屋頂太陽能發(fā)電廠設計

1、太陽能光伏發(fā)電課程設計I站秒豺M加協(xié)Fujia n College of Water Con serva ncy and Electric Power課程名稱：_ 太陽能光伏發(fā)電課程設計設計題目： _ 屋頂太陽能發(fā)電廠設計班 級：_ 新能源1531姓 名：王超學 號：1244150129小組成員：李政輝、俞銘輝、朱邦茂、王超、林浩鵬指導教師（簽名）:吳坤華2017年6月第一章 基本知識一發(fā)展歷史 1二太陽能發(fā)電原理 1三太陽能電池板結構說明 2四太陽能電池板材料選型 3五系統(tǒng)選定及介紹 5第二章 可行性討論一系統(tǒng)實現(xiàn)的目標 13二根據目標進行選擇材料 131.1 太陽電池組件（單晶硅太陽電池）

2、 131.2 蓄電池（金屬氫化物鎳蓄電池） 141.3 匯流箱 .141.3 光伏控制器（太陽能控制器） 151.4 交流逆變器（光伏逆變器） 16三優(yōu)化系統(tǒng)結構 18四問題的提出與解決 19第三章 總結太陽能光伏發(fā)電課程設計第一章 基本知識一發(fā)展歷史早在 1839年，法國科學家貝克雷爾( Becqurel )就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體 材料的不同部位之間產生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應”，簡稱 “光伏效應”。 1954 年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成 了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發(fā)電技術。20 世紀 70 年代后，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展

3、，全球能源危機和大氣污染問題日 益突出， 傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少， 對環(huán)境造成的危害日益突出， 同時全 球約有 20 億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再 生能源， 希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展， 這 之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。 豐富的太陽輻射能是重要的 能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太 陽能每秒鐘到達地面的能量高達 80 萬千瓦時， 假如把地球表面 0.1%的太陽能轉 為電能，轉變率5%每年發(fā)電量可達5.6 X 1012千瓦小時，相當于世界上能耗 的 40 倍。正是由于太陽能

4、的這些獨特優(yōu)勢， 20 世紀 80 年代后，太陽能電池的 種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規(guī)模也逐步擴大。20 世紀 90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到 2006年，世界上已經建成了 10 多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)， 6個兆瓦級的聯(lián)網光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā) 電的發(fā)展規(guī)劃的國家。 1 997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本 1 992年啟動了新 陽光計劃，到 2003年日本光伏組件生產占世界的 50%，世界前 1 0大廠商有 4家 在日本。而德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網電價， 大大推動了光伏市場 和產業(yè)發(fā)展， 使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。 瑞士、法國、 意大利、

5、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術開發(fā) 和加速工業(yè)化進程。世界光伏組件在 1990年2005年年平均增長率約 15%。20世紀 90 年代 后期，發(fā)展更加迅速， 1999年光伏組件生產達到 200 兆瓦。商品化電池效率從 10%- 13%g高到13% 15%生產規(guī)模從15兆瓦/年發(fā)展到525兆瓦/年，并 正在向 50兆瓦甚至 100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到 3美元/瓦以下。2006 年的光伏行業(yè)調查表明，到 2010 年，光伏產業(yè)的年發(fā)展速度將保持在 30%以上。年銷售額將從 2004年的 70億美金增加到 2010年的 300億美金。許多 老牌的光伏制造公司也

6、從原來的虧本轉為盈利。二太陽能光伏發(fā)電原理光伏發(fā)電是利用半導體材料光伏效應直接將太陽能轉換為電能的一種發(fā)電形式。光伏發(fā)電的基本原理如圖 2-1所示。半導體材料組成的 PN結兩側因多數載流子(N區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴)向對方的擴散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)W，建立自由電場Ei。它對兩邊多數載流子是勢壘，阻擋其繼續(xù)向對防擴散， 但它對兩邊的少數載流子（N區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子）卻其牽引作用，能把 它們迅速拉到對方區(qū)域。穩(wěn)定平衡時， 少數載流子極少，難以構成電流和輸出電 能。但是，當太陽能射到PN結時，以光子的形式與組成PN結的原子價電子碰撞， 產生大量處于非平衡電子驅向 N區(qū)，N區(qū)中的非平衡空

