獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)：59成 績(jī)：獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 部： 太陽能光電信息工程 專 業(yè)： 光電信息工程 姓 名： 黃丹萍 指導(dǎo)教師： 二一二年五月11摘 要以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將愈來愈不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要,加速開發(fā)利用以太陽能為主體的可再生能源已成為人們的共識(shí)。利用潔凈的太陽光能,以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。在進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)其中很重要的一部分是光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì),包括確定光伏方陣的傾斜角,以及決定太陽能電池方陣和的容量。在確定光伏方陣最佳傾角時(shí)，應(yīng)綜合考慮方陣面上太陽輻射量的連續(xù)性、均勻性?！娟P(guān)鍵詞】能源 蓄電池 傾斜角Ab

2、stractBased on conventional energy sources of energy structures as resources continue to consume more and more do not meet the requirements of sustainable development, speed up the development and utilization of solar to renewable energy has become the subject of consensus. Use clean solar energy, b

3、ased on semiconductor photovoltaic effect of photovoltaic power generation technology has a very broad application prospects. When the PV system design and a major part of the PV system capacity design, including determining the inclination angle of the PV array, as well as of the solar matrix and d

4、ecision capacity. When you determine the best angle PV array, should be considered on a square surface continuity, uniformity of sun radiation.【Key words】energy storage battery tilt angle目錄第一章 結(jié)論1第2章 獨(dú)立光伏系統(tǒng)22.1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)系統(tǒng)概述2 2.1.1蓄電池組 2.1.2阻塞二極管 第3章 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)23.1設(shè)計(jì)的基本原理33.2 蓄電池設(shè)計(jì)方法4第四章 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)64.1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)實(shí)例6致 謝10參考文獻(xiàn)11第一章 緒論在當(dāng)今社會(huì)，人類要長(zhǎng)久生存需要能源，社會(huì)要不斷發(fā)展也需要能源。然而煤、石油、天然氣這些化石能源實(shí)在有限。據(jù)統(tǒng)計(jì)這些化石能源可采用年限越來越少，甚至瀕臨枯竭。伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消耗持續(xù)增加，環(huán)境問題日益增突出。開發(fā)、 利用太陽能作為新能源成為大勢(shì)所趨。太陽能發(fā)電無需燃料，具有無污染、安全、 無噪音、運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠、 資源的相對(duì)廣泛性和安全性、 長(zhǎng)壽命等其他常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。而且太陽能是資源最豐富的可再生資源，太陽能不但數(shù)量巨大、用之不竭，而且是不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應(yīng)用是世界性的趨勢(shì)。廣義地說太陽光的輻射能、風(fēng)能

6、、水力能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能，它們隨著太陽的活動(dòng)，周而復(fù)始地循環(huán)，不會(huì)枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。在石油和煤炭等礦物能源日漸枯竭、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，太陽能等可再生能源的應(yīng)用愈來愈受到人們的重視。因此，我國應(yīng)該注重光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。光伏能源被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新能源，并且可再生的綠色能源太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用非常的廣泛。第2章 獨(dú)立光伏系統(tǒng)2.1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)系統(tǒng)概述) j4 b! s9 E) u3 C, R$ . q& 1 r( m# |' 通常的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池、控制器以及阻塞二極管組成。$ a8 d# f0 _7 H( ?8

7、 g' 2.1.1蓄電池組 2 J" u, 9 o7 q( O6 x. A' t" V; s& j' k: V. A6 y, l蓄電池組是太陽電池方陣的貯能裝置，其作用是將方陣在有日照時(shí)發(fā)出的多余電能貯存起來，在晚間或陰雨天供負(fù)載使用。3 i1 _' s! * 7 n. G- ( l3 n' X, c" F在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負(fù)載用電外，還對(duì)蓄電池充電；在冬天日照量少，這部分貯存的電能逐步放出，在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎(chǔ)上還要加上小得多的日循環(huán)，白天方陣給蓄電池充電，（同時(shí)方陣

