光伏离网设计实训报告Word文档下载推荐.doc
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4.2太阳能电池板容量及配置设计及选型 9
4.3太阳能电池板安装角度设计 9
4.4蓄电池容量及配置设计及选型 9
4.5控制器和逆变器配置设计 10
4.6系统配置清单 11
5总结 11
参考文献 12
1绪论
1.1设计背景
据分析,2001年以来我国能源消费结构并没有发生显著的改变。
石化能源,特别是煤炭消费在一次能源消费中一直居于主导地位,所占的比重分别达到九成和六成以上。
对于新能源行业而言,认为这为其提供了福音。
综合观察中国的股市行业,也正说明了这一点,中国绿色能源类股票价格飞扬,更多的闲散资金纷纷投入新能源以及环保行业。
同时,中国将超过欧洲,成为世界最大的可替代能源增长市场。
在此背景下,新能源行业应该抓住这次契机,积极发展风电、太阳能等,提高新能源的比重
据估算,每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦,其中可开发利用5001000亿度。
但因其分布很分散,能利用的甚微。
地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量。
其中全球陆地部分3公里深度内、150℃以上的高温地热能资源为140万吨标准煤,一些国家已着手商业开发利用。
世界风能的潜力约3500亿千瓦,因风力断续分散,难以经济地利用,今后输能储能技术如有重大改进,风力利用将会增加。
海洋能包括潮汐能、波浪能、海水温差能等,理论储量十分可观。
限于技术水平,现尚处于小规模研究阶段。
当前由于新能源的利用技术尚不成熟,故只占世界所需总能量的很小部分,今后有很大发展前途。
风能和水力发电全是靠机械运动，会有机械的磨损要及时进行维修，维修的费用占很大的比重。
并且受地理环境影响较高只能在局部地区推广，但是推广地区人员稀少，无法及时用掉所产生的电能，造成了资源的浪费。
光伏可以适应多种气候，并且使用寿命长等特点。
核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境?
，故核能电厂的热污染较严重。
核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。
核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。
兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。
核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。
光伏是真正的绿色清洁无污染、无辐射能源。
我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2,000小时，年辐射量在5,000MJ／m2以上。
据统计资料分析，中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×
103～8.4×
103MJ/m2，相当于2.4×
104亿吨标准煤的储量。
根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，我国太阳能资源地区分为以下四类：
一类地区（资源丰富带）：
全年辐射量在6,700~8,370MJ/m2。
相当于230kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等地。
二类地区（资源较富带）：
全年辐射量在5,400～6,700MJ/m2，相当于180～230kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。
三类地区（资源一般带）：
全年辐射量在4,200～5,400MJ/m2。
相当于140～180kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。
四类地区：
全年辐射量在4,200MJ/m2以下。
主要包括四川、贵州两省。
此区是我国太阳能资源最少的地区。
一、二类地区，年日照时数不小于2,200小时，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好资源条件。
世界上水能可经济开采资源0.9TW，风能可经济开采资源2TW，目前核能的发展受到很大的限制，无法大量推广。
因此太阳能是唯一可以保证人类能源需求来源，其资源120，000TW，实际开采高达600TW。
并且太阳光伏发电具有体积小，重量轻，寿命长20到25（工作25年，效率下降20%），零排放，无噪声，无污染，可在荒漠地区建设；
运行可靠，无机械转动，使用安全，太阳资源永不枯竭，各地区差别不大，可实现分布式电站；
生产资料丰富，硅材料储量丰富，为地壳上除氧之外的丰富度排列第二，达到26%之多；
不单独占地；
可以安装到建筑上；
规模大小皆宜，安装容易，建设周期短，安装成本低，能量回收期短。
