济南地区家用太阳能光伏发电系统.docx
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济南地区家用太阳能光伏发电系统
家用太阳能光伏发电系统
总体设计方案
二零一三年五月二十五日
工作任务单
工作计划表
一、太阳能光伏发电的发展状况
太阳能光伏发电是目前发展最为迅速、并且前景最为看好的可再生能源产业之一。
自1990年以来，全球光伏组件年度产量从46兆瓦增加至2010年的23.5GW，20年期间增加了500倍以上，年均复合增长率超过36.5%。
截至2010年全球光伏发电累积装机容量达到了40GW，近5年的增长率超过了49%。
这一增速使得光伏产业成为到目前为止增长最快的产业之一。
展望未来，国际能源署预计到2020年光伏发电在许多地区能够实现电网平价，到2050年能够提供全球发电量的11%。
1、发展现状
2011年9月5日，欧盟联合研究中心能源与交通研究所发布了其年度统计分析报告《光伏现状报告2011》，对全球超过300家相关企业的调查结果进行总结和评估。
根据报告，从光伏组件生产情况来看，过去数年经历了重大变化，中国大陆已成为全球主要的太阳能电池和组件制造中心，其后是中国台湾、德国和日本。
全球前20位太阳能电池制造商中，有8家中国大陆企业、5家欧美企业、4家台湾企业、3家日本企业，中国大陆有6家企业进入前十位。
而从光伏装机情况来看，欧盟凭借其累计装机容量超过29GW，领先于其他国家和地区。
截至2010年底，欧洲光伏装机占到全球光伏装机总量的70%以上。
在价格方面，受光伏市场从供应受限向需求驱动转变，以及光伏组件产能过剩的影响，过去3年内光伏组件价格大幅降低，降幅接近50%。
未来光伏系统成本的降低将不仅取决于太阳能电池和组件的技术改进和规模扩大效益，还取决于系统组件成本以及整体安装、规划、运行、许可与融资成本的降低。
预计，光伏技术领域的投资将从2010年的350～400亿欧元翻倍增长至2015年的700亿欧元，组件终端价格还将持续下降。
在技术发展方面，结晶硅太阳能电池仍是主流技术，2010年其市场份额约占85%，目前，该技术主要优势是能够在相对较短的时间内提供、组装和开工生产。
但由于硅原料的阶段性短缺和为新进企业直接提供交钥匙生产线的出现，使得2005～2009年，薄膜太阳能电池的投资有大幅度的增加，目前该行业已有超过200家企业。
此外，聚光光伏（CPV）是一个新兴市场，包括两种技术途径：
一种是高聚光倍数，超过300个日照强度；另一种是中低聚光倍数，聚光系数在2～300之间。
目前CPV的市场份额还很低，但有越来越多的企业开始关注该领域。
2008年CPV产量约为10兆瓦，2010年预计在10～20兆瓦之间，到2011年有望达到100～200兆瓦。
此外，受到光伏市场整体增长驱动，染料敏化太阳能电池也已准备进入市场，此种电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成，欧、美、日等发达国家已投入大量资金对其进行研发。
2、竞争力
2011年9月6日，欧洲光伏产业协会（EPIA）发布了最新光伏竞争力分析报告《太阳能光伏在能源部门的竞争在竞争的道路上》，全面分析了5个太阳能光伏产业主要市场，包括法国、德国、意大利、西班牙和英国。
分析结果表明，一些国家最早于2013年可实现光伏产业竞争力，到2020年可在更广泛的市场实现竞争力。
近年来已证明在合适的监管框架下，太阳能光伏发电技术可以成为达到欧盟2020年能源目标的一个主要贡献力量。
报告主要结论包括：
在未来10年内，所有国家和各细分市场的光伏发电系统价格将下降36%～51%；考虑到光伏发电效率的提高、规模经济和光伏市场的发展成熟，以及所有电力来源发电成本的增长趋势，2020年前光伏可在欧盟5个最大的电力市场中具有竞争力；鉴于多数欧盟大国从南到北的太阳能辐射水平不同，以及不同的细分市场，欧洲各地不会在同一时间实现光伏技术的竞争力；整个欧洲范围光伏竞争力的实现将需要监管框架的政治承诺，支持技术发展，并消除市场畸变。
3、制约因素
如同其他任何新兴产业一样，光伏产业也存在着若干不容忽视的问题，将会制约其进一步发展。
国际社会对光伏产业发展的制约因素也有着不同声音：
3.1光伏发电蓬勃发展或造成铅污染
美国田纳西大学Knoxville分校土木与环境工程助理教授ChrisCherry领导的一项研究发现，由于太阳能光伏发电严重依赖铅酸蓄电池进行储能，到2022年，中国和印度太阳能光伏产业直接造成的铅污染可能相当于2009年全球铅产量的三分之一；这两个发展中国家由于在铅采选、冶炼、制造和重复使用生命周期环节的低效率，可能会产生超过240万吨的铅污染物；其他发展中国家也可能会出现类似的问题。