8、還要給負(fù)載用電），晚上則負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時(shí)還要考慮價(jià)格和使用是否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池，要求較高的場(chǎng)合也有價(jià)格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。* r  X0 Q- r2 r. r+ f2.1.2阻塞二極管 # r3 N0 x' a4 , S7 u$ c+ + M' O  Z! d肖特基或鍺管0.3V左右。也稱作為反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極管的單向?qū)щ娦宰柚篃o日照時(shí)蓄電池通過太陽電池方陣放電。對(duì)阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向

9、耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方陣工作時(shí)，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對(duì)硅二極管通常為0.6V。7 V: t/ T+ o: r+ zS 第3章 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：容量設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的主要目的就是要計(jì)算出系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需的太陽電池組件和蓄電池的數(shù)量。同時(shí)要注意協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本兩者之間的關(guān)系，在滿足系統(tǒng)工作的最大可靠性基礎(chǔ)上盡量地減少系統(tǒng)成本。光伏系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要目的是根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的硬件設(shè)備包括太陽電池組件的選型，支架設(shè)計(jì)，逆變器的選擇，電纜的選擇，控制測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，防雷設(shè)計(jì)和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要

10、綜合考慮系統(tǒng)的軟件和硬件兩個(gè)方面。光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括負(fù)載用電量的估算，太陽電池組件數(shù)量和蓄電池容量的計(jì)算以及太陽電池組件安裝最佳傾角的計(jì)算。因?yàn)樘栯姵亟M件數(shù)量和蓄電池容量是光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，所以本節(jié)將著重講述計(jì)算與選擇太陽電池太陽電池組件和蓄電池的方法。3.1設(shè)計(jì)的基本原理太陽電池組件設(shè)計(jì)的一個(gè)主要原則就是要滿足平均天氣條件下負(fù)載的每日用電需求；因?yàn)樘鞖鈼l件有低于和高于平均值的情況，所以要保證太陽電池組件和蓄電池在天氣條件有別于平均值的情況下協(xié)調(diào)工作；蓄電池在數(shù)天的惡劣氣候條件下，其荷電狀態(tài)（SOC）將會(huì)降低很多。在太陽電池組件大小的設(shè)計(jì)中不要考慮盡可能快地給蓄電池充滿電。

11、如果這樣，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)很大的太陽電池組件，使得系統(tǒng)成本過高；而在一年中的絕大部分時(shí)間里太陽電池組件的發(fā)電量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載的使用量，從而造成太陽電池組件不必要的浪費(fèi)；蓄電池的主要作用是在太陽輻射低于平均值的情況下給負(fù)載供電；在隨后太陽輻射高于平均值的天氣情況下，太陽電池組件就會(huì)給蓄電池充電。設(shè)計(jì)太陽電池組件要滿足光照最差季節(jié)的需要。在進(jìn)行太陽電池組件設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要考慮的問題就是設(shè)計(jì)的太陽電池組件輸出要等于全年負(fù)載需求的平均值。在那種情況下，太陽電池組件將提供負(fù)載所需的所有能量。但這也意味著每年都有將近一半的時(shí)間蓄電池處于虧電狀態(tài)。蓄電池長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于虧電狀態(tài)將使得蓄電池的極板硫酸鹽化。而在獨(dú)立

12、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情況最差的情況下蓄電池也能夠被完全地充滿電。這樣蓄電池全年都能達(dá)到全滿狀態(tài)，可延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用。如果在全年光照最差的季節(jié)，光照度大大低于平均值，在這種情況下仍然按照最差情況考慮設(shè)計(jì)太陽電池組件大小，那么所設(shè)計(jì)的太陽電池組件在一年中的其它時(shí)候就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際所需，而且成本高昂。這時(shí)就可以考慮使用帶有備用電源的混合系統(tǒng)。但是對(duì)于很小的系統(tǒng)，安裝混合

