蓝狮注册平台-登录目 录 ⅰ 摘 要 为实现我国的可持续发展，我国致力于把能源短缺和污染问题放在首位，因此针对目前我国城市建设过程中的实际情况，为使太阳能这一新能源更好的服务于城市电气化建设，以上海为例，根据当地的气象、环境状况及具体负荷情况，进行小型光伏发电系统的设计，对系统的光伏倾角、光伏电池板、蓄电池、控制器和逆变器进行了设计和选择。在满足用户供电需求下，尽量减少初始投资，同时归纳了设计过程中应注意的事项。最后，用专业的光伏系统设计软件Pvsyst对设计方案进行仿真，对其用户满足率、能源利用率、蓄电池工作状态、经济效益及环境效益进行了详细的分析。 关键词：小型光伏发电系统的设计；Pvsyst仿真；用户 Abstract To achieve the sustainable development of our country,our country is devoted to the problem of energy shortage and pollution in the first place, therefore, according to the present actual situation in the process of urban construction in our country, to make the solar better service in the city of electrification construction of the new energy source, illustrated by the case of Shanghai, according to the local weather, environmental conditions and the specific load case, for thedesign of small photovoltaic power generation systems, photovoltaic inclination of the system, photovoltaic panels, batteries, controller, AC and DC power distribution cabinets and inverter has carried on the design and selection. As far as possible to meet user demand, reduce initial investment,at the same time, summarizes the matters that should be paid attention to in the design process. Finally, Pvsyst with professional PV system design software to design the simulation, the user fill rate,energy efficiency, battery working status,economic and environmental benefits are analyzed in detail. Key words: small photovoltaic system design; Pvsyst simulation; the user 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 第1章 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2 光伏发电的历史和系统分类 2 1.2.1 光伏发电的历史 2 1.2.2 光伏发电系统分类 2 1.3 光伏发电的优势及存在的问题 3 1.4 课题任务和重点研究内容 4 1.4.1 课题任务 4 1.4.2 课题重点研究内容 4 1.4.3 课题设计步骤 5 第2章 小型独立光伏发电系统 6 2.1 小型光伏发电系统的组成与原理 6 2.2 小型光伏发电系统容量设计原则 7 2.3 太阳能光伏发电系统容量的设计和计算 8 2.3.1 太阳电池组件及方阵的设计和计算 8 2.3.2 蓄电池和蓄电池组的设计和计算 9 2.4 其他几种计算公式和设计方法 9 第3章 设计案例 12 3.1 负载参数 12 3.2 环境参数 13 目 录 ⅱ 3.2.1 上海地区的日均峰值小时数 13 3.2.1 上海地区的最长连续阴雨天数 14 3.3 蓄电池的选型 15 3.3.1 蓄电池的种类 16 3.3.2 蓄电池组容量设计 17 3.3.3 蓄电方阵的阵列设计 19 3.3.4 蓄电池安装规范 20 3.4 光伏组件的选型 20 3.4.1 光伏方阵容量的设计 21 3.4.2 太阳光伏方阵最佳倾角的确定 