研究指出，铅金属采选和冶炼业应进行技术改造以提高转化效率，太阳能光伏产业界应该开展铅回收和循环利用计划；而政府在国家太阳能发电计划中需要考虑到向铅蓄电池行业环境保护方面进行投资、制定电池回收政策等措施。
如果情况得不到改善，铅电池的使用将导致环境的污染以及工人和儿童的铅中毒，如神经损伤、肾功能衰竭、心血管系统及生殖系统问题。
3.2材料短缺将阻碍薄膜光伏发展
2011年7月，英国能源研究中心（UKERC）发布了题为《材料的可用性：
未来低碳经济的潜在制约因素》的报告，基于太阳能电池厚度、转换效率和其他材料使用的主要驱动因素等不同假设，对全球铟和碲的需求与供应情况进行了评估。
报告指出，铟和碲是目前主流薄膜太阳能电池（CIGS、CdTe）的关键材料，尽管目前薄膜光伏市场增长迅速，但短期内光伏设备的材料需求能够得到满足；而从长期来看，如果未来20年的市场增长速度与一些高增长预测情景相一致甚至超出，薄膜光伏设备的材料需求将大大超过当今全球的生产量，如碲需求的增长可能会高达1800%，铟（也用于平板显示器的制造）产量可能需要增加12%～170%。
而且有关这两种稀有金属未来供应的信息不够充分（如不同来源的产量、储量或资源量预测值相差甚远），现有研究工作无法确定产量的扩大能否满足需求，还需要开展更多的工作及收集更加全面的数据来深入探讨这一问题。
3.3利用光伏发电需要因地制宜
2011年7月6日，美国电气和电子工程师协会（IEEE）终身会士PrabhuDeodhar指出，目前，世界上一些国家正计划建设或已建设了大量兆瓦级太阳能光伏电站，但基于以下原因，许多专家都认为建设如此多的大型集中式太阳能发电站是浪费投资和滥用技术。
①一般常规电厂（水电或火电）需要在临近能源资源处建造，这就要求付出巨大的成本将电力输送到负荷中心。
而由于太阳能是无所不在的，可在需要能源的地方就地收集利用，是理想的分布式电源，避免了高压输电造成的线损。
②光伏发电具有真正的模块化优势。
它可以通过从数千瓦到20兆瓦甚至200兆瓦的不同规模实现成本效益。
一座10千瓦电站或150兆瓦电站的每瓦太阳能发电成本相同，但土地成本和其他“软成本”使得大型电站更加昂贵。
因此，大型太阳能光伏电站没有“规模优势”。
事实上，由于逆变器的功率有限，所有兆瓦级太阳能电站基本上是若干500千瓦电站的集群，用一百座500千瓦电站来代替单个50兆瓦电站更切实际。
③兆瓦级太阳能光伏电站最大的问题在于，当电能通过一系列电力变压器后，损耗率达到12%～15%。
太阳能光伏用400伏三相逆变器产生电力。
在大型电站中，首先通过几个电力变压器将电压提高到66千伏或是更高，然后再通过变压器组降至400伏以满足消费者的需求。
此外，在电网传输中还有5%～7%的损耗。
而与此形成鲜明对比的是，规模较小的太阳能发电站靠近用户，在输送过程中几乎没有能量损失。
④太阳能光伏发电的一个主要限制是每千瓦占用空间较大，土地可以采用更有价值的使用方式，而不是被太阳能电池组件所覆盖。
大型太阳能电站往往建在偏远地区，会导致环境问题或与农业用地产生冲突。
大型集中式电站相关的安全和维护问题也日益突出。
⑤电力在电网中的流动方式和其电网结构的分析。
大量的电力在电网中始终循环在66千瓦或132千瓦的水平。
即使并入200兆瓦电力也只是极小的一部分。
所以这样的容量提升并没有解决类似停电和电网终端“高阻抗”大幅波动的问题。
相比于大型电站，400伏馈电通常能够切实减轻电网阻塞。
电压波动的发生是由于电网的高阻抗，就地回馈400伏太阳能电力将立即降低电网的阻抗，并提供稳定、清洁的能源。
总之，光伏产业作为代表性清洁能源新兴产业，对应对能源问题，缓解气候变暖起着重要作用。
但在蓬勃发展的光环下仍存在着如环境污染、材料短缺、规模问题等诸多负面因素。
如果对此没有充分认识，并综合包括政府、学界、产业界、公众等各利益相关方的意见进行统筹规划、进行技术的升级改造和因地制宜的应用，将不可避免地对光伏产业未来发展造成严重影响。
二、我国光伏发电应用的情况
太阳能电池及光伏发电系统现在已经广泛应用于工业、农业、科技、国防及人们生活的方方面面，预计到二十一世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有一定比例。
太阳能光伏发电的具体应用主要有以下几个方面。
1通信领域的应用
2公路、铁路、航运等交通领域的应用
3石油、海洋、气象领域的应用
4农村及边远无电地区应用
5太阳能光伏照明方面的应用
6大型光伏发电系统的应用
7太阳能光伏-建筑一体化并网发电系统
8太阳能电子商品及玩具的应用
目前，我国光伏发电的应用市场处于起步阶段。
2010年，我国新增光伏发电装机约500MW，累计达800MW。
但与我国飞速发展的光伏制造业相比，在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。
