本科毕业设计家用光伏并网发电系统的设计与优化Word格式文档下载.docx

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在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的30%—40%，对经济发展形成了一定的制约作用。

本文系统的介绍了家用光伏并网发电系统的设计思路以及理想化优化思路，涵盖了以下内容：

光伏发电的基本原理；

并网发电系统的构成及每个部分的用途、原理；

光伏发电系统的可行性即经济效益和环境效益分析；

光伏发电系统设计流程，包括倾角、阴影、系统配置的计算以及系统配置的选择和注意事项；

系统配电装置的设计和系统的防雷接地方法。

然而，并网光伏发电系统在国内算是新兴行业，对此了解的人并不是很多，部分非专业人士已有的了解也存在一定的误区。

本文通过查阅并总结大量相关资料并结合自己的实习心得对并网光伏发电系统的原理、构成、经济效益和环境效益、主要的技术以及系统设计等方面做了一个简单的阐述，希望能够从一个光伏行业新人的角度去帮助更多的人更加容易的了解并网光伏发电系统，同时可以给进入光伏行业的新人提供一定的参考。

阅读本文后，可以对并网光伏发电系统有个初步的认识和理解，可以纠正对某些易于混淆的概念的错误看法。

关键词：

光伏发电；

并网；

系统设计

TheDesignandOptimizationofHouseholdPhotovoltaicGridPowerGenerationSystem

Abstract

Inmodernsociety,peopleinacomfortablebuildingenvironment,thepursuitofmoreandmorehigh,leadingtotheconstructionofheatingandair-conditioningconsumptiongrowing.Indevelopedcountries,buildingenergyconsumptionhasaccountedfor30%oftotalenergyconsumptionto40%,formedacertainrestrictiononeconomicdevelopment.

Systeminthispaperthedesignideaofhouseholdphotovoltaic（pv）gridpowergenerationsystemareintroducedandtheoptimizationofideas,idealizedcoversthefollowingcontents:

thebasicprincipleofphotovoltaicpowergeneration;

Thecompositionofgridgenerationsystemandthepurpose,principlesofeachpart;

Photovoltaicpowergenerationsystem,thefeasibilityoftheanalysisofeconomicandenvironmentalbenefits;

Photovoltaicpowergenerationsystemdesignprocess,includingdipAngle,theshadow,thecalculationofsystemconfigurationandsystemconfigurationoptionsandmattersneedingattention;

Thedesignofthesystem,powerdistributionequipmentandsystemgroundingmethod.

However,gridconnectedphotovoltaicpowergenerationsysteminChinaistheemergingindustry,thisunderstandingisnotalotofpeople,somenonprofessionalsalreadyknowtherearecertainerrors.Inthispaper,throughconsultingandsummarizingtherelevantinformationandmakeasimpledescriptioncombinedwiththeirownpracticalexperienceforgridconnectedphotovoltaicpowergenerationsystemprinciple,structure,economicbenefitsandenvironmentalbenefits,themaintechnologyandsystemdesign,inthehopeofaphotovoltaicindustrynewperspectivetohelpmorepeoplemoreeasytounderstandthegridconnectedphotovoltaicsystem,providesthecertainreferenceandalsocangivethephotovoltaicindustrynew.Afterreadingthis,youcanhaveapreliminaryunderstandingofgridconnectedphotovoltaicpowergenerationsystem,theerrorscanbecorrectedviewsonsomeconceptseasytoconfused.

KeyWords：

photovoltaicpowergeneration；

grid-connected;

systemdesign

摘要I

3.1.1设计步骤..........................................................................................................15

3.1.2设计要点..........................................................................................................15

3.1.3设计地点和建筑物条件..................................................................................17

3.2.3太阳能光伏电池板的有效面积确定..............................................................19

3.2.4光伏发电系统容量的设计..............................................................................20

3.2.5光伏组件的电路..............................................................................................20

3.2.6发电系统容量中的光伏方阵数量的计算......................................................21

3.2.7光伏太阳能电池组件外型尺寸的确定..........................................................22

3.3家用光伏并网发电系统中逆变器控制器的设计.....................................................23

3.3.1逆变控制器的功能..........................................................................................23

3.3.2逆变控制器的设计要求..................................................................................23

3.3.3孤岛效应的危害..............................................................................................24

