi(3)sh=1.84×33.18kA=61kAI(3)sh=1.09×33.18kA=36.2kA三相短路容量：S（3）k-2=Sd/X*Σ(K-2)=100MVA/4.35=23MVA以上计算短路电流如表6-1：短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAI(3)KI"(3)I(3)∞i(3)shI(3)shS(3)KK-12.62.62.66.633.92647.6K-233.1833.1833.186136.223负荷计算负荷密度法：P30=KpS/1000照明（楼上1F~2F,60~80W/m²,取50W/m²,Kd为0.7~0.9，取0.9;地下室40W/m²,Kc=0.7)1F~2F:P1=316.29m²*0.05kW/m²*0.9=14.23kW-1F:P2=89.52m²*0.04kW/m²*0.7=2.51kWb.动力计算（-1~2F,90W/m²,Kc为0.7)P3=405.78m²*0.09kW/m²*0.7=25.56kW总负荷：P30=P1+P2+P3=42.30kW无功补偿后的功率因数：0.95变压器最佳负荷率：0.7根据无功补偿后的功率因数及变压器最佳负荷率确定变压器容量为S30=P30/βcosø=25.56/(0.7*0.95)=38.44kVA三、照度计算1.房间参数房间类别：起居室照度要求值:100.00LX,功率密度不超过6.00W/m²房间长度L:8.00m,房间宽度B:7.00m,计算高度H:4.5m,顶棚反射比(%)：80,墙反射比(%)：50,地面反射比(%)：30室形系数RI:1.772.灯具参数:型号:飞利浦TLD58/865,单灯具光源数:1个灯具光通量:2500lm,灯具光源功率:58.00W镇流器类型:TLD标准型,镇流器功率:5.00W3.其它参数:利用系数:0.64,维护系数:0.80,照度要求:100LX,功率密度:7.00W/m²4.计算结果:E=NΦUK/AN=EA/(ΦUK)其中：E照度Φ光通量lmN光源数量U利用系数工作面面积m²K灯具维护系数计算结果:建议灯具数:1,计算照度:199.2LX实际安装功率=灯具数×(总光源功率+镇流器功率)=63.00W实际功率密度:6.27W/m²,折算功率密度:6.29W/m²5.校验结果:要求平均照度:100.00LX,实际计算平均照度:199.2LX符合规范照度要求!要求功率密度:7W/m²,实际功率密度:6.27W/m²符合规范节能要求!2.房间参数房间类别：卧室照度要求值:75.00LX,功率密度不超过6.00W/m²房间长度L:4.00m,房间宽度B:5.00m,计算高度H:4.2m,顶棚反射比(%)：80,墙反射比(%)：50,地面反射比(%)：30室形系数RI:1.772.灯具参数:型号:飞利浦TLD30/29,单灯具光源数:1个灯具光通量:2100lm,灯具光源功率:30.00W镇流器类型:TLD标准型,镇流器功率:5.00W3.其它参数:利用系数:0.64,维护系数:0.80,照度要求:300LX,功率密度:6.00W/m²4.计算结果:E=NΦUK/AN=EA/(ΦUK)其中：E照度Φ光通量lmN光源数量U利用系数工作面面积m²K灯具维护系数计算结果:建议灯具数:1,计算照度:70.84LX实际安装功率=灯具数×(总光源功率+镇流器功率)=35.00W实际功率密度:5.87W/m²,折算功率密度:5.29W/m²5.校验结果:要求平均照度:75.00LX,实际计算平均照度:70.84LX符合规范照度要求!要求功率密度6W/m²,实际功率密度:5.87W/m²符合规范节能要求!综上其他房间灯具安装布置如下图所示：楼层名称灯具数量功率总功率-1F健身室TLD30/83023060酒窖TLD18/83011818储藏间TLD18/83011818卫生间TLD18/830118181F餐厅TLD36/83013636厨房TLD30/83013030起居室TLD58/865FBH057145818130卧室TLD36/83013636卫生间TLD18/83011818车库TLD36/830136362F主卧室TLD36/830TLD30/83011363066儿童卧室TLD36/830TLD30/83011363066走廊FBH057118182.3太阳板辐射量与最佳倾角一、太阳年辐射量根据查阅资料可得在安徽六安当地太阳年辐射量可达1300kW•h/㎡～1400kW•h/㎡，我们取1350kW•h/㎡为年均辐射量。表2-1太阳辐射量与发电量计算公式通用公式为：发电量=太阳辐射量×电池板总面积×组件转换效率×0.28×系统效率