22 3.4.3 光伏组件阵列间距的确定 24 3.4.4 光伏方阵的布置 26 3.4.5 光伏方阵的安装规范 27 3.5 光伏控制器的选型 27 3.5.1 光伏控制器的功能 29 3.5.2 光伏控制器的计算 29 3.5.3 光伏控制器的安装规范 30 3.6 光伏逆变器的选型 31 3.6.1 光伏逆变器的选择原则 31 3.6.2 逆变器的确定 32 3.6.3 逆变器的安装规范 33 第4章 光伏系统的接线 导线和电缆截面的一般选择原则 34 4.2 光伏发电电缆的类型 35 4.3 光伏系统电缆遵循的原则 36 4.4 电缆的选型 36 4.5 过电流保护选型 37 第5章 防雷接地保护的设计 38 5.1 关于雷击入侵及开关浪涌 38 5.2 雷击对光伏发电系统的危害 39 5.3 太阳能光伏发电系统的防雷措施和设计要求 40 第6章 Pvsyst软件仿线 光伏系统基本参数的设置 42 6.3 行距设计 42 6.4 负载参数 43 6.5 系统性能分析 44 附录 45 参考文献 47 致谢 48 吉林工程技术师范学院毕业论文 1 第1章 绪论 1.1 课题研究背景 在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平；日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划2020年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。 光伏发电技术可直接将太阳光转换成电能，没有任何污染，有助于解决全球变暖的问题和我国的能源安全问题。用户光伏发电系统又叫离网型光伏发电系统，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器组成。具有功率小、安装方便、维护简单等特点。近年来，我国在太阳能光伏发电领域出现了日新月异的变化，光伏企业犹如雨后春笋般地呈现。通过“送电到乡”、“金太阳”等工程，光伏系统已解决了许多边远地区人口的供电问题。随着传统化石能源的枯竭，太阳能光伏这一清洁、可再生的新型发电方式成为能源结构中重要的替代能源。 “十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万千瓦，太阳能光热发电装机容量100万千瓦，分布式光伏发电系统约1000万千瓦，光伏电站投资按平均每千瓦一万元测算，分布式光伏系统按1.5万元测算，总投资需求约2500亿元。 在此背景下，未来能源的趋势中，光伏会占据一个很重要的地位并且不可取代。同时，光伏发电是利用太阳能电池将太阳能转化为电能的一种发电方式。随着光伏组件、控制器、蓄电池、逆变器等光伏系统中所需设备的完善，光伏发电系统正蓬勃发展。它与常规发电所需的资源相比，太阳能资源具有如下优越性： 第1章 绪论 2 （1）取之不尽，用之不竭； （2）就地可取，不需运输； （3）分布光伏，分散使用； （4）不污染环境，不破坏生态； （5）周而复试，可以再生。 因此，光伏发电是未来能源发展的趋势。 1.2 光伏发电的历史和系统分类 1.2.1 光伏发电的历史 1839年，19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了“光生伏打效应”。 1904年，爱因斯坦发表光电效应论文，为此在1921年获得诺贝尔奖。 1954年5月，美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松开发出效率为6%的硅太阳电池，这是世界上第一个实用的太阳电池。 1958年，美国宇航局（NASA）在美国先锋1号人造卫星上首次应用太阳电池作为卫星的电源。 20世纪70年代末，光伏技术开始大量应用于地面。 进入21世纪，各国纷纷制定可再生能源法规，并网光伏系统开始大规模建设，光伏发电广发应用于各个领域。 1.2.2 光伏发电系统分类 光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。 独立光伏发电系统又应用于农村电气化、通信和工业应用和光伏产品，而并网光伏发电系统应用于与建筑结合的光伏发电系统和大型光伏电站。这次课题主要针对的是独立光伏发电系统中的农村电气化，为发展我国的可持 吉林工程技术师范学院毕业论文 3 续发展观，国家应该从人口基数最大的农村着手，加大农民对于新型能源的认知程度从而促使我国又快又好的实现可持续发展。 图1-1光伏发电系统分类 1.3 光伏发电的优势及存在的问题 将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。