鑫达娱乐主管-首选注册摘 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 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 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 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： （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 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； （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。 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 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 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 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： 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： 2.4 其他几种计算公式和设计方法 1、以日均峰值小时数为依据的计算方法 2、以年辐射量为依据的计算方法 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 3、以年辐射总量和斜面修正系数为依据的计算方法 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） 光伏方阵功率=光伏方阵电流系统直流电压1.43 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 光伏方阵组件日均发电量=选定组件峰值电流（A）峰值小时数倾斜面修正系数组件衰降损耗系数 补充蓄电池容量（Ah）=安全系数负载日均耗电量（Ah）最大连续阴雨天数 光伏方阵功率=选定组件峰值输出功率串联数并联数 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7=瓦时数 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 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日均负载耗电量 ：0Wh 续表3-1 负载估算表 通过上表可以看出系统平均每天所要发出的电量大约在3度左右。但是为了系统更加稳定可靠运行，这里要留出5%~10%的余量，即系统平均每天需要发出大概3.5度的电量。 3.2 环境参数 3.2.1 上海地区的日均峰值小时数 对于太阳能光伏发电系统来说，周围环境对其影响至关重要，特别是日均峰值小时数。日均峰值小时数是将当地的太阳辐射量折算成标准测试条件（辐照度为）下的全天小时数，若低于这个标准，则该地区不适合光伏发电这一新型能源的发电模式。 表3-2 全国各大城市日均峰值小时数 城市 斜面日均辐射量 日均峰值小时数 城市 斜面日均辐射量 日均峰值小 时数 哈尔滨 15838 4.3997964 长春 17127 4.7578806 沈阳 16563 4.6012014 北京 18035 5.010123 天津 16722 4.6435716 太原 17394 4.8320532 呼和 浩特 20075 5.576835 乌鲁 木齐 16594 4.6098132 西宁 19617 5.4496026 兰州 15842 4.4009076 银川 19615 5.449047 西安 12952 3.5980656 上海 13691 3.8033598 南京 14207 3.9467046 合肥 13299 3.6944622 杭州 12372 3.4369416 南昌 13714 3.8097492 福州 12451 3.4588878 济南 15994 4.4431332 郑州 14558 4.0442124 武汉 13707 3.8078046 长沙 11589 3.2194242 广州 12702 3.5286165 海口 13510 3.753078 上表为全国各大城市日均峰值小时数,从表上可以看出上海地区的斜面日均辐射量和日均峰值小时数分别是13691KWh/day，3.8h。 3.2.1 上海地区的最长连续阴雨天数 根据上海地区去年的天气预报数据，上海进入梅雨天气时的降雨量最多，而梅雨天气6月份，因此这里我们参考2013年上海6月份的天气预报来进行最长连续阴雨天数的确定。详见表3-3所示。 表3-3 上海2013年6月份天气预报数据 日期 天气 日期 天气 2013-06-01 小雨—阵雨 2013-06-16 多云 2013-06-02 多云—晴 2013-06-17 多云 2013-06-03 晴 2013-06-18 阵雨—雷雨 2013-06-04 多云—晴 2013-06-19 雷雨—阴 续表3-3 上海2013年6月份天气预报数据 2013-06-05 多 云 2013-06-20 阴—多云 2013-06-06 多云—小雨 2013-06-21 多云 2013-06-07 中 雨 2013-06-22 多云—小雨 2013-06-08 阵雨—小雨 2013-06-23 中雨 2013-06-09 小雨—阴 2013-06-24 中雨—大雨 2013-06-10 阴—阵雨 2013-06-25 大到暴雨—阵雨 2013-06-11 阵雨—阴 2013-06-26 阴—中到大雨 2013-06-12 阴 2013-06-27 小雨—阴 2013-06-13 多云 2013-06-28 阴 2013-06-14 阴 2013-06-29 阵雨—多云 2013-06-15 阴—多云 2013-06-30 雷雨—阴 从上表可以看出从2013年6月22日到2013年06月30日是连续阴雨天，因此参考这个数据，确定上海地区的最长连续阴雨天数为9天。 3.3 蓄电池的选型 光伏发电系统中，蓄电池是重要组成部件。蓄电池泛指所有在电量用到一定程度之后可以被再次充电、反复使用的化学能电池的总称。由于太阳光变化无常，光伏发电系统的功率输出也变化无常，因此光伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节。 在日照不足发电很少或需要维修光伏发电系统时，蓄电池也能提供相对稳定的电能。蓄电池的投资占系统总投资