据预测，光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要地位，不但要代替部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。
目前世界光伏产业以31.2%的年平均增长效高速发展，位于全球能源发电市场增长率的首位，预计到2040年光伏发电将占据世界发电总量的20%以上，到2050年光伏发电将成为全球重要的能源支柱产业。
中国科学院党组已正式批准启动计划实施太阳能行动计划，该计划以2050年前后太阳能作为重要能源为远景目标，并确定了2015年分布式利用、2050年替代利用、2035年规模利用三个阶段目标。
随着我国光伏产业的高速发展和应用领域的拓展，从事太阳能光伏系统集成设计和安装的技术人员不断增加。
由于太阳能光伏技术属于跨学科的新兴学科，它涉及气象、光学、半导体、电力、电子、计算机和机械等多种学科技术，要求从业的技术人员应掌握广泛而深入的技术知识，才能合理设计使用和充分发挥价格较昂贵的光伏系统设备的作用。
1.2设计意义
能源是现代社会存在和发展的基石。
随着全球经济社会的不断发展，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。
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。
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。
众所周知，太阳能是一种可持续利用的清洁能源，当前世界面临人口、资源、环境的挑战，在寻求人类社会可持续发展的进程中，太阳能利用日益为世界各国所重视，太阳能作为一种高效、无污染的可再生资源，目前已逐渐被各行各业所利用。
这对缓解我国能源紧张状况，减少环境污染，同时提高人们的生活水平，具有非常重要的意义。
地球以173×
105瓦的功率接收来自太阳的辐射能，全球每年得到的太阳能相当于68万亿吨石油，其开发和利用有着极大的潜力。
在人类总耗能中，建筑耗能占30％以上，在建筑用能中，空调、供暖与家用热水所消耗的能量约占家庭全部耗能量的25％一35％。
基于这种情况，利用太阳能发电是必然的趋势。
20世纪70年代后，家用太阳能发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。
太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。
研究便于普及型的家庭式太阳能发电系统对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。
随着常规能源的大量消耗，使得可再生能源越来越多的受到21世纪人类的关注。
对能源资源消耗所引发的气候变化等一系列问题，不仅是对中国提出的挑战，也是对世界提出的挑战,能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。
太阳能之所以受到世界各国越来越多的关注主要是因为其具有以下优点：
（1）太阳的历史寿命长，与人类的历史（约30万年）相比，太阳具有很长的寿命，所以对人类来讲,太阳能几乎是无限的能源：
（2）太阳是十分强大的能源供应体，太阳光40min内赐予地球的能量如果能够都为人类所利用的话，估计就能满足全世界一年的能源消耗；
（3）太阳能不会造成环境污染、能源损失等社会问题；
（4）能量获取简单直接，在使用现场就能从太阳光获得能量。
中国已成为继美国之后的世界第二大电力消费大国，但电力对中国经济发展的制约作用已开始显现，国内数以百万计的企业亟待进行节电改造。
随着人们生活水平不断提高，社会经济活动和交流日益频繁与扩大，生活用电量不断增加，如何充分利用电力、节约电能、保障电力品质，已经成为我国亟待解决的问题，利用太阳能光伏发电必定是最好的选择。
随着太阳能光伏发电在人们生活中被逐步认识和大量应用，广泛使用绿色能源对减少二氧化碳和其它有毒气体的排放，防治大气污染，保护生态环境具有重要意义。
因此，研究开发太阳能发电的绿色能源具有强烈的紧迫性。
光伏并网系统通常可以看作是大电网的组成部分，它可以传输有功功率和无功功率到与之相连接的电力系统中。
按照有无储能装置，光伏并网系统可分为有储能装置光伏并网系统和无储能装置光伏并网系统。
根据功率级别和光伏阵列的分布情况，可将光伏并网系统分为集中型大型光伏并网系统和分布式小型光伏并网系统。
光伏并网发电就是利用并网逆变器将光伏系统连接到大电网中，将光伏系统所产生的电能传输到大电网中，由电网进行分配，为当地的负荷供电。
随着对系统稳定运行要求的逐步升高，光伏并网发电已成为当今社会光伏发电系统主要采用的运行方式。
独立光伏发电系统由于不与公共电网相连接，因此其建设地点一般选在与电网隔离的偏远地区，比如海岛、移动通讯站及边防哨所等。
储能元件是独立光伏发电系统中不可缺少的，这是由于太阳能发电一般选择在白天，然而负荷用电是全天24h实施，这就需要在光伏系统中设置必要的储能元件。
在气象环境影响下，其供电可靠性很难得到保障，然而对于偏远无电地区而言这一系统的建立已然产生十分重要的社会价值。
关于光伏建筑的一体化应用主要表现为两个方面：
通过在建筑物屋顶安装光伏器件的方式实现电网与光伏阵列的并联，进而构成光伏建筑一体化系统；