13、系統(tǒng)的成本會(huì)很高；而在偏遠(yuǎn)地區(qū)，使用備用電源的操作和維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)高，所以設(shè)計(jì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵就是選擇成本效益最好的方案。3.2 蓄電池設(shè)計(jì)方法蓄電池的設(shè)計(jì)思想是保證在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。我們可以設(shè)想蓄電池是充滿電的，在光照度低于平均值的情況下，太陽電池組件產(chǎn)生的電能不能完全填滿由于負(fù)載從蓄電池中消耗能量而產(chǎn)生的空缺，這樣在第一天結(jié)束的時(shí)候，蓄電池就會(huì)處于未充滿狀態(tài)。如果第二天光照度仍然低于平均值，蓄電池就仍然要放電以供給負(fù)載的需要，蓄電池的荷電狀態(tài)繼續(xù)下降。也許接下來的第三天第四天會(huì)有同樣的情況發(fā)生。但是為了避免蓄電池的損壞，這樣的放電過程只能夠允許持續(xù)一定的

14、時(shí)間，直到蓄電池的荷電狀態(tài)到達(dá)指定的危險(xiǎn)值。為了量化評(píng)估這種太陽光照連續(xù)低于平均值的情況，在進(jìn)行蓄電池設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要引入一個(gè)不可缺少的參數(shù)：自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。這個(gè)參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。一般來講，自給天數(shù)的確定與兩個(gè)因素有關(guān)：負(fù)載對(duì)電源的要求程度；光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣象條件即最大連續(xù)陰雨天數(shù)。通常可以將光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的自給天數(shù)，但還要綜合考慮負(fù)載對(duì)電源的要求。對(duì)于負(fù)載對(duì)電源要求不是很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為35天。對(duì)于負(fù)載要求很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用系統(tǒng)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通

15、常取自給天數(shù)為714天。所謂負(fù)載要求不嚴(yán)格的系統(tǒng)通常是指用戶可以稍微調(diào)節(jié)一下負(fù)載需求從而適應(yīng)惡劣天氣帶來的不便，而嚴(yán)格系統(tǒng)指的是用電負(fù)載比較重要，例如常用于通信，導(dǎo)航或者重要的健康設(shè)施如醫(yī)院、診所等。此外還要考慮光伏系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)，如果在很偏遠(yuǎn)的地區(qū)，必須設(shè)計(jì)較大的蓄電池容量，因?yàn)榫S護(hù)人員要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池有鎳氫、鎳鎘電池和鉛酸蓄電池，但是在較大的系統(tǒng)中考慮到技術(shù)成熟性和成本等因素，通常使用鉛酸蓄電池。在下面內(nèi)容中涉及到的蓄電池沒有特別說明指的都是鉛酸蓄電池。蓄電池的設(shè)計(jì)包括蓄電池容量的設(shè)計(jì)計(jì)算和蓄電池組的串并聯(lián)設(shè)計(jì)。首先，給出計(jì)算蓄電池容量的基本方法。考慮的計(jì)

16、算修正因子，我們可以得到如下蓄電池容量的最終計(jì)算公式。蓄電池容量(指定放電率) 建立一套光伏供電系統(tǒng)給一個(gè)地處偏遠(yuǎn)的通訊基站供電，該系統(tǒng)的負(fù)載有兩個(gè)：負(fù)載一，工作電流為1安培，每天工作24小時(shí)。負(fù)載二，工作電流為5安培每天工作12小時(shí)。該系統(tǒng)所處的地點(diǎn)的24小時(shí)平均最低溫度為-20，系統(tǒng)的自給時(shí)間為5天。使用深循環(huán)工業(yè)用蓄電池（最大DOD為80）。因?yàn)樵摴夥到y(tǒng)所在地區(qū)的24小時(shí)平均最低溫度為-20，所以必須修正蓄電池的最大允許放電深度。由最大放電深度蓄電池溫度的關(guān)系圖我們可以確定最大允許放電深度為50。所以，加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間= 6.67hrs平均放電率 =66.7小時(shí)率根據(jù)上頁中的典型溫

17、度放電率容量變化曲線，與平均放電率計(jì)算數(shù)值最為接近的放電率為50小時(shí)率，-20時(shí)在該放電率下所對(duì)應(yīng)的溫度修正系數(shù)為0.7（也可以根據(jù)供應(yīng)商提供的性能表進(jìn)行查詢）。如果計(jì)算出來的放電率在兩個(gè)數(shù)據(jù)之間，那么選擇較快的放電率（短時(shí)間）比較保守可靠。因此蓄電池容量為：蓄電池容量1428.57Ah50小時(shí)放電率第四章 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下例中的獨(dú)立光伏系統(tǒng)是為微波中繼站配套設(shè)計(jì)（Mark，1979）17。1、第一步分析負(fù)載微波中繼站一般平均需要100W的功率和24+5V或24-5V的電壓。因此，相對(duì)應(yīng)的平均電流也就是4.17A。2、第二步選擇蓄電池的容量對(duì)于上述負(fù)載，假設(shè)我們需要

