獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1、獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計目錄1引言12 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理13 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計23.1 系統(tǒng)容量的設(shè)計23.2 太陽能電池組件及方陣的設(shè)計33.2.1 光伏組件方陣設(shè)計需要考慮的問題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獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計摘要太陽能光伏發(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重的環(huán)境問題，還能解決邊遠地區(qū)居民用電難，成本高的問題。本論文將從小型獨立系

2、統(tǒng)的發(fā)電原理，系統(tǒng)設(shè)計原理，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)計適合家庭使用的小型系統(tǒng)。通過理論與實際市場調(diào)查相結(jié)合的方法設(shè)計適合全國各地人民使用的優(yōu)惠且實用的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：小型；獨立光伏發(fā)電；系統(tǒng)；優(yōu)惠實用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)濟的重要組成部分。近年來，國家財政對太陽能產(chǎn)業(yè)的補貼力度逐年增強。獨立光伏發(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載(交流負載或直流負載)的發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于遠離公共電網(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。直流或交流負載通過開關(guān)與控制器連接?？刂破髫撠?zé)保護蓄電池，防止出現(xiàn)過充或過放電狀態(tài)，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(dāng)蓄電池達

4、到過充電狀態(tài)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(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載需要的交流電。 圖1 獨立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理3 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)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(tǒng)的配置最合理、最經(jīng)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(xié)調(diào)整個系統(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，達到最好的經(jīng)濟效益。3.1 系統(tǒng)容量的設(shè)計通過數(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)計中，負載的總耗電量為4000wh/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(huán)鏡溫度對其容量的影響。南京地區(qū)全年最低氣溫大約為-4-

6、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，將蓄電池串連起來給負載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個數(shù)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(lián)蓄電池數(shù)=2 所以蓄電池串聯(lián)數(shù)為2并聯(lián)蓄電池數(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3.2.1 光伏組件方陣設(shè)計需要考慮的問題設(shè)計太

7、陽電池組件要滿足光照最差季節(jié)的需要。蓄電池長時間處于虧電狀態(tài)將使得蓄電池的極板硫酸鹽化。在獨立光伏系統(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，整個系統(tǒng)的運行費用也將大幅度增加。太陽電池組件設(shè)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(jié)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(jié)的光照度大大低于平均值，這樣設(shè)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。3.2.2 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度、大氣質(zhì)量、地理位置等

8、因素有直接的關(guān)系和影響，因此在設(shè)計太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時，應(yīng)考慮太陽輻射的方位角和傾斜角、峰值日照時數(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)計時最重要的因素之一。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(shè)置，傾斜角為900時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，以使太陽能電

9、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)計方法太陽電池組件設(shè)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(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是太陽能電池組件峰值工作電壓

10、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）峰值日照時數(shù)（h)。上面的公式是理論計算，實際應(yīng)用時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算公式為： 串聯(lián)電池組件數(shù)= 并聯(lián)電池組件數(shù)= 補充的蓄電池容量(Ah)=安全系數(shù)負載日平均耗電量(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)峰值日照時數(shù)(h)傾斜面修正系數(shù)組件衰降損耗修正系數(shù) （式中，峰值日照時數(shù)和傾斜面修正系數(shù)都是指光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝地的實際數(shù)據(jù)，組件衰降損

11、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，當(dāng)太陽能電池方陣局部發(fā)生故障時，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。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)計選用上海新馳電氣有限公司生產(chǎn)的

12、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(tǒng)不需要另行設(shè)計。 圖5匯流箱實物圖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(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程監(jiān)測控制功

13、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(jù)上面的設(shè)計中，組件需要并聯(lián)40組，所以系統(tǒng)的短路電流為Ioc=5.5240=220A 選擇合肥賽光電源科技有限公司生產(chǎn)的SSCP-48-220A型號的控制器。表2 所選控制器參數(shù)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(fù)點52.0V蓄電池過放電壓點42.0V蓄電池過放電壓恢復(fù)點50.0V靜態(tài)損耗電流100mA使用環(huán)境溫度-20+50使用海拔2000m防護等級

14、IP20設(shè)備外形尺寸355380150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一般是跟據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計確定的直流電壓來選擇逆變器的直流輸入電壓，根據(jù)負載的類型確定逆變器的功率和相數(shù)，根據(jù)負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(fā)電系統(tǒng)將來的擴容留有一定的余量。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓的選擇應(yīng)根據(jù)負載的要求而定。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(shù)指標，10秒輸出電壓220VAC3%輸出頻率50Hz0.05Hz空載電源0.8A DC波形失真率（THD）5%(線性負載）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，在進行系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)該考慮用戶的負載需求量和當(dāng)?shù)氐奶鞖鈼l件等不