通过建筑和光伏器件集成化的方式于屋顶位置设置光伏电池板，利用光伏玻璃幕墙替代原有幕墙，提高墙面积屋顶的太阳能吸收量，这就同时实现了建材功能与发电功能，是对光伏发电成本的有效控制。
与此同时，在墙体外饰材料研究方面也出现了全新的彩色光伏模块，这在充分利用太阳能光伏发电原理的同时也使得建筑物外观更具美学欣赏价值。
所谓的混合型光伏发电系统是将多种发电方式相互融合并应用于光伏发电系统的过程，混合型光伏发电系统的构建旨在发挥不同发电模式的技术优势，扬长避短，从而更加有效地提高电能的利用率。
例如光伏发电经常会受到天气状况的影响，在冬季风力较大地区，就可通过光伏发电和风力发电的混合模式，尽可能减少天气变化对发电系统的影响，进而达到控制负载发电率的目的。
作为半导体材料制作而成的组件，LED与光伏发电的结合可实现电能至光能的转化。
这一半导体照明技术不仅有着环保、节能、高效的技术优势，并且照明周期较长，且易于维护。
光伏发电在LED照明系统中的应用突出了光生伏特效应的技术原理，通过太阳能电池实现对太阳能至电能的转化，再借助LED照明系统将其转化为最终的光能。
2光伏发电系统组成及工作原理
2.1光伏发电系统组成
光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。
其部分设备的作用是：
电池方阵
在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。
在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。
太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
蓄电池组
其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：
a.自放电率低；
b.使用寿命长；
c.深放电能力强；
d.充电效率高；
e.少维护或免维护；
f.工作温度范围宽；
g.价格低廉。
控制器
是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。
由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
逆变器
是将直流电转换成交流电的设备。
由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，
而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。
逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。
独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。
并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。
逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。
方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。
正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。
2.2光伏发电系统工作原理
光伏电池是利用半导体材料的光生伏打效应制成的。
所谓光生伏打效应,简单的说,就是当物体受到太阳辐射时时,其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
半导体材料将光能转换为电能的效率特别高,因此光伏电池多为半导体材料制成。
半导体光伏电池的发电过程可概括为如下四个过程:
（1）收集太阳光使之照射到光伏电池表面。
（2）光伏电池吸收具有一定能量的光子,激发出非平衡载流子--电子空穴对。
（3）这些电性符号相反的光生载流子在光伏电池P-N结内建电厂的作用下,电子-空穴对被分离,在P-N结两边产生异性电荷的积累,从而产生电动势,形成光生电压。
（4）在光伏电池P-N结的两侧引出正负电极,并接上负载,则在外电路中即有光生电流通过,从而获得功率输出,这样光伏电池就把太阳能直接转换成了电能。
发展至今,光伏电池的种类己特别繁多,根据制作材料的不同可将光伏电池分为硅光伏电池、有机半导体光伏电池、化合物半导体光伏电池和薄膜光伏电池。
3施工环境分析及系统方案设计
3.1气象资料及地理状况
地区：
苏州。
气候：
亚热带季风气候，四季分明，全年平均气温15-17度，1月最低气温-9.4度，7、8月份最高气温达38.6度；
全年平均降水量偏高，近1076.2毫米，无霜期在230天左右。
地理位置：
地势低平，平原占总面积的54%，平均海拔4米左右，东南部地势低洼，西南部多小山丘。
纬度：
北纬30°
47‘--32°
02’。
最大连续阴雨天气：
5天。
峰值日照时数：
3.68。
年有效利用小时数：
1061.13
冬至日太阳高度角为：
35°
23″
斜面日辐射量：
14207kJ/㎡
修正系数：
1.01249
3.2系统设计方案
