小型獨立光伏發電系統的設計方案.doc

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1、小型獨立光伏發電系統的設計方案目 錄1 引言52 獨立光伏發電系統概述7 2.1 獨立光伏發電系統的概念7 2.2.1 結構8 2.2.2 工作原理93 獨立光伏發電系統的設計9 3.1 系統的設計原則、步驟和內容9 3.1.1 系統設計原則9 3.1.2 設計步驟和內容9 3.2 系統容量的設計10 3.2.1 數值計算值10 3.3 太陽能電池組件及方陣的設計12 3.3.1 光伏組件方陣需要考慮的問題12 3.3.2 太陽能電池組件（方陣）的方位角與傾斜角12 3.3.3 一般設計方法13 3.4 直流接線箱的選型16 3.5 光伏控制器的選型18 3.6 光伏逆變器的選型194 結論2

2、0 1 引言 自人類社會誕生以來，能源一直是人類生存和發展的重要物質基礎。隨著社會的發展，能源在社會發展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益呈現出來的能源危機問題更加明顯地把能源置于社會發展的首要地位。 根據BP世界能源統2005的統計數據，以目前的開采速度計算，全球石油儲量可供生產40 多年，天然氣和煤炭則分別可以供應67年和164年。而我國的能源資源儲量情況更是危機逼人，按2000 年底的統計， 探明可開發能源總儲量約占世界總量的10.1%.我國能源剩余可開采總儲量的結構為原煤占58.8%， 原油占3.4%，天然氣占1.3%，水資源占36.5%。我國能源可開發剩余可采儲量的資源保證程

3、度僅為129.7年。 目前世界大部分國家能源供應不足，不能滿足經濟發展的需要，各國紛紛出臺各種法規支持開發利用新能源和可再生能源， 使得新能源和可再生能源在全球升混。20世紀90年代以來，以歐盟為代表的地區集團，大力開發利用可再生能源，連續1 0 年可再生能源發電的年增長速度都在15%以上。以德國、西班牙為代表的一些國家通過立法方式，促進可再生能源的發展，1999 年以來可再生能源年均增長速度均達到3日%以上。四班牙2003 年風力發電裝機占到全機總量的4% ，德國在過去11年間，風力發電增長21倍，2003年占全的3.1%， 瑞典和奧地利的生物質能源在其能源消費結構中高達15%以上。 近年來

4、，光伏產業迅速發展，世界太陽電池年產量在最近十年內保持了30%以上的增速，2007 年年增長率達到了50% ，2008 年年增長率甚至達到了100% ，年產量達到6.5GW ， 大陽電池產量迅速增加的動力來自于世界對太陽能等清潔能源持續增長的需求，2008 年世界光伏系統新裝機容量達到5.95 GW ，比200 7年增長了110%。按照目前光伏組件4.5 $/W的價格計算，世界光伏市場規模接近三百億美元. 新能源是國家“十二五”規劃重點要求發展的產業，政策對其扶持力度很大。2009年3月，由科技部、國家發改委等部門聯合舉辦的2009年中國國際節能和新能源科技博覽會上集中展示了節能減排和新能源科

5、技的重大成果，引起了國內外的廣泛關注。2009年5月全國財政新能源與節能減排工作會議指出，國家財政要全力支持新能源發展和節能減排工作，重點加快啟動國內光伏發電市場、開展節能與新能源汽車示范推廣試點等十項工作。 我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發利用，近十年來的高長使我國迫切需要加大對新能源和可再生能源的開發利用，以解決能源題，保障能源供應安全。近年來，由于各級政府和社會各界的高度重視可再生能源的開發和利用方麗取得了較快發展，并于2005年2 月28日通過了再生能源法，該法已于2006年1月1日起實施，這對于我國可再生能具有十分重要的意義。圖1 我國不同地區的太陽能資源分布圖表1 我國各地

6、區的太陽能資源及分布序號地區年日照時數年輻射總量千卡/cm2.年1西藏西部、新疆東南部、青海西部、甘肅西部2800-3300 160-2002西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內蒙古、山西北部、河北西北部3000-3200140-1603新疆北部、甘肅東南部、山西南部、陜西北部、河北東南部、山東、河南、吉林、遼寧、云南、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部2200-3000120-1404湖南、廣西、江西、浙江、湖北、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江1400-2200100-1205四川、貴州1000-140080-1002 獨立光伏發電系統概述2.