光伏发电是将太阳能直接转换为电能的一种发电形式，光伏发电的主要优势是: （1）一个新厂从设计、安装到开始发电所需的时间短； （2）高度模块化，因此电厂经济对规模的依赖性不强； （3）发电出力与峰值负荷需求匹配得很好； （4）静态结构，无需运动部件，没有噪声； （5）单位重量的发电容量大； （6）由于没有运动部件，故维护量小，寿命长； 第1章 绪论 4 （7）由于重量轻，故可移动性和便携性好。 太阳能光伏发电还存在一些有待攻克的“弱点”，它的缺点主要有光电转化率很低、发电时需要很大的面积、所需光照要求复杂，并且选择地日光辐射情况应适当，最重要的一点就是光伏发电成本太高。 1.4 课题任务和重点研究内容 1.4.1 课题任务 本设计由光伏发电系统的基本组成，计算当地的光伏阵列的最佳倾角，确定每天需要的发电量，确定光伏发电系统的电压等级，确定光伏发电系统的太阳电池数量，确定光伏发电系统的蓄电池数量，逆变器的选配，防雷装置等几部分组成。保证光伏发电系统的安全可靠运行，获取最大能量和提供高质量的电能。 1.4.2 课题重点研究内容 为使小型光伏发电系统可靠的运行。首先光伏方阵要满足光照最差、太阳能辐射量最小季节的需要。其次是负荷的估算，负荷的估算中应先区分直流负载还是交流负载，区分负荷是否有冲击电流；再者是直流接线箱的选型、光伏控制器的选型、蓄电池的选型、逆变器的选型、交流配电箱的选型。 为使小型光伏发电系统安全的运行，首先是交直流部分的继电保护（电流保护），再者是防雷接地保护。 为使小型光伏发电系统经济的运行，首先是组件倾角的确定，再者是交直流电缆的选型（五大原则）。 光伏发电是未来新能源的趋势，做好本课题具有十分重要的意义。 吉林工程技术师范学院毕业论文 5 1.4.3 课题设计步骤 本课题设计的主要步骤为： （1）确定系统所需供电的负荷估算； （2）确定当地的太阳能辐射量以及连续阴雨天数； （3）蓄电池的选型和排列设计； （4）确定光伏方阵的倾角以及光伏方阵的设计； （5）光伏控制器的选型； （6）逆变器的选型； （7）交直流电缆的选型； （8）防雷接地保护的设计； （9）进行Pvsyst软件仿线章 小型独立光伏发电系统 6 第2章 小型独立光伏发电系统 2.1 小型光伏发电系统的组成与原理 小型光伏发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池（组）、逆变器组成，如下图2-1所示。 图2-1 小型独立光伏发电系统图 其中各部分的作用为： （1）太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 （2）太阳能控制器 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 （3）蓄电池 一般为铅蓄电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起 吉林工程技术师范学院毕业论文 7 来，到需要时再释放出来。 （4）逆变器在很多场合，都需要提供220VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意：不是简单的降压）。 2.2 小型光伏发电系统容量设计原则 小型光伏发电系统容量设计的一个主要原则就是设计的光伏阵列容量要满足平均天气条件下负载的每日用电需求，因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证光伏电池组件和蓄电池在天气条件有别于平均值的情况下协调工作。蓄电池在数天的恶劣气候条件下，其荷电状态（soc）将会降低很多。在光伏阵列容量的设计中可无须考虑尽可能快地给蓄电池充满电，如果这样，就会导致一个很大的光伏阵列容量，使得系统成本过高，而在一年中的绝大部分时间里光伏阵列的发电量会远远大于负载的使用量，从而造成光伏电池组件不必要的浪费。 蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值的情况下给负载供电；在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下，光伏电池组件就会给蓄电池充电。另外，由于各类负荷的特性及使用状况各不相同，设计考虑这些因素时比较复杂，原则上需要对每个发电系统单独进行计算，对一些无法确定数量的影响因素，只能采用一些系数来进行估算。 在某些情况下，设计光伏阵列容量要满足光照最差季节的需要。在进行光伏电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的光伏阵列容量输出要等于全年负载需求的平均值。在那种情况下，光伏电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年都有将近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间内处于亏电状态将使得蓄电池的使用寿命和性能将会受到 第2章 小型独立光伏发电系统 8 很大的影响，整个系统的维护费用也将大幅度增加。 