3.4家用光伏并网发电系统的附属设施的设计.............................................................25

3.4.1交流配电系统..................................................................................................25

3.4.2直流配电系统..................................................................................................25

3.4.3电缆的选择......................................................................................................25

3.4.4系统配电设置..................................................................................................26

3.4.5接地及防雷......................................................................................................28

3.5家用光伏并网发电系统的优化设想........................................................................28

3.5.1设想一采用跟踪系统......................................................................................28

3.5.2设想二合理化线路以及采用更加高效的输电转换设备..............................31

3.6家用光伏并网发电系统的效益和发展前景.............................................................32

3.6.1经济效益..........................................................................................................32

3.6.2未来展望..........................................................................................................32

引言

能源是现代社会存在和发展的重要基础。

随着全球经济的不断发展，能源消费也相应的持续增长。

随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越明显，且这种稀缺性造成能源商品的价格不断上涨。

在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。

其中，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。

中国于1958年开始进行太阳能光伏发电的研究，但是接下来的几十年，由于受到技术和价格等因素的影响，市场发展缓慢。

2000年开始，由于国际大环境的影响及政府项目的实施，带动了国内光伏产业的发展，造就了一大批光伏企业，促进了中国光伏产业的人才培养和能力建设。

2007年，中国太阳电池生产量超越日本而成为世界第一位，但是国内安装量较少，2007年的安装量只有20MW，累计电池安装量还不到世界的1%。

但近年来，由于美国和欧盟的双反造成出口受到制约，国内光伏的爆炸式增长造成产量严重过剩以及国内环境污染造成的雾霾天气增多等因素，政府出台了很多相应的政策促进了国内光伏的安装。

从“金太阳工程”到现在的分布式发电以及各地方政府的补贴政策，均大力推动光伏发电的发展。

太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称PV技术）。

太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少CO2和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。

目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电，而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。

近几年，我国光伏行业发展也非常迅速。

国家对光伏发电较为重视，国家和地方政府相继出台了一些列的补贴政策以促进光伏产业的发展，国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目，地方政府也陆续启动了光伏照明项目工程。

与此同时，偏远地区消费者逐渐认可光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。

光伏应用市场发展较为迅速。

但目前我国的太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距，主要表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。

因此我国还必须不断改进技术，使我国的太阳能光伏发电产业更上新台阶。

太阳能光伏系统利用的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。

太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。

它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。

不占用土地。

光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；

夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。

太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。

光伏建筑一体化还能起到建筑节能作用。

光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。

因此，发展太阳能光伏建筑一体化，还可以“节能减排”。

虽然光伏并网发电系统有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现。

这是由于家用太阳能光伏并网发电系统存有几大问题：

家用太阳能光伏并网发电系统造价较高，太阳能发电的成本高；

并且受天气气候的影响较大，发电不稳定，具有波动性，这是由于太阳并不是一天二十四小时照射引起的；

蓄电池的储电技术也不完善。

这些都是当下需要面对的问题。

因此我们可以根据上面的一些缺点或者难点对家用光伏并网发电系统进行适当的增改以增加其对太阳能的利用率以及提高发电效率。

1光伏发电原理

1.1内光电效应

内光电效应是指当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子—空穴对。

有很多人容易把内光电效应与外光电效应弄混淆（原子把电子打出金属的现象是外光电效应）。

1.2P型、N型半导体

P型半导体：

在硅晶体中掺入少量三价杂质元素（如硼），因硼原子最外层只有3个价电子，它与周围原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生空位，当相邻共价键上的电子受到热源振动或在其他激发条件下获得能量就有可能补充这个空位，硼原子便形成了不能移动的负离子，原来硅原子的共价键就会缺少一个电子，形成空穴。

N型半导体：

在硅晶体中掺入少量五价杂质元素（如磷），因磷原子最外层有5个价电子，它与周围原子组成共价键时，因多一个电子，在晶体中便产生一个多余的电子。

多余的电子容易受热激发而挣脱共价键的束缚而成为自由电子，自由电子移动后，在磷原子的位置便留下了一个不能移动的正离子[1]。

图1.1PN结

1.3PN结

在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。

在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。

N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。

当P型和N型半导体接触时，在界面附近，空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。

空穴和电子相遇而复合，载流子消失。

因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。

P型半导体一边的空间电荷是负离子，N型半导体一边的空间电荷是正离子。

正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。

PN结具有单向导电性，如果P型一边接正极，N型一边接负极，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过；