7、1 獨立光伏發電系統的概念：獨立光伏發電系統是指僅僅依靠太陽能電池供電的光伏發電系統或主要依靠太陽能電池供電的光伏發電系統，在必要時可以由泊機發電、風力發電、電網電源或其他電源作為補充。從電力系統來說， kW級以上的獨立光伏發電系統也稱為離網型光伏發電系統。圖2獨立光伏發電系統組成2.2 獨立光伏發電系統的結構及工作原理2.2.1 結構通過太陽能電池將太陽輻射能轉換為電能的發電系統稱為太陽能光伏發電系統，也可叫做太陽能電池發電系統。盡管太陽能光伏發電系統應用樣式多種多樣，應用規?？缍纫埠艽?，從小到不足一瓦的太陽能草坪燈，大到幾百千瓦甚至幾兆瓦的大型光伏發電站，但太陽能光伏發電系統的組成結構和工

8、作原理基本相同。其主要結構由太陽能電池組件（或方陣）、蓄電池（組）、光伏控制器、逆變器（在有需要輸出交流電的情況下使用）以及一些測試、監控、防護等附屬設施構成。 圖3 獨立型太陽能光伏發電系統工作原理2.2.2 工作原理太陽能電池方陣吸收太陽光并將其轉化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負載通過開關與控制器連接?？刂破髫撠煴Ｗo蓄電池，防止出現過充或過放電狀態，即在蓄電池達到一定的放電深度時，控制器將自動切斷負載，當蓄電池達到過充電狀態時，控制器將自動切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨立光伏發電系統的充放電狀態，并能貯存必要的數據，甚至還具有遙測、遙信和遙控的功能。在交流

9、光伏發電系統中， DC-AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負載需要的交流電。 3 獨立光伏發電系統的設計3.1 系統的設計原則、步驟和內容3.1.1 系統設計原則 光伏發電系統的設計要本著合理性、實用性、高可靠性和高性價比（低成本）的原則。做到既能保證光伏系統的長期可靠運行，充分滿足負載的用電需要，同時又能使系統的配置最合理、最經濟，特別是確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池的容量。協調整個系統工作的最大可靠性和系統成本之間的關系，在滿足需要保證質量的前提下節省投資，達到最好的經濟效益。3.1.2 設計步驟和內容：太陽能光伏發電系統的設計步驟和內容如圖4所示。圖4 太陽能光伏發

10、電系統設計內容與步驟3.2 系統容量的設計：目標: 優化太陽能電池方陣容量和蓄電池組容量的相互關系，在保證獨立光伏發電系統可靠工作的前提下，達到成本最低。要求: 首先對當地的太陽能輻照資源、地理及氣象數據有盡量詳細的了解，一般要求掌握日平均太陽輻照量、月平均太陽輻照量和連續陰雨天數。方法: 依據各部件的數理模型，采用計算機仿真，可以擬合出太陽能電池方陣每小時發電量、蓄電池組充電量和負載工作情況，并預測所需要的太陽能電池方陣及蓄電池組的容量。通過數值分析法，可以解析太陽能電池方陣容量及蓄電池組容量之間存在的相互關系，然后在特定的供電可靠性要求下，根據成本最低化的原則，確定二者各自的容量。3.2.

11、1 數值計算值在本章中，負載的總耗電量為4000wh/d，選擇的逆變器效率為90%，連續陰雨天數為4天，蓄電池的放電深度為70%,系統電壓為48V。蓄電池容量= =530AH通常，鉛酸蓄電池的容量是在25時標定的。隨著溫度的降低， 0 時的容量大約下降到額定容量的90% . 而在-20的時候大約下降到額定容量的80% . 所以必須考慮蓄電池的環鏡溫度對其容量的影響。南京地區全年最低氣溫大約為-4-6，所以在此溫度下，蓄電池的容量會下降10%左右。 蓄電池實際容量=590AH圖5 鉛酸蓄電池最大放電深度-溫度曲線確定蓄電池的串并聯方式每個蓄電池都有它的標稱電壓。為了達到負載工作的標稱電壓，將蓄電

12、池串連起來給負載供電，需要串聯的蓄電池的個數等于負載的標稱電壓除以蓄電池的標稱電壓。這里選用24v/200AH的膠體蓄電池。串聯蓄電池數=2 所以蓄電池串聯數為2并聯蓄電池數=2.953綜上所述：使用江蘇恒華公司生產的24V/200AH型膠體蓄電池，蓄電池串聯數2，并聯3塊，連接方式如圖6所示。圖6 蓄電池連接示意圖3.3 太陽能電池組件及方陣的設計3.3.1 光伏組件方陣設計需要考慮的問題 設計太陽電池組件要滿足光照最差季節的需要。蓄電池長時間處于虧電狀態將使得蓄電池的極板硫酸鹽化。在獨立光伏系統中沒有備用電源在天氣較差的情況下給蓄電池進行再充電，這樣蓄電池的使用壽命和性能將會受到很大的影響