2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW，到2007年年底达到1088MW，超过欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），跃居世界第一位。
2010年，我国太阳能电池产量达到8GW，约占全球光伏电池产量的一半。
中国要达到国际能源署技术路线图中提出的光伏发电比例的全球平均水平，累计光伏安装量在2020年前需要达到60GW光伏，2030年达270GW。
当前我国光伏发电应用项目有以下三类：
1.太阳能光电建筑应用示范项目
2009年3月财政部印发了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》的通知，推动太阳能光电建筑应用示范项目的发展。
主要内容包括：
（1）建材型、构件型项目：
补贴不超过20元/瓦；
（2）安装型项目：
补贴不超过15元/瓦；
（3）单项工程应用装机容量不小于50kW；
（4）转换效率要求：
单晶硅组件超过16%，多晶硅超过14%，非晶硅超过6%。
在该通知下发后，2009年9月下达首批项目，预算12.7亿元，91兆瓦，111个项目。
2010年第二批项目，预算11.95亿元，90.2MW,99个项目。
2.金太阳示范工程
2009年7月16日，财政部、科技部和国家能源局下发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，支持光伏发电技术在各类领域的示范应用及关键技术产业化。
主要内容包括：
（1）2009-2011年，原则上每省总规模不超过20MW；
（2）单个项目装机容量不低于300kW；
（3）业主总资产不少于1亿元；
（4）主要设备通过认证
（5）并网项目补50%，独立光伏项目补70%
2009年11月公布了294个项目，装机容量达642MW，总投资200亿元。
但是，由于种种原因，后来实际批准的只有200兆瓦。
在金太阳示范工程和太阳光电建筑应用示范工程实施一段时间后，针对实施过程中出现的问题，财政部、科技部、住房城乡建设部和国家能源局于2010年9月发布了《关于加强金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程建设管理的通知》，重新规定了关键设备统一招标、示范项目选择和调整和补贴标准的相关细则。
我国光伏发电的应用前景
我国的光伏制造业在技术上和成本上都具备了领先优势，随着光伏产品制造成本的不断降低和光电转换效率等技术指标的不断提升，光伏发电产业必然会在不远的将来具备与传统能源电力竞争的优势。
结合我国的地域和经济特性，可以从以下几个方面推动光伏发电在各个领域的规模化应用。
1.在城市比较集中的东、中部地区，应优先发展与建筑物相结合的屋顶光伏系统和光电建筑一体化。
我国东部和中部地区，人口密集，城镇化程度较高，土地资源相对紧张，屋顶光伏系统和光电建筑一体化能使能源供应系统与建筑物完美结合，不占用土地资源。
另外，东部和中部地区电价较高，发展屋顶光伏系统和光电建筑一体化经济条件也更为优越。
2.在西部太阳能资源丰富的地区推动大型并网光伏电站的建设。
我国西部地区太阳能资源丰富，地广人稀，在荒漠等不适宜种植农作物的区域发展大型并网光伏电站，能充分利用土地资源，所发电力还能在促进当地经济发展中发挥巨大作用。
3.在电网覆盖不到的边远地区，加强离网光伏电站的建设。
建设离网光伏电站不仅能节省架设电网线路的高额费用，而且能解决无电地区的用电问题，因此也是当前我国政府主推的光伏发电应用方式之一。
4.在已建成风电场的周边地区，有光照资源保障的，大力发展风光互补型项目。
随着我国风电的快速发展，风电装机规模实现了跳跃式的发展，但局限于目前的技术条件和风电的特性，“弃风”的现象比较严重。
光伏发电和风力发电能很好的结合，形成时间上的互补，保证上网电力的稳定性。
在有条件的风电场周边建设光伏电站，在解决风电上网的问题的同时也推动了光伏发电产业的发展。
5.试点推行直流光伏住宅等光伏与节能相结合的项目。
光伏发电产生的直流电需要通过逆变器转变成交流电才能使用，然而，在直流变交流的过程中会产生能量损失，直接使用光伏发电产生的直流电不仅是提高光伏发电使用效率的有效途径，同时也降低了发电系统的成本。
通过前期论证，冰箱、彩电和空调等家用电器直接使用低压直流电在成本和技术上均可行，发展直流光伏住宅项目也是今后光伏发电应用的一个重要方向。
与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。
交、直流混合系统则既能为直流负载供电，也能为交流负载供电。