光伏阵列容量设计中较好的办法是使光伏阵列能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照情况最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。 如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值，在这种情况下仍然按照最差情况考虑设计光伏阵列大小，那么所设计的光伏阵列在一年中的其他时候就会远远超过实际所需，而且成本高昂，这时就可以考虑使用带有备用电源的混合系统。但是对于很小的系统，安装混合系统的成本会很高；而在偏远地区，使用备用电源的操作和维护费用也相当高，所以设计离网型光伏发电系统的关键就是选择成本效益最好的方案。 总之，小型（离网型）光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则，做到既能保证光伏发电系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的光伏阵列功率，协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要保证质量的前提下节省投资，达到最好的经济效益。 2.3 太阳能光伏发电系统容量的设计和计算 太阳能光伏发电系统容量的设计与计算的主要内容是：（1）太阳电池组件功率和方阵构成的设计与计算；（2）蓄电池的容量与蓄电池组合的设计与计算。下面就介绍太阳电池组件与蓄电池的设计与计算方法，并提供几种计算方式，以不同的太阳能辐射资源参数为依据进行计算。 2.3.1 太阳电池组件及方阵的设计和计算 太阳电池组件的设计就是满足负载年平均日用电量的需求。计算方法如下： 吉林工程技术师范学院毕业论文 9 光伏方阵峰值电流 （2-1） QUOTE 并联的光伏模组数=光伏方阵峰值电流光伏模组峰值电流 2.3.2 蓄电池和蓄电池组的设计和计算 蓄电池的任务是在太阳能辐射量不足时，保证系统负载的正常用电。计算方法如下： 蓄电池组容量 串联蓄电池数 并联蓄电池数=蓄电池容量蓄电池额定容量 1、以日均峰值小时数为依据的计算方法 光伏方阵功率 蓄电池组容量 2、以年辐射量为依据的计算方法 第2章 小型独立光伏发电系统 10 光伏方阵功率 （2-10）蓄电池组容量=蓄电池放电容量修正系数（安全系数）×用电器工作电流（所有用电器）×连续阴雨天数×低温系数 QUOTE （2 3、以年辐射总量和斜面修正系数为依据的计算方法 光伏方阵功率 蓄电池组容量 4、以日均峰值小时数为依据的多路负载计算方法（注：这里总耗电量留出5%~10%的余量） （2-13）光伏方阵功率=光伏方阵电流×系统直流电压×1.43 QUOTE （2 光伏方阵电流 蓄电池组容量 5、以日均峰值小时数和两段阴雨天间隔天数为依据的计算方法 蓄电池组容量 （ 吉林工程技术师范学院毕业论文 11 负载日均耗电量 光伏方阵组件串联数 （2-19）光伏方阵组件日均发电量=选定组件峰值电流（A）×日均峰值小时数×倾斜面修正系数×组件衰降损耗系数 QUOTE （ （2-20）补充蓄电池容量（Ah）=安全系数×负载日均耗电量（ （2-22）光伏方阵组件并联数=补充蓄电池容量+负载日均耗电量Ah组件日均发电量Ah （2-21） QUOTE （2 第3章 设计案例 12 第3章 设计案例 3.1 负载参数 以上海普通家庭作为设计对象，通过负载的估算来大概估算出系统容量以及蓄电池容量，负载估算表如下表3-1所示。 表3-1 负载估算表 负载估算表（缩略版） 负载 数量×电压×电流 = 功率 × 使用时间× AC DC 小时/天 天/周 天 AC DC 冰箱 1 220 0.455 100 24 7 7 市电 彩电 1 220 0.386 170 4 7 7 680 微波炉 1 220 5 1100 0.2 2 7 市电 油烟机 1 220 0.909 200 0.5 7 7 100 电饭煲 1 220 3.636 800 1 7 7 800 电磁炉 1 220 9.545 2100 1 2 7 市电 电水壶 1 220 6.818 1500 2 7 7 市电 空调 1 220 25R 6.78L 5500 1492 0 3 7 7 市电 笔记本电脑 1 220 0.273 60 2 2 7 34 手机充电器 1 220 0.2 44 9 3 7 170 吉林工程技术师范学院毕业论文 13 节能灯 16 220 0.05 176 6 7 7 1056 洗衣机 1 220 1.5 600 0.5 3 7 129 AC日均负载耗电量 ：2969Wh DC日均

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