獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄1引言12 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理13 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)23.1 系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)23.2 太陽能電池組件及方陣的設(shè)計(jì)33.2.1 光伏組件方陣設(shè)計(jì)需要考慮的問題33.2.2 太陽能電池組件（方陣）的方位角與傾斜角43.2.3 一般設(shè)計(jì)方法43.3 直流接線箱的選型53.4 光伏控制器的選型73.6 光伏逆變器的選型8結(jié)論9獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要太陽能光伏發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)，發(fā)展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)也具有很高的可行性，首先能緩解我國目前的能源問題以及日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，還能解決邊遠(yuǎn)地區(qū)居民用電難，成本高的問題。本論文將從小型獨(dú)立系

2、統(tǒng)的發(fā)電原理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，及其本身具有的優(yōu)勢結(jié)合其受眾群體的所需考慮的各方面因素來設(shè)計(jì)適合家庭使用的小型系統(tǒng)。通過理論與實(shí)際市場調(diào)查相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)適合全國各地人民使用的優(yōu)惠且實(shí)用的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：小型；獨(dú)立光伏發(fā)電；系統(tǒng)；優(yōu)惠實(shí)用1引言當(dāng)下，許多國家已把發(fā)展可再生能源作為未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式，而中國也將以太陽能為代表的可再生能源作為未來低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。近年來，國家財(cái)政對(duì)太陽能產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)貼力度逐年增強(qiáng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指未與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率提供給本地負(fù)載(交流負(fù)載或直流負(fù)載)的發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所，如為公共電網(wǎng)

3、難以覆蓋的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、海島和牧區(qū)提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電，也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處所提供電源。2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)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(jiān)控、防護(hù)等附屬設(shè)施構(gòu)成。太陽能電池方陣吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)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(fù)載通過開關(guān)與控制器連接?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過充或過放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載，當(dāng)蓄電池達(dá)

4、到過充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測、遙信和遙控的功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fù)載需要的交流電。 圖1 獨(dú)立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理3 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要本著合理性、實(shí)用性、高可靠性和高性價(jià)比（低成本）的原則。做到既能保證光伏系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行，充分滿足負(fù)載的用電需要，同時(shí)又能使系統(tǒng)的配置最合理、最經(jīng)濟(jì)，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(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系，在滿足需要保證質(zhì)量

5、的前提下節(jié)省投資，達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益。3.1 系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)通過數(shù)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(guān)系，然后在特定的供電可靠性要求下，根據(jù)成本最低化的原則，確定二者各自的容量。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，負(fù)載的總耗電量為4000w·h/d，選擇的逆變器效率為90%，連續(xù)陰雨天數(shù)為4天，蓄電池的放電深度為70%,系統(tǒng)電壓為48V。蓄電池容量= =530AH通常，鉛酸蓄電池的容量是在25時(shí)標(biāo)定的。隨著溫度的降低， 0 時(shí)的容量大約下降到額定容量的90% . 而在-20的時(shí)候大約下降到額定容量的80% . 所以必須考慮蓄電池的環(huán)鏡溫度對(duì)其容量的影響。南京地區(qū)全年最低氣溫

6、大約為-4-6，所以在此溫度下，蓄電池的容量會(huì)下降10%左右。 蓄電池實(shí)際容量=590AH圖2 鉛酸蓄電池最大放電深度-溫度曲線確定蓄電池的串并聯(lián)方式每個(gè)蓄電池都有它的標(biāo)稱電壓。為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓，將蓄電池串連起來給負(fù)載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個(gè)數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo)稱電壓。這里選用24v/200AH的膠體蓄電池。串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)=2 所以蓄電池串聯(lián)數(shù)為2并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)=2.953綜上所述：使用江蘇恒華公司生產(chǎn)的24V/200AH型膠體蓄電池，蓄電池串聯(lián)數(shù)2，并聯(lián)3塊，連接方式如圖3所示。圖3 蓄電池連接示意圖3.2 太陽能電池組件及方陣的設(shè)計(jì)3.2.1 光伏組件方陣設(shè)計(jì)需要考慮

7、的問題設(shè)計(jì)太陽電池組件要滿足光照最差季節(jié)的需要。蓄電池長時(shí)間處于虧電狀態(tài)將使得蓄電池的極板硫酸鹽化。在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中沒有備用電源在天氣較差的情況下給蓄電池進(jìn)行再充電，這樣蓄電池的使用壽命和性能將會(huì)受到很大的影響，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用也將大幅度增加。太陽電池組件設(shè)計(jì)中較好的辦法是使太陽電池組件能滿足光照最惡劣季節(jié)里的負(fù)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(jié)的光照度大大低于平均值，這樣設(shè)計(jì)的太陽電池組件在一年中的其他時(shí)候會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際需要，而且成本高昂。3.2.2 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(fā)電的發(fā)電量與太陽光的輻射強(qiáng)度、大氣質(zhì)量

8、、地理位置等因素有直接的關(guān)系和影響，因此在設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮太陽輻射的方位角和傾斜角、峰值日照時(shí)數(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最重要的因素之一。所謂方位角一般是指東西南北方向的角度。對(duì)于太陽能光伏系統(tǒng)來說，方位角以正南為00，由南向東向北為負(fù)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(gè)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(shí)表示太陽能電池組件為水平設(shè)置，傾斜角為900時(shí)表示太陽能電池組件為垂直設(shè)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，