7、穴驅向P區(qū)，從而使得N 區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。這樣在 PN結附近就形成于內建電場方向 相反的光生電場Eph。光生電場除一部分抵消內建電場外，還使 P型層帶正點， N型層帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層產生光生電動勢。當接通外部電路時， 就會產生電流，輸出電能。當把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串聯(lián)的方 式組合在一起構成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出足夠大的電能。"7光電子7 .1*L120圖1-1光伏發(fā)電原理示意圖.太陽能電池板結構說明1. 面板玻璃 其作用為保護發(fā)電主體（如電池片），透光其選用是有要求的, （1）透光率必須高（一般91%以上）; （2）超白鋼化處理。

8、圖一面板玻璃2. EVA膠膜 用來粘結固定鋼化玻璃和發(fā)電主體（如電池片），透明EVA材質 的優(yōu)劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃，從而影響組件 的透光率，從而影響組件的發(fā)電質量除了 EVA本身的質量外，組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不 夠，都會引起EVA提早老化，影響組件壽命。圖二EVA膠膜3. 電池片 主要作用就是發(fā)電，發(fā)電主體市場上主流的是晶體硅太陽電池片、薄膜太陽能電池片，兩者各有優(yōu)劣晶體硅太陽能電池片，設備成本相對較低， 但消耗及電池片成本很高，但光電轉換效率也高，在室外陽光下發(fā)電比較適宜薄 膜太陽能電池，相

9、對設備成本較高，但消耗和電池成本很低，但光電轉化效率相對晶體硅電池片一半多點，但弱光效應非常好，在普通燈光下也能發(fā)電，如計算器上的太陽能電池。4.背板 作用，密封、絕緣、防水（一般都用TPT TPE等材質必須耐老化, 大部分組件廠家都質保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關鍵就在與背 板和硅膠是否能達到要求）。圖四背板5. 鋁合金邊框起一定的密封、支撐作用圖五鋁合金邊框6. 接線盒 保護整個發(fā)電系統(tǒng)，起到電流中轉站的作用，如果組件短路接線 盒自動斷開短路電池串，防止燒壞整個系統(tǒng)接線盒中最關鍵的是二極管的選用， 根據組件內電池片的類型不同，對應的二極管也不相同。圖六 接線盒7. 有機硅膠密封

10、作用，用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處 有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代硅膠，國內普遍使用硅膠，工藝簡單，方便, 易操作，而且成本很低。圖七有機硅膠8. 互連條 互連條也叫涂錫銅帶、涂錫帶，寬一些的互連條也叫匯流條，它 是電池組件中電池片于電池片連接的專用引線。太陽能電池可由各種不同的半導體材料制成， 迄今使用最普遍的是硅。雖然 硅把陽光轉換為電力時效率并非最高的，但是它卻是半導體市場的主導，因為 硅半導體發(fā)電的成本最低、發(fā)電量最大。制造太陽能模塊的硅有三種形式：單 晶硅、多晶硅和非晶硅單晶硅太陽能電池單晶硅，是硅的單晶體。具有基本完整的點陣結構的晶體。不同的方向具有 不同的性質，

11、是一種良好的半導材料。熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶 格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒， 則這些晶粒平行結 合起來便結晶成單晶硅。單晶硅具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導電性將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電 池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是 在石英管制成的高溫擴散爐中進行。 這樣就硅片上形成P-N結。然后采用絲網印 刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，并在有 柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光

12、子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單晶硅電池片四個角呈圓弧狀，表面沒有花紋。 單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為 15流右，最高的達到24%這是所有種類 的太陽能電池中光電轉換效率最高的， 但制作成本很大，以致于它還不能被大量 廣泛和普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達 15年，最高可達25年。圖1-2單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池 以多晶硅為基體材料的太陽能電池。多晶硅太陽電池的制 作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降 低不少，其光電轉換效率約12流右(2