13、，整個系統的運行費用也將大幅度增加。太陽電池組件設計中較好的辦法是使太陽電池組件能滿足光照最惡劣季節里的負載需要，也就是要保證在光照最差的情況下蓄電池也能夠被完全地充滿電。由于光照最差季節的光照度大大低于平均值，這樣設計的太陽電池組件在一年中的其他時候會遠遠超過實際需要，而且成本高昂。3.3.2 太陽能電池組件（方陣）的方位角與傾斜角 由于太陽能光伏發電的發電量與太陽光的輻射強度、大氣質量、地理位置等因素有直接的關系和影響，因此在設計太陽能光伏發電系統時，應考慮太陽輻射的方位角和傾斜角、峰值日照時數等。 太陽能電池組件（方陣）的方位角與傾斜角的選定是太陽能光伏系統設計時最重要的因素之一。所謂方

14、位角一般是指東西南北方向的角度。對于太陽能光伏系統來說，方位角以正南為00，由南向東向北為負角度，由南向西向北為正角度。方位角決定了陽光的入射方向，決定了各個方向的山坡或不同朝向建筑物的采光狀況。傾斜角是地平面與太陽能電池組件之間的夾角。傾斜角為00時表示太陽能電池組件為水平設置，傾斜角為900時表示太陽能電池組件為垂直設置。太陽能電池方位角的選擇 在我國，太陽能電池的方位角一般選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發電量最大。太陽能電池傾斜角的選址 最理想的傾斜角是使太陽能電池年發電量盡可能大，而冬季和夏季發電量差異盡可能小的傾斜角。一般取當地緯度或加上幾度作為當地太陽能電池組件安裝的傾斜角

15、。以下為根據當地緯度粗略確定太陽能電池的傾斜角：緯度為00250時，傾斜角等于緯度；緯度為260400時，傾斜角等于緯度加上50100；緯度為410550時，傾斜角等于緯度加上100150；緯度為550以上時，傾斜角等于緯度加上150200。3.3.3 一般設計方法：太陽電池組件設計的基本要求就是滿足年平均日負載的用電需求。計算太陽電池組件的基本方法是用負載平均每天所需要的能量(安時數)除以一塊太陽電池組件在一天中可以產生的能量(安時數) ，這樣就可以算出系統需要并聯的太陽電池組件數，使用這些組件并聯就可以產生系統負載所需要的電流。將系統的標稱電壓除以太陽電池組件的標稱電壓，就可以得到太陽電池

16、組件需要串聯的太陽電池組件數，使用這些太陽電池組件串聯就可以產生系統負載所需要的電壓。 基本公式：串聯電池組件數=系數1.43是太陽能電池組件峰值工作電壓與系統工作電壓的比值。 并聯電池組件數=其中，組件日平均發電量=組件峰值工作電流（A）峰值日照時數（h)。上面的公式是理論計算，實際應用時還需要考慮其他因素，由于系統需要在連續陰雨天數中工作，綜合考慮其它因素后得到的計算公式為： 串聯電池組件數= 并聯電池組件數= 補充的蓄電池容量(Ah)=安全系數負載日平均耗電量(Ah)最大連續陰雨天數 （式中安全系數根據情況在1.11.4之間選取。） 負載日平均耗電量= 組件平均日發電量(Ah)=選定組件

17、峰值工作電流(A)峰值日照時數(h)傾斜面修正系數組件衰降損耗修正系數 （式中，峰值日照時數和傾斜面修正系數都是指光伏發電系統安裝地的實際數據，組件衰降損耗修正系數主要指因組件組合、組件功率衰減、組件灰塵遮蓋、充電效率等的損失，一般取0.8。）太陽能電池方陣功率=選定電池組件的峰值輸出功率電池組件的串聯數電池組件的并聯數。本設計采用金敏品牌JM190M型號的光伏組件，其具體參數如下：最大功率：190W重量：16kg峰值工作電壓：36.5V峰值工作電流：5.11A開路電壓：44.5V短路電流：5.52A最大系統電壓：1000V產品認證：TUV電池數量：72外形尺寸：1580*808*50額定工作

18、溫度：452圖7 組件尺寸圖 表2 南京市太陽能資源數據表城 市緯 度最佳傾角平均峰值日照時數(h)水平面年平均輻射量斜面年輻射量斜面修正系數KopkWh/m2kJ/cm2kWh/m2(平均）南京32.000緯度+503.941328.09478.121440.431.0249根據以上公式可以計算出:組件串聯數=2補充的蓄電池容量=1.2（4000/48）4=400AH組件并聯數=40（兩段陰雨天數最短間隔時間選3天）電池方陣功率=190240=1.52KW電池方陣面積：1.580.808240110m2通過計算，需要組件2串40并，共80塊。連接方式如圖所示：圖8 組件串并聯圖3.4 直流接