太阳辐射量（MJ/平方）

组件总面积=组件面积×组件数量（平方）组件效率=组件瓦数/组件面积/10（%）

1MJ/平方=0.28KWh/平方

系统效率不固定，受影响因素有环境温度和组件表面清洁度等。根据表2-2所示，太阳能板参数来看，我们选择型号为180W,尺寸为1580*808*45的太阳能组件。其发电量为：组件总面积=1.580m*0.808m*72=91.92㎡组件效率=180W/91.92㎡/10%=19.6%因为1MJ/平方=0.28KWh/平方所以1350kW•h/㎡/0.28=4821.43MJ/平方发电量=4821.43MJ/㎡*91.92㎡*19.6%*0.28*17%=4134.75kWh表2-2二、最佳倾角的选择我国在北半球,对应最大日照辐射接收量的平面是朝向正南面的,与水平面夹角度数应当是与当地纬度相当的倾斜平面,因此我们在计算固定安装的太阳能电池组件要据此角度进行倾斜安装。阵列倾角确定后,要注意南北向前后阵列间要留出合理的间距,以免前后出现阴影遮挡,前后间距为:冬至日(一年当中物体在太阳下阴影长度最长的一天)上午9:00到下午3:00,组件之间南北方向无阴影遮挡。固定方阵安装好后倾角不再调整。计算当太阳能电池组件方阵前后安装时的最小间距

D

,如下图所示：图2-3一般确定原则:冬至当天早9:00至下午3:00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。计算公式如下:太阳高度角公式:sinα=

sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cosω太阳方位角的公式:sinβ=cosδsinω/cosα式中φ为当地纬度为33.5度;δ为太阳赤纬,冬至日的太阳赤纬为-23.5度；ω为时角,上午9:00的时角为-45度。即：本项目太阳电池组件纵向单块放置,晶体硅太阳电池组件尺寸为1580*808*45。通过以上公式计算得知:太阳电池组件阵列间距:

D=615mm因此,当太阳电池组件阵列间距为615mm时可以保证两排阵列在上午9点到下午3点之间前排不对后排造成遮挡。太阳能组件的安装支架及组件安装过程中，遵循的要求就是重量轻、成本低、高可靠、非破坏几个方面，所以在制作组件时，只要满足使用要求及环境要求就可以，环境要求指根据各地的气候，主要能承受相应风力即可，该项目设计采用双排组件布板方式，安装结构如图所示。该结构安装简单快捷安全，既提高了系统的安装效率。又降低了安装成本。屋顶电站轻型安装方式的高可靠性、施工便捷性、低成本，轻量化，可为分布式光伏电站投资方、建设方、运营商带来容量最大化、缩短建设施工周期、减低投资成本等客观的经济效益。图2-42.4光伏-市电互补系统的选用市电互补系统的好处是：在有市电地区增加光伏系统，可有效减少市电的使用，降低化石燃料对环境的污染和生态系统的破坏。系统由光伏组件、光伏控制器、储能电池、市电、AC/DC转换模块组成，通过不同的系统方案设计达到最大化的能量利用。目前市面上关于市电互补有三种常用的方案。方案一：光伏通过光伏控制器给储能电池充电，储能电池提供电能给逆变器，离网逆变器将直流转换成交流提供给负载使用。在储能电池过放时，离网逆变器自动切换到市电给负载供电，满足负载不间断供电。储能电池过放恢复后，自动切换到光伏系统供电。该方案的好处是系统比较简单，并且造价成本比较低，在经济条件不好的地区可以使用该种方案。但该方案的缺点也是比较明显的，此方案中储能电池可能长时间处在过放状态，容易造成电池的损坏。方案二：光伏通过光伏控制器给储能电池充电，储能电池提供电能给逆变器，离网逆变器将直流转换成交流提供给负载使用。在储能电池过放时，光伏控制器发信号接通市电，市电经过AC/DC转换后给蓄电池充电，在储能电池过放恢复后，光伏控制器断开信号，市电停止给储能电池充电。通过光伏控制器参数设置可以满足系统不间断供电。该方案的优点是保证储能电池工作的最佳状态，并且可以有效地延长储能电池的寿命，使用更为长久。该方案的缺点是会增加AC/DC转换模块，使得造价成本偏高。方案三：光伏通过光伏控制器给储能电池充电，储能电池提供电能给逆变器，离网逆变器将直流转换成交流提供给负载使用。在储能电池过放时，光伏控制器发信号接通市电，市电经过AC/DC转换后给蓄电池充电，离网逆变器自动切换到市电给负载供电，在储能电池过放恢复后，光伏控制器断开信号，市电停止给储能电池充电，同时离网逆变器也切换市电自动恢复到光伏系统供电。通过光伏控制器、离网逆变器参数设置可以满足系统不间断供电。该方案的优点是能够有效保证储能电池的使用寿命，并确保负荷不间断的供电。与上面两个方案相比，该方案优点显著，但是该方案最大的缺点是造价成本比较高。综上，将三种方案进行对比后我们选择方案三为本次独栋别墅光伏供电设计的总方案。下图为光伏设计的效果图。3其他电气设备的选择3.1变压器的设计忽略损耗，本文光伏发电系统是在用侧进行并网的，并网的电网线电压有效值为380V因此需要使用变压器将逆变器输出的电压升高到380V，变压器的变比应为424／380目前光伏并网逆变器主电路中的变压器通常采用星三角形联结，本文选取的星三角型联结的变压器。从图中可以看到三角形可以在三相绕组中形成环流能够对零序电流起到抑制作用此外由于低压侧和高压侧隔离逆变器与电网之间电气隔离，电网的高电压不会影响到逆变器，这样就提升了整个光伏并网发电系统的安全性。3.1逆变器的选择太阳能电池产生的直流电需转换成交流电后，才能为普通的交流设备供电，因此需增加逆变器来实现直流—交流转换。对于逆变器的选用，不仅需要从输入直流电压的范围、输出波形、输出效率、输出特性等方面考虑，也要兼顾其性价比和安全稳定可靠性，逆变器应具有抗干扰能力、环境适应能力、顺势过载能力及各种保护功能。该工程采用单台40kW带隔离变压器的三相并网逆变器，其防护等级为IP65，安装在室外屋顶墙体上。40KW组串式逆变器的基本参数见表24）并网低压配电箱的设置小型分散式光伏发电系统经过逆变器整流后，转换成AC380V50Hz电源，光伏电源需与正常电网之间设置合理的并网方式，保证电源的可靠运行。小规模建筑用光伏发电系统并网接入点一般选择在低压配电箱，在设备配电箱进线处设置双电源转换开关，当光伏发电系统的电量充足的情况下完全由光伏电源为该系统下的负荷供电，当阴雨天气太阳能发电量不足或者光伏电路发生故障不能正常供电时，将供电电源切换到市电电源。该项目并网低压配电箱安装在楼顶机房外墙上，配电箱一路进线引自光伏发电系统逆变器，另一路进线引自市电。当光伏系统发电量充足的情况下，引自光伏系统回路的进线开关处于闭合状态，否则投切到市电回路，使进线开关闭合，确保该配电箱进线母排一直处于通电状态。