13、004年7月1日日本夏普上市效率為14.8% 的世界最高效率多晶硅太陽能電池)。多晶硅電池片四個角為方角，表面有類似 冰花一樣的花紋。從制作成本上來講， 比單晶硅太陽能電池要便宜一些， 材料制 造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發(fā)展。此外，多晶硅太陽 能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。從性能價格比來講，單晶硅太陽能電池還略好。圖1-2 多晶硅太陽能電池(3)非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池是一種以非晶硅化合物為基本組成的薄膜太陽能電 池，非晶硅太陽電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶 硅太陽電池的制作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗

14、很少，電耗更低，它的主要優(yōu)點是在弱光條件也能發(fā)電。 但非晶硅太陽電池存在的主要問題是 光電轉換效率偏低，國際先進水平為 10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時間的延長， 其轉換效率衰減。圖1-3 非晶硅薄膜太陽能電池五.系統(tǒng)選定及介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV System）是將太陽能轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光 生伏特效應。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點是可靠性高、 使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨立發(fā)電又能并網運行，受到各國企業(yè)組織的青睞， 具有廣闊的發(fā)展前景。據智研咨詢統(tǒng)計：2012年全球

15、光伏發(fā)電累計裝機達到 97GW,201命全球新增 裝機30GW中國新增裝機占全球總量的16%以上，隨著國家對清潔能源產業(yè)的 大力扶持，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)產業(yè)將迎來發(fā)展高峰期。是指利用光伏電池的光生伏打效應，將太陽輻射能直接轉換成電能的發(fā)電系 統(tǒng)，包括光伏組件和配套部件（BOS）。系統(tǒng)形式主要有三種:1.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)（離網系統(tǒng)）2.并網光伏發(fā)電系統(tǒng) 3.分 布式光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分圖1-4離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)離網光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽電池組件組成的光伏方陣、太陽能充放電控制器、蓄電池組、離網型逆變器、直流負載和交流負載等構成。光伏方陣在有光照 的情況下將太陽能轉換為電能，通過

16、太陽能充放電控制器給負載供電， 同時給蓄 電池組充電；在無光照時，通過太陽能充放電控制器由蓄電池組給直流負載供電， 同時蓄電池還要直接給獨立逆變器供電， 通過獨立逆變器逆變成交流電，給交流 負載供電。組件作用:1. 太陽能電池組件：作用是將太陽能轉化為電能，或送往蓄電池中存儲起 來，或推動負載工作。2. 控制器：用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充 電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。3. 蓄電池：作用是對蓄電池組的充放電進行保護；蓄電池組用于存儲電能；逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽電池組件無法工作時，由蓄電池組供電給負載工作。蓄電池的

17、工作方式可分為循環(huán)使用和浮充使 用兩種。經常處于頻繁的充放電工作狀態(tài)，即循環(huán)使用；經常處于充電狀態(tài)則為 浮充使用，能彌補蓄電池因自放電而造成的容量損失。4. 逆變器：將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM 處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。第二章 可行性討論 一系統(tǒng)實現(xiàn)的目標 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了在偏遠地區(qū)或經常停電地區(qū)作為應急發(fā)電設備， 在陰雨天保證負載的使用，無枯竭危險；絕對干凈(無污染，除蓄電池外)；不 受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電； 能源質量高； 獲取能源花費的時 間短；供電系統(tǒng)工作可

18、靠。二根據目標進行選擇材料1.1 太陽電池組件(單晶硅太陽電池)(1)負載日功耗QL(Wh計算。1 )主要依據：要求建設一座光伏電池組件裝機容量為1MW勺獨立光伏電站；當地年輻射量為 6782.3MJ/m2。2 )計算公式為：QL=PKOPHL/5618AX 365)P=1000kWPHL=6782.3MJ/m2式中：A為安全系數，取1.2 ; KOP為最佳輻射系數，取1.1 ; HL為水平面 尚年太陽總輻射量( kJ/m2)； P 為光伏電池功率。于是有：QL=1000 kWP X 1.1 X 6782.3MJ/m2/ (5618X 1.2 X 365) =3032kWh( 2)光伏組件設計