（1）调查当地近几年的天气状况。
（2）计算用户的日用电情况。
（3）蓄电池的选型和数量的计算。
（4）太阳能板的选型和计算。
（5）对控制器和逆变器的选型。
4离网太阳能光伏发电系统配置方案设计
4.1负载计算
已知苏州地区某家庭用电负荷信息（如表1），设计该家庭离网太阳能光伏发电系统配置方案。
设计内容包括太阳能光伏发电系统组成和工作原理介绍；
光伏发电系统中太阳能电池方阵、太阳能控制器、蓄电池容量的设计方法和太阳能逆变器配置方法；
完整的系统设计过程。
表1苏州地区某家庭用电负荷信息
用电设备
额定功率（W）
数量
每日工作时数（h）
日耗电量（kWh）
照明灯具
80
15
5
6
电视
100
1
0.5
冰箱
120
24
2.88
计算机
2
洗衣机
300
0.15
炊具
1000
空调
1300
2.6
总计
4220
——
15.13
4.2太阳能电池板容量及配置设计及选型
（1）太阳能组件发电电流（A）=
（2）太阳能电池总功率：
可选峰值功率为260W、峰值电压为34.4V、峰值电流为7.56A的太阳电池组件。
（3）需要的太阳能电池总数为：
（4）太阳能电池组件串联数：
（5）太阳能电池组件并联数：
18
总功率9360W可以满足需求。
4.3太阳能电池板安装角度设计
安装角度：
36°
方向：
正南
4.4蓄电池容量及配置设计及选型
为了减少能量的损耗，选用48V。
（1）蓄电池容量：
选用6FM200阀控型免维护铅酸蓄电池。
标准电压为12V，标准容量为200A﹒h（10小时率）
（2）蓄电池串联数
（3）蓄电池并联数
所需蓄电池共68块，4组串联，并联17组满足负载要求。
4.5控制器和逆变器配置设计
控制器参数：
规格
SC2012/12A
额定电压
12V/24V自动识别
最大负载电流
≦12A
最大充电电流
充满断开
13.7V/27.4V
欠压断开
10.8V/21.6V
过放恢复
12.6V/25.2V
温度补偿
-3mV/℃/CELL
空载损耗
≦10mA
最大电线规格
2.5m㎡
回路压降
<
65mV
尺寸
135×
100×
30（长×
宽×
高）
逆变器参数：
型号
技术参数
SN220
5KCD1
输入额定电压（V）
220
输入额定电流（A）
25.2
输入直流电压允许范围（V）
180—300
额定容量（kVA）
5.0
输出额定功率（kW）
4.0
输出额定电压及频率
220V，50Hz
输出额定电流（A）
22.7
输出电压精度（V）
±
3%
输出频率精度
50±
0.05
波形失真率（Hz）
≦4%（线性负载）
动态响应
5%，≦20ms
功率因数（PF）
0.8
过载能力
120%，10min，150%，1min
逆变效率（80%阻性负载）
94%
绝缘强度（V）
1500V，1分钟
噪音（1米）
≦40dB
使用环境温度（℃）
-10—+50
温度
0—90%，不结露
使用海拔
≦4000
470×
400×
750
重量
66
保护功能
输入接反保护、输入欠压保护、输入过压保护、输入过载保护、输出过载保护、输出短路保护、过热保护。
4.6系统配置清单
太阳能电池
36块峰值功率为260W、峰值电压为34.4V、峰值电流为7.56A太阳能电池
蓄电池
68块6FM200阀控型免维护铅酸蓄电池。
5总结
目前我国光伏发电还有好多问题没有解决，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，从理论研究看，在阳光集中辐照时，利用希泽光电效应可能达到的光电转换效率的极限值为63.2%，但只有使用理想的材料才能达到。
若使晶体结构中形成的缺陷能准确无误地出现在所需要的地方，实际上也很难做到。
降低硅材料用量是降低价格的主要途径。
目前，太阳电池材料主要以硅材料为主，但是硅材料还面临着许多问题，多晶硅产业上游环节技术壁垒高、投入大、量产时间长、市场风险高，因此不仅要寻找更为方便易行的硅材料提纯技术以扩大生产，而且要采用新技术，在获得同样电能的基础上减少硅材料用量。
而与晶体硅电池相比，薄膜电池在效率与成本方面改善的空间更大，多晶硅价格的上涨会增加薄膜电池的成本优势。
大量的建筑屋顶都是没有充分的利用，应建立建筑相结合的并网光伏系统，主要形式是城市并网发电的屋顶并网光伏系统。
在我国东部沿海经济发达地区，用电量大，对光伏发电能力需求强；
同时目前我国光伏产业主要集中在东部省份，光伏产业对当地经济的发展起着重要作用，在城市建设屋顶并网发电系统（BAPV）及光伏建筑一体化集成光伏系统（BIPV），对于城市的供电与节能起到很好的作用。
《可再生能源中长期发展规划》提出，到2020年安装建筑光伏2万套，累计安装100万千瓦。
在我国有约264万平方公里的荒漠资源，其中干旱区荒漠化土地面积为250多万平方公里；
主要分布在光照资源丰富的西北地区，其年总辐射在1600-2300千瓦时/平方米。
在内蒙古的鄂尔多斯、甘肃的河西走廊绿洲边缘、新疆的塔克拉玛干沙漠边缘、晋西北及陕北等靠近电力线路和负荷中心，还有很好的旅游资源，可以作为大型并网光伏项目的起步区域。
参考文献
《太阳能光伏发电及应用技术》
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