18、15天的能量?jī)?chǔ)備，那么系統(tǒng)中蓄電池的容量即為 4.17Ah×24h×15天 = 1500Ah。3、第三步太陽能板傾角的初步估算一般來說，需要根據(jù)安裝地區(qū)的信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且經(jīng)常會(huì)選擇比安裝地點(diǎn)的緯度角大20°左右的傾角。比如說，南半球某處的緯度是37.8°S，那么初次近似得到的傾角就應(yīng)該是37.8°+ 20° = 57.8°，面北。表4.1南半球某處投射在水平面上的月平均直射/漫射日照數(shù)據(jù)月份S（mW/cm2）D（mW/cm2）一月629210二月559144三月396166四月309127五月19998六月16779七月1

19、9582八月254120九月368148十月500197十一月491241十二月6762144、第四步日照。首先獲取該地的日照數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出落在太陽能板斜面上的日照量。從表4.1得出，在一月份 S = 629 mWh/cm2 D = 210 mWh/cm2因此，在傾角為57.8°的平面上，通過公式可得出，直射光為 S57.8 = 629 sin (+57.8) / sin = 23.45°×sin (15-81)×360/365 =21.3° = 90 -37.8 - 在上式中我們選擇一月中旬的一天（如一年中的第15天，即d = 15）代入，

20、因此 = 73.5 ° S57.8 = 493 mWh/cm2而投射到陣列上的總?cè)照蛰椛洌ㄖ鄙?漫射）就是 Rb = S57.8 + D = 703 mWh/cm2 當(dāng)然，此處假設(shè)漫射D不會(huì)隨傾角的增減而變化。在傾角不是很大的情況設(shè)置這樣的假設(shè)還是合理的。從表得出，在六月 d = 166 = 23.45°×sin (166-81)×360/365 =23.3° = 28.9° S57.8 = 629 sin (a+57.8) / sin = 345 mWh/cm2 Rb = S57.8 + D = 424 mWh/cm25、第五步陣列

21、面積的初步計(jì)算 陣列面積可初步估算為5×4.17 = 20.9Ap（Ap為峰值電流） 算出每月輸出電能換算成A（采用Ah估算即可），亞利桑那州的一個(gè)研究報(bào)告指出（Hammond，1997）18，對(duì)垂直于太陽安裝的組件而言，兩次雨水沖刷間由塵泥覆蓋引起的能量損失最大為3%，并且會(huì)隨著入射角的增加而增大?；覊m會(huì)降低太陽能板的能量輸出，這部分一般記作作10%的遮光損失。例如，在一月份：703mWh/cm2×0.9×31d×20.9A/100 mWh/cm2 = 4100Ah。 將每月負(fù)載用電量換算成B，同時(shí)需包括蓄電池漏電的損耗（可估算為3%）。以一月份為例，用電量是：（4.17A×24d×31d）+（0.03×1500A）= 3147Ah上式中我們假設(shè)蓄電池最初為滿電狀態(tài)。 通過每月發(fā)電量和每月用電量的差，求出當(dāng)月月底蓄電池的剩余電量。 對(duì)其他月份重復(fù)的計(jì)算。6、第六步優(yōu)化光伏陣列傾角 保留太陽能板面積不變，對(duì)光伏陣列傾角作以微調(diào)，然后重復(fù)上述第四步，以及第五步的，直到將蓄電池放電深度最小化為止。這樣可以得到最優(yōu)化的光伏陣列傾角。7、第七步優(yōu)化陣列面積 確定了最佳傾角后，通過不斷調(diào)整陣列面積，重復(fù)第五步 得計(jì)算，以得出最優(yōu)化的蓄電池放電深度。其理想值介于蓄電池