19、。1 )太陽能電池組件總功率為 1000kWP選用300WP太陽能電池組件。其 主要參數為：額定峰值功率 340WP額定峰值電壓34V;額定峰值電流10A。設 計發(fā)電系統(tǒng)的額定直流電壓220V。連續(xù)陰雨天數7天。2)太陽能電池組件串并聯(lián)數勺確定。電池組件串聯(lián)數=(系統(tǒng)工作電壓X 1.43 ) /組件峰值工作電壓。=(220X1.43) /34=10 塊電池組件并聯(lián)數=光伏電池方陣功率/ (太陽能電池組件串聯(lián)數X組件峰值功 率)=1000000WP/(10X300) =334塊電池組件實際數=10 X 334=3334塊。電池組件實際總功率=3334X 300=1000.2kW2蓄電池選用48V

20、/1200Ah的蓄電池。電池總量=(負載日耗電量(Wh /系統(tǒng)直流電壓(V)X連續(xù)陰雨天數/ (逆變器效率X蓄電池放電深度=(3032000/220) X 7/ (0.9 X 0.7 ) =153131.31Ah蓄電池并聯(lián)數=蓄電池總量/蓄電池標稱容量=153131.31Ah/1200Ah=128 塊蓄電池串聯(lián)數=系統(tǒng)工作電壓/蓄電池標稱電壓=220/48=5塊蓄電池總塊數=128X 5=640塊1.3匯流箱本次設計方案為，每個發(fā)電單元中的 11塊太陽能電池組件順次串聯(lián)組成一 個發(fā)電單元，再將8個發(fā)電單元接入一個匯流箱內。 選用陽光電源公司的8輸入 匯流箱，型號為PVS-8,共需38個。圖2-

21、1匯流箱匯流箱參數如下表：表2-1匯流箱參數最大光伏陣列電壓1000Vdc最大光伏陣列并聯(lián)輸入路數8每路熔絲額定電流（可更換）10A/15A環(huán)境溫度-25? +60C環(huán)境濕度0? 99%寬*高*深670*600*210mm重量27kg1.4光伏控制器（太陽能控制器）本次設計方案為：先用12-24V型號為SC1224-25A的太陽能光伏控制器控制 當發(fā)電單元，再用型號為 SC500-2600A的太陽能光伏控制器控制 SC1224-25A的太陽能光伏控制器（1）SC1224-25A太陽能光伏控制器參數:太陽能板功率（WP 300充電電壓（V）24充電電流（A）12.5太陽能板組數（路）1過充保護（

22、V）13.7V/27.4V欠壓保護（V）10.5V-11V/21V-22V空載電流（A）< 20mA工作環(huán)境溫度35-85 % RH (無結露)/-10 C -50 C溫度補償(-4mv/)工作海拔高度（M）< 5000保護類型過充、過放、過載、短路保護；防反接、防反充、防雷功能顯示方式LCD屏幕顯示+LED燈顯示工作狀態(tài)防護等級IP22冷卻方式鋁板散熱（2） SC500-2600A太陽能光伏控制器參數：太陽能板功率（WP 1300000充電電壓（V 500充電電流（A）2600太陽能板組數（路）1過充保護（V）570.8欠壓保護（V）437.5-458.3空載電流（A）=416。

23、6mA工作環(huán)境溫度 35-85 % RH （無結露）/-10 C -50 C溫度補償(-4mv/)工作海拔高度（M）< 5000保護類型過充、過放、過載、短路保護；防反接、防反充、防雷功能顯示方式LCD屏幕顯示+LED燈顯示工作狀態(tài)防護等級IP22冷卻方式鋁板散熱1.4交流逆變器（光伏逆變器）本次設計電站容量較大，發(fā)電系統(tǒng)的容量達到了 1MW所以選用較大的大型 逆變器，型號為 SG1000KS SG1000KS為定制產品，內部由兩個型號為 SG500MX 容量達500kW的逆變器 組成，并包含有一臺交流配電柜，配備自用電輸出端口。產品參數如下表：表2-2逆變器參數直流輸入參數最大直流輸入