如果N型一边接正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过（如图1.1所示）。

图1.2太阳电池工作原理

1.4太阳电池发电原理

照到太阳电池上的太阳光线，一部分被太阳电池上表面反射掉，另一部分被太阳电池吸收，还有少量透过太阳电池。

在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子—空穴对，也称光生载流子。

这样形成的电子—空穴对由于热运动，向各个方向迁移。

光生电子—空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。

在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在N区，光生电子—空穴对产生后，光生空穴便向P—N结边界扩散，一旦到达P—N结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区，进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。

P区中的光生电子也会向P—N结边界扩散，并在到达P—N结边界后，同样由于受内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴（多数载流子）则被留在P区。

因此，在P—N结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。

这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏打效应[2]（如图1.2所示）。

2家用光伏并网发电系统的构成

并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。

并网太阳能光伏发电系统相比离网光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了成本。

并网光伏发电系统可以分为以下几种类型。

（1）有逆流并网光伏发电系统：

当太阳能光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电；

当太阳能光伏发电系统提供的电力不足时，由电能向负载供电。

（2）无逆流并网光伏发电系统：

太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当太阳能光伏发电系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。

（3）切换型并网光伏发电系统：

自动运行双向切换的功能。

一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电一侧，由电网向负载供电；

二是当电网因为某种原因实然停电时，光伏发电系统可以自动切换使电网与光伏发电系统分离，成为独立光伏发电系统工作状态。

（4）有储能装置的并网光伏发电系统：

在上述几类并网光伏发电系统中根据需要配置储能装置。

目前使用最多的是有逆流并网光伏发电系统。

通常根据光伏发电系统是否配置蓄电池，又分为可调度型系统（配置少量蓄电池）和不可调度型系统（没有配置蓄电池）。

调度型系统主动性较强，当出现电网限电、掉电、停电等情况时仍可正常供电。

图2.1并网光伏发电系统图

并网光伏发电系统又可分为集中式大型并网光伏发电系统（大型电站或大型厂区系统）和分散式小型并网光伏发电系统（住宅系统）。

根据系统容量的大小，系统的构成不同。

大型电站和厂区系统主要构成有：

组件、直流汇流箱、直流配电柜、交流配电柜、逆变器、变压器、监控设备以及光伏专用电缆和防雷设备等（如图2.1、2.2所示）。

图2.2并网发电示意图

典型的住宅并网光伏发电系统如图2.3所示。

住宅并网光伏发电系统的突出优点是可以与建筑相结合，即通常所说的建筑一体化。

目前主要有2种形式：

（1）建筑与光伏发电系统相结合（BAPV），是将现成的光伏组件安装在建筑物的屋顶等处，再通过逆变器、控制器等与电网连接。

（2）建筑与光伏组件相结合（BIPV），是将光伏器件与建筑材料集成在一起（如光伏幕墙，可利用双玻组件），既能作为建筑材料又可发电。

图2.3典型住宅并网光伏发电系统

2.1光伏组件

2.1.1光伏组件结构

太阳电池的种类比较多，目前使用最多是单晶硅和多晶硅电池。

工业化生产的单晶硅电池的光电转换效率约18.5%~19.5%，多晶硅电池的转换效率约在17%~18%之间（如图2.4）。

图2.4硅组件结构图

钢化玻璃：

保护发电主体，透光率必须高（一般91%以上）；

超白钢化处理；

EVA：

用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片）；

背板：

密封、绝缘、防水（般都用TPT、TPE等材质必须耐老化）；

铝合金边框：

保护层压件，起一定的密封、支撑作用；

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。

接线盒中最为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；

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。

2.1.2光伏组件主要参数及含义

光伏组件的参数一般都是在标准测试条件下得到的参考值。

标准测试条件是指：

AM1.5，1000W/㎡，25℃。

其中，AM1.5指光谱，AM的意思是air-mass（大气质量），AM1.5就是光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5倍。

1000W/㎡是标准测试条件下太阳电池的光线的辐照度。

主要参数有如下：

电气参数：

最大输出功率Pm（Wp）；

最佳工作电压Vmp（V）；

最佳工作电流Imp（A）；

开路电压Uoc（V）