综合以上分析考虑，这种系统非常适合我们的家用太阳能光伏发电系统。
我们决定采用独立太阳能光伏发电系统作为我们最终的系统。
三、系统分析定位及发电系统介绍
我们的家用光伏发电系统构成有：
①光伏组件方阵②蓄电池③控制器④变换器⑤用电负载⑥光伏发电系统附属设施等构成。
因此，我们的系统方案可以定义为独立太阳能光伏发电系统。
经过讨论分析，我们的家用光伏发电系统的系统类型为独立太阳能光伏发电系统。
具体来讲，我们的系统中有直流和交流两部分。
交流部分用于给电动车充电，直流部分用于系统的照明。
因此，系统类型也可叫做独立的交流及交、直流混合光伏发电系统。
独立太阳能光伏发电系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度大，小到0.3~2W的太阳能庭院灯，大到兆瓦级的太阳能光伏电站；其应用形式也多种多样，到家用、公交、通信、空间，等诸多领域都能得到广泛的应用。
尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。
独立太阳能光伏发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器、DC/AC变换器（逆变器）、用电负载等构成。
独立太阳能光伏发电系统基本构成如图2所示。
图2独立太阳能光伏发电系统构成
1、光伏组件方阵
太阳能光伏发电系统中最重要的是太阳能电池，它是收集太阳能光并转换成电能的核心组件。
实用中的太阳能电池是将若干单一太阳电池片经串。
并联组成的电池系统，称为电池组件（或电池板），具有独立电源的功能。
目前应用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池盒非晶硅太阳能电池等几种，其性
能如表1所示。
表1太阳能电池的类型及特点
类型
单晶硅
多晶硅
非晶硅
光电转换效率
12%-17%
10%-15%
6%-8%
使用寿命
15-20年
15-20年
5-10年
平均价格
昂贵
较贵
较便宜
稳定性
好
好
差（会衰减）
颜色
黑色
深蓝色
棕色
主要优点
光电转换效率高，工作稳定，体积小
工作稳定、成本低，使用广泛
价低，弱光性好，多用于计数器、电子表等
主要缺点
成本高
光电转换效率较低
光电转换效率最低，会衰减；相同功率的面积比晶体硅大一倍以上
综上因素考虑，我们的光伏路灯电动车充电站的太阳能电池板采用多晶硅。
2、蓄电池
蓄电池组是太阳能光伏发电系统中的储能装置，由它将太阳电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能储存起来，以供负载使用。
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。
蓄电池容量要受到末端负载需用电量和日照时间（发电时间）的影响。
因此，蓄电池的按时容量由预定的负载需用电量和连续无日照时间决定。
目前，太阳能光伏发电系统常用的是阀控密封铅酸（VRLA）蓄电池，深放电吸液式铅酸蓄电池等。
具体容量由计算分析得出。
3、控制器
控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池搞笑，安全，可靠的工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。
控制器对蓄电池的充放电进行控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载输出电能。
控制器是整个太阳能光伏发电系统的核心部分，通过控制器对蓄电池充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。
4、逆变器
在太阳能光伏发电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用DC/AC变换器（即逆变器），将太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转换为负载需要的交流电。
逆变器具有电路短路保护，欠压保护，过流保护，反接保护，过热保护，及雷电保护等功能。
5、用电负载
太阳能光伏发电系统按负载性质分为直流负载系统和交流负载系统，太阳能光伏发电系统设计时，必须考虑负载的功率，抗阻特性（电阻性，电感性或电容性）等。
四、济南太阳高度角、方位角的计算
济南地区太阳高度角、方位角、日照时间的计算
济南地区5月19日中午12时和下午3时的太阳高度角和方位角，以及该地区夏至日的日出日没时角及全天日照时间。
解①济南地区的纬度φ=36.88°
5月19日距夏至的时间n=33，则当日的赤纬角为：
δ=23.27°sin（360°×
