家用独立型光伏发电系统的优化设计.docx
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家用独立型光伏发电系统的优化设计
《太阳能光伏发电系统》
课程设计
课题名称50W太阳能LED路灯系统设计
专业班级：
新能本121
学生学号：
**********
*******
学生成绩：
指导教师：
郭瑞、高微
课题工作时间：
2014.12.29至2015.1.5
沈阳工程学院
《太阳能光伏发电系统》
课程设计
课题名称：
家用独立型光伏发电系统的优化设计
一、课程设计的任务和要求
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。
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。
3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。
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、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。
7、内容不少于3000字。
技术参数：
1、光伏发电系统安装地点：
沈阳；
2、使用单晶硅光伏电池；
3、负载表
数量
功率
使用时间
荧光灯
8
18w/盏
5h/天
电视机，电脑
2
120w/个
3h/天
洗衣机
1
600wh/天
电冰箱
1
1000wh/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。
二、进度安排
1、2013.12.16选题、分析查找相关资料、熟悉PVsyst软件
2、2013.12.17提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计
3、2013.12.18讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型
4、2013.12.19写出课程设计报告初稿
5、2013.12.20整理课程设计报告、交稿
三、参考资料或参考文献
1、杨金焕、于化丛、葛亮著.太阳能光伏发电应用技术.第1版.电子工业出版社.2009年。
2、李钟实著.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.第1版.人民邮电出版社.2010年。
3、PVsyst软件应用教程。
报告正文
第一章绪论
1.1设计背景
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，其原因是太阳能资源丰富、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。
近年来全球光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。
我国光伏发电产业也得到迅速发展，使得家用独立光伏发电系统得以实现。
目前太阳能利用技术主要有:
太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用等。
其中以太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界得到广泛的发展，被认为是当前最具有发展前景的新能源技术。
太阳能光伏发电就是利用太阳能电池板，将太阳能转化为能提供人们生产生活的电能。
1.2设计意义
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。
第2章沈阳市气象资料及地理情况
沈阳市所在地区纬度为北纬41.46°，经度为东经123.25°其它气象参数：
第3章家用独立型太阳能光伏发电系统的优化设计
3.1设计方案
3.2负载的计算
数量
功率
使用时间
荧光灯
8
18w/盏
5h/天
电视机，电脑
2
120w/个
3h/天
洗衣机
1
600wh/天
电冰箱
1
1000wh/天
通过软件算出负载日耗电总量为3040wh
根据表统计日负荷平均耗电量时，增加5%的预期负荷留量，所以日均耗电总量为：
3.04
1.05
=3.2kWh。
3.3蓄电池容量及串并联的设计及选型
由于所设计的家用独立光伏系统是小型的系统，所以选择的系统直流工作电压为24V。
为满足5个连续阴雨天能正常供电，所需的蓄电池容量C为：
蓄电池容量C=
其中安全系数取1.2，最大放电深度为60％，求得的蓄电池容量为1333.3Ah
因此选择型号为TXE1300/OPzS1200，额定容量为1370Ah，额定电压2V，电池库伦效率97%，具体参数如下图所示：
根据选用的蓄电池可以算出所需蓄电池的串联数和并联数:
蓄电池串联数=
=12
蓄电池并联数=
=1
所以选用2V/1370Ah的蓄电池共12个，其中每12个串联后，1个并联。
3.4太阳能电池板的方位角与倾斜角的设计
设计以全年均衡冬半年最大数据为依据，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53°。