9、以使太陽能電池單位容量的發(fā)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(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小的傾斜角。一般取當(dāng)?shù)鼐暥然蚣由蠋锥茸鳛楫?dāng)?shù)靥柲茈姵亟M件安裝的傾斜角。以下為根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽能電池的傾斜角：3.2.3 一般設(shè)計(jì)方法太陽電池組件設(shè)計(jì)的基本要求就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。計(jì)算太陽電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量(安時(shí)數(shù))除以一塊太陽電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量(安時(shí)數(shù)) ，這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的太陽電池組件數(shù)，使用這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電流。 基本公式：串聯(lián)電池組件數(shù)=系數(shù)1.43是太陽能電池組件

10、峰值工作電壓與系統(tǒng)工作電壓的比值。 并聯(lián)電池組件數(shù)=其中，組件日平均發(fā)電量=組件峰值工作電流（A）×峰值日照時(shí)數(shù)（h)。上面的公式是理論計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要考慮其他因素，由于系統(tǒng)需要在連續(xù)陰雨天數(shù)中工作，綜合考慮其它因素后得到的計(jì)算公式為： 串聯(lián)電池組件數(shù)= 并聯(lián)電池組件數(shù)= 補(bǔ)充的蓄電池容量(Ah)=安全系數(shù)×負(fù)載日平均耗電量(Ah)×最大連續(xù)陰雨天數(shù) （式中安全系數(shù)根據(jù)情況在1.11.4之間選取。） 負(fù)載日平均耗電量= 組件平均日發(fā)電量(Ah)=選定組件峰值工作電流(A)×峰值日照時(shí)數(shù)(h)×傾斜面修正系數(shù)×組件衰降損耗修正系數(shù)

11、 （式中，峰值日照時(shí)數(shù)和傾斜面修正系數(shù)都是指光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝地的實(shí)際數(shù)據(jù)，組件衰降損耗修正系數(shù)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(lián)數(shù)×電池組件的并聯(lián)數(shù)。3.3 直流接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(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(hù)，當(dāng)太陽能電池方陣局部發(fā)生故障時(shí)，可以局部分離檢修，不影響整體發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)工作。

12、圖4所示是直流接線箱的電路圖（單路）。圖4 直流接線箱電路示意圖（單路）本設(shè)計(jì)選用上海新馳電氣有限公司生產(chǎn)的匯流箱，其具體參數(shù)如下表1所示：表1匯流箱參數(shù)電氣參數(shù)光伏陣列電壓范圍200100V DC光伏陣列輸入列數(shù)24每路輸入最大電流20A環(huán)境溫度-40+85環(huán)境濕度099%通信接口RS485防護(hù)等級(jí)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(tǒng)不需要另行設(shè)計(jì)。 圖5匯流箱實(shí)物圖3.4 光伏控制器的選型 光伏控制器要根據(jù)系統(tǒng)功率、系統(tǒng)直流工作電壓、電池方陣輸入路數(shù)、蓄電池組數(shù)、負(fù)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

13、伏發(fā)電系統(tǒng)采用單路脈沖寬度調(diào)制型控制器，大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)采用多路輸入型控制器或帶有通信功能和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制功能的智能控制器?？刂破鬟x擇時(shí)要特別注意其最大工作電流必須同時(shí)大于太陽能電池組件或方陣的短路電流和負(fù)載的最大工作電流。根據(jù)上面的設(shè)計(jì)中，組件需要并聯(lián)40組，所以系統(tǒng)的短路電流為Ioc=5.52×40=220A 選擇合肥賽光電源科技有限公司生產(chǎn)的SSCP-48-220A型號(hào)的控制器。表2 所選控制器參數(shù)型號(hào)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(diǎn)57.6V蓄電池過充電壓恢復(fù)點(diǎn)52.0V蓄電池過

14、放電壓點(diǎn)42.0V蓄電池過放電壓恢復(fù)點(diǎn)50.0V靜態(tài)損耗電流100mA使用環(huán)境溫度-20+50使用海拔2000m防護(hù)等級(jí)IP20設(shè)備外形尺寸355×380×150設(shè)備凈重8.0KG圖6控制器外殼3.6 光伏逆變器的選型光伏逆變器選型時(shí)一般是跟據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定的直流電壓來選擇逆變器的直流輸入電壓，根據(jù)負(fù)載的類型確定逆變器的功率和相數(shù)，根據(jù)負(fù)載的沖擊性決定逆變器的功率余量。逆變器的持續(xù)功率應(yīng)該大于使用負(fù)載的功率，負(fù)載的啟動(dòng)功率要小于逆變器的最大沖擊功率。在選型時(shí)還要考慮為光伏發(fā)電系統(tǒng)將來的擴(kuò)容留有一定的余量。在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓的選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求而定。選用湖北雷特斯科技有限公司生產(chǎn)的TLS-4KVA型逆變器，其技術(shù)參數(shù)如下：表3 所選逆變器參數(shù)型號(hào)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(jì)瞬時(shí)最大功率150%技術(shù)指標(biāo)，10秒輸出電壓220VAC±3%輸出頻率50Hz±0.05Hz空載電源0.8A DC波形失真率（THD）5%(線性負(fù)載）逆變效率90%工作環(huán)境溫度-1060工作環(huán)境海拔1000米 圖7 逆變器結(jié)論綜上所述，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該考慮用戶的負(fù)載需求量和當(dāng)?shù)氐奶鞖?/p>