）
=23.27°sin（360°×
）
=-17°
正午12时的时角τ=0°，下午3时的时角τ=15×3=45°。
中午12时的太阳高度角
由于φ＞δ，则
h=90°-φ+δ
=90°-36.88°+（-17°）
=36.12°
下午3时的太阳高度角
sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosτ
=sin36.88°sin（-17°）+cos36.88°cos（-17°）cos45°
=-0.71
h=-45°
下午3时的太阳方位角
sinγ=
=0.96
由此可得γ=73.7°
夏至日的太阳赤纬角δ=-23.45°，则
cosτθ=-tanφtanδ
=-tan36.88°tan（-23.45°）
=0.325
因此，济南地区夏至日的日出时角τθ出=-71.03°，日落时角τθ没=71.03°，全天日照时间
T=
arcos（-tanφtanδ）h
=2×
h
=9.47h
五、济南市太阳能资源分析
总辐射强度（W/m2）
频数（h/年）
累积频数（h/年）
频率（%）
累计频率（%）
（0，100）
727
727
17.1
17.1
［100，200﹚
825
1552
19.4
36.5
［200，300﹚
656
2208
15.43
51.93
［300，400﹚
562
2770
13.22
65.15
［400，500﹚
475
3245
11.17
76.32
［500，600﹚
368
3613
8.65
84.97
［600，700﹚
272
3885
6.40
91.37
［700，800﹚
192
4077
4.52
95.89
［800，900﹚
127
4204
2.99
98.88
［900，1000﹚
43
4247
1.01
99.89
［1000，1100﹚
5
4252
0.11
100.00
济南市辐射强度分析表
济南市位于北纬36°40′，东经117°00阳光区境内累年平均日照时数的1401.3小时，大多数年份1655.5小时（1963年），最少年1153.4小时（1981年）济南地区标准年的总日照时数可达4252小时，年太阳总辐射强度大于100W/m2的日照时数占到近90%，小时最大总辐射强度为1051W/m2，年总辐射强度约为1.4MW/m2。
按照光伏转换效率10%计算〔6〕，每年可获得的电能为140kW/m2。
济南地区标准年全年太阳总辐射强度频率分析
济南地区某日的太阳辐射强度曲线
峰值日照时数4、44h
系统要求：
蓄能天数为3天，蓄电池放电深度50%，转换效率85%；线损5%。
最佳安装角42°88′
用户需求分析
太阳能光伏发电系统所要带动的负载包括如下：
设备名称
型号
负载
数量（个）
工作时间（h）
日消耗电量（W·H）
电流（A）
节能灯
T2超亮全螺旋型
220V/23W
5
4
460
0.10
美的空调
KFR-26GW/BP2DN1Y-IA
220V800W
1
2
1600
3.64
索尼高清电视机
KDL-26EX550
220V150W
1
4
600
0.68
三星全自动滚筒式洗衣机（感性负责）
WF602U2BKSD/SC
220V300W
1
1
300
1.36
各种小型充电器
220V10W
4
40
0.05
系统配置三个阴雨天
用电总功率：
PL=1360W
总用电量：
3000（W·H）
光伏系统直流电压选用24V
蓄电池容量Cw=3·dQL=3×3×3000=27000（W`H）
蓄电池电压为12V，其安时容量为：
3·dQL/U=3000/12=2250A·h
太阳电池方阵功率的确定
平均峰值日照时数：
Tm=4.44h
太阳电池方阵功率Pm=1.5×QL/Tm=1.5×3000/4.44=1013.5W
根据计算结果，蓄电池选用12V/198A`h的VRLA蓄电池6个蓄电池组并联（一个电池组由两个同种型号的蓄电池串联）；太阳电池方阵选用140W（电压24V,电流5.1A）8块串并联，采用独立太阳能光伏发电系统。
七、光伏蓄电池的介绍及选型
1、光伏蓄电池选型
原理
铅蓄电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
（阳极）（电解液）（阴极）
PbO2+2H2SO4+Pb--->PbSO4+2H2O+PbSO4（放电反应）
（过氧化铅）（硫酸）（海绵状铅）
PbO2中Pb的化合价降低，被还原，负电荷流动；海绵状铅中Pb的化合价升高，正电荷流动。
[2]
（阳极）（电解液）（阴极）
PbSO4+2H2O+PbSO4--->PbO2+2H2SO4+Pb
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