倾斜面上平均日辐射量为3.95kWh/m²,计算得到的峰值日照小时数为3.95h。
3.5太阳能电池板容量及串并联的设计及选型
用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作，通常需要串并联若干太阳能电池组件。
首先需要求出电池板的功率，方法如下：
功率P=
其中K取1.2，得到功率P=972.15W
根据电池板的功率来选定所需电池板的型号。
其中本次设计所选用的单晶硅电池板型号为Si-monoZT75SZytech，开路电压Voc=21.96v，最大工作电压Vmm=17.46v，短路电流Isc=4.74A，其具体参数如下图所示：
根据所选用电池板型号可求得需要串并联电池板个数，公式如下：
电池组件并联数Np=
=8块
电池组件串联数Ns=
=2块
电池组件总发电量=组件并联数×组件串联数×选定组件峰值功率=8×2×75.1=1201.6w>972.15w，所以选用的串并联数能够满足用户需求。
3.6控制器、逆变器的选型
控制器的确定
方阵直流工作电压为24V，输出最大电流为4.74
8=37.92A。
据此知控制器应满足要求如下：
额定工作电压为24V；额定工作电流应大于37.92A。
因此选择控制器Isofoton,Isoltel60，它的系统电压为24V，最大充电及最大负载电流均为60A。
逆变器的确定
用户总负载为1074W，由于负载总容量大于逆变器总功率的80%时，逆变器会发热过度从而减少使用寿命，故逆变器容量应大于1074/0.8=1342.5W。
由于PVsyst软件自带的逆变器有1.5kW和3kW两种，故前者刚好符合要求，型号为Back-upgenerator,1.5kW
3.7系统配置清单
序号
设备名称
规格型号
参数
数量
1
太阳能电池板
Si-monoZT75SZytech
开路电压Voc=21.96v，最大工作电压Vmm=17.46v，短路电流Isc=4.74A
16
2
蓄电池
TXE1300/OPzS1200
额定容量为1370Ah，额定电压2V，电池库伦效率97%
12
3
控制器
Isofoton,Isoltel60
系统电压为24V，最大充电及最大负载电流均为60A
1
4
逆变器
Back-upgenerator,1.5kW
1.5KW
1
第4章家用独立型太阳能光伏发电系统的优化结果与讨论
4.1软件仿真结果分析
通过图可以看出本次设计所选用的电池尺寸及相关参数型号：
电池自主放电天数5天，电池预留量5%，额定电压24V，下面的条形图可以看出可以获得的太阳能量：
3.7kwh/day，用户需要的能量为3.3kwh/day，虽然11月，12月的太阳能不能满足用户的需求，但是可以将其他月份剩余电流存储起来，补偿这两个月的电量，综合考虑得出，依靠本地太阳能发电量可以满足用户全年用电量的需求。
4.2系统仿真结果分析
4.2.1全年损耗分析
如图所示，沈阳地区全年平均辐照量为1292kWh/m²,方阵的转换效率为11.5%，阵列的全年名义发电能量为1659kWh，阵列损耗中反射损耗15.3%，能量浪费5.4%，阵列全年有效输出能量1140kWh，相当于负载全年功耗1110kWh，完全满足需要，电池年损耗6.6%。
4.2.2方阵日均输入/输出能量
图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
4.2.3组件日输出量
图所示为光伏组件在这一年中每天输出的有效能量，途中输出不规则可能是天气原因，连续阴雨天可能影响日发电量的输出，二是可能夏季气温过高造成光伏组件发电量较低，综合考虑，本次设计略微改进在实际应用中可以实施。
4.2.4标准化产能分析
如图所示为系统全年标准化产能，电池组件每天损耗0.2kwh，太阳能丢失1.1kwh，系统和电池控制损失-0.07kwh，供给用户2.53kwh。
同时由图可看出2、3、4、9、10、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，11、12月份发电量有不足，不过影响不大。
第5章心得体会
随着能源的日益短缺，太阳能的开发和利用在当今社会的低位将越来越重要，这样的小型光伏发电系统也将越来越多的出现在人们的生活当中。
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，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。
通过这次课程设计我对独立光伏发电系统有了更多的理解，自己掌握的知识得到充分的利用，同时知道设计一个家用独立型光伏发电系统的基本步骤和对一些器件的选型要求，太阳能组件的串并联，蓄电池的个数及参数选型。
最后通过我们小组的努力终于完成了本次课程设计，使我受益颇多。
参考文献
1、杨金焕、于化丛、葛亮著.太阳能光伏发电应用技术.第1版.电子工业出版社.2009年。
2、李钟实著.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.第1版.人民邮电出版社.2010年。
3、PVsyst软件应用教程。
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