24、功率（cosp=1）3000kW最大直流電流1200A最大直流輸入電壓DC1000VMPPT電壓范圍DC500-DC820直流輸入路數8交流輸出參數額定輸出功率1000kW最大輸出功率1200kVA額定電網電壓三相AC315V （2路）允許電網電壓范圍AC250-AC362V 可設置）額定電網頻率50Hz允許電網頻率47-52HZ （可設置）功率因數調節(jié)0.9 （超前）？ 0.9 （滯后）總電流諧波畸變率<3° % （額定功率）電網類型IT電網（三相三線）直流分量<5%額定電流隔離變壓器（有/無）無轉換效率最大效率98.7%歐洲效率98.5%圖2-4 交流逆變器三優(yōu)化系統(tǒng)

25、結構設計發(fā)電系統(tǒng)的額定直流電壓 110kV。1太陽能電池組件串并聯(lián)數的確定。電池組件串聯(lián)數=(系統(tǒng)工作電壓X 1.43 ) /組件峰值工作電壓。=(110000X 1.43 ) /120000=4627 塊電池組件并聯(lián)數 =光伏電池方陣功率 /(太陽能電池組件串聯(lián)數 *組件峰值功 率)=1000000WP/( 2X 300) =1 塊電池組件實際數 =1X 4627=4627塊。電池組件實際總功率 =4627X 300=1 388.1kW。2蓄電池選用24V/1200Ah的蓄電池。電池總量 =(負載日耗電量( Wh)/ 系統(tǒng)直流電壓( V)* 連續(xù)陰雨天數 /(逆 變器效率 *蓄電池放電深度)

26、=(3032000/110000)X7/(0.9X0.7)=306.26Ah蓄電池并聯(lián)數 =蓄電池總量 /蓄電池標稱容量=306.26Ah/1200Ah=1塊蓄電池串聯(lián)數 =系統(tǒng)工作電壓 /蓄電池標稱電壓=110000/24=4584 塊蓄電池總塊數=4584X仁4584塊蓄電池電流由6400A降到了 50A,減小了 128倍，電流損耗減小了 1600倍。3. 降壓變壓器因為系統(tǒng)電壓升高到110kV,不能直接給負載供電，需要加一臺變壓器。根據以上條件，選用 SF10-63000/110 型變壓器。型號參數如下：1.電壓組合及分接范圍：高壓110kV± 2X 2.5 %，低壓220V。

27、2.空載損耗（kW 39.1，負載損耗（kW 221，空載電流（）0.2 ,阻抗電壓10.5 %，運輸重量（t） 54.6，總重（t） 65.5，外形尺寸：長x寬x 高(mm)5830x4520x5885。fl AM血直卍電扣毗膽企ER計圖2-5 優(yōu)化后系統(tǒng)結構四.問題的提出與解決。1.如果蓄電池發(fā)生故障該怎么解決?表4-1 蓄電池外觀故障及解決方法故障現(xiàn)象故障原因故障后果解決方法電池殼裂痕或碎 裂運輸或撞擊損壞電池液干涸或接 地故障更換損壞的蓄電池電池端子上有腐 蝕制造過程殘留的 電解液或電池端 子密圭寸不嚴滲透 的電解液腐蝕了 端子增大了接觸電阻， 連接部位發(fā)熱并 加大電壓降拆下連接線，清潔 連接面再安裝，并 涂保護油脂，滲透 嚴重時必須更換 蓄電池電池端子上有熔 化的油脂痕跡因為連接松動或 接觸面有污物造 成接觸不良，使連 接處發(fā)熱輸出電壓下降，使 用時間縮短，端子 損壞重新擰緊松動處， 清除連接處污物 后再連接電池冗發(fā)熱膨脹因為高溫環(huán)境、過 大浮充電壓或充 電電流，或上述故 障的組合，造成熱 失控電池失