19、線箱的選型直流接線箱也叫直流配電箱，小型太陽能光伏發電系統一般不用直流接線箱，直流接線箱主要用于中、大型太陽能光伏發電系統中，用于把太陽能電池組件方陣的多路輸出電纜集中輸入、分組連接，不僅使連線井然有序，而且便于分組檢查、維護，當太陽能電池方陣局部發生故障時，可以局部分離檢修，不影響整體發電系統的連續工作。圖3.4.1所示是直流接線箱的電路圖（單路）。圖9 直流接線箱電路示意圖（單路）本設計選用上海新馳電氣有限公司生產的匯流箱，其具體參數如下表3所示：表3匯流箱參數電氣參數光伏陣列電壓范圍200100V DC光伏陣列輸入列數24每路輸入最大電流20A環境溫度-40+85環境濕度099%通信接口

20、RS485防護等級IP54、IP65外形尺寸寬*高*深630*450*180重量15kg本匯流箱帶有防雷功能，因此防雷系統不需要另行設計。 圖10 匯流箱實物圖3.5 光伏控制器的選型 光伏控制器要根據系統功率、系統直流工作電壓、電池方陣輸入路數、蓄電池組數、負載狀況及用戶的特殊要求等確定光伏控制器的類型。一般小功率光伏發電系統采用單路脈沖寬度調制型控制器，大功率光伏發電系統采用多路輸入型控制器或帶有通信功能和遠程監測控制功能的智能控制器?？刂破鬟x擇時要特別注意其最大工作電流必須同時大于太陽能電池組件或方陣的短路電流和負載的最大工作電流。根據上面的設計中，組件需要并聯40組，所以系統的短路電流

21、為Ioc=5.5240=220A 選擇合肥賽光電源科技有限公司生產的SSCP-48-220A型號的控制器。表4 所選控制器參數型號SSCP-48-220A光伏組件總額定功率9.6kw額定充電電流200A蓄電池組額定電壓48V最大充電電流225A蓄電池過充電壓點57.6V蓄電池過充電壓恢復點52.0V蓄電池過放電壓點42.0V蓄電池過放電壓恢復點50.0V靜態損耗電流100mA使用環境溫度-20+50使用海拔2000m防護等級IP20設備外形尺寸355380150設備凈重8.0KG圖11 控制器外殼3.6 光伏逆變器的選型光伏逆變器選型時一般是跟據光伏發電系統設計確定的直流電壓來選擇逆變器的直流

22、輸入電壓，根據負載的類型確定逆變器的功率和相數，根據負載的沖擊性決定逆變器的功率余量。逆變器的持續功率應該大于使用負載的功率，負載的啟動功率要小于逆變器的最大沖擊功率。在選型時還要考慮為光伏發電系統將來的擴容留有一定的余量。在獨立光伏發電系統中，系統電壓的選擇應根據負載的要求而定。選用湖北雷特斯科技有限公司生產的TLS-4KVA型逆變器，其技術參數如下：表5 所選逆變器參數型號TLS-4KVA額定功率4000W電池電壓48V最大放電電流20A輸出電流18A充電電流按電池容量的10%計瞬時最大功率150%技術指標，10秒輸出電壓220VAC3%輸出頻率50Hz0.05Hz空載電源0.8A DC波

23、形失真率（THD）5%(線性負載）逆變效率90%工作環境溫度-1060工作環境海拔1000米 圖12 逆變器綜上所述，本系統需要的設備如下列表所示：表6 本系統所需的設備數量及價格設備名稱數量單價合計蓄電池6￥750/節￥4500組件1520w￥5.1/w￥7752直流接線箱1臺￥2300/臺￥2300控制器1臺￥1350/臺￥1350逆變器1臺￥4460/臺￥4460其它（電纜等）￥15000工程總投資：￥35362 以上設備按下圖順序連接：圖13獨立光伏發電結構連接系統示意圖結論綜上所述，在進行系統設計時，首先應該考慮用戶的負載需求量和當地的天氣條件等不可變因素，然后選擇合適的計算公式計算出系統中各參量值，并且在整個市場中根據最經濟和安全的原則廣泛地對各類器件選型，從而得出最經濟實用的設計。光伏系統的設計需本著合理性、實用性、高可靠性、和高性價比的原則。做到既能保證光伏系統的長期可靠運行，充分滿足負載的用電需要，同時又能使系統的配置最合理、最經濟，特別是確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池的容量。協調整個系統工作的最大可靠性和系統成本之間的關系，在滿足需要保證質量的前提下節省投資，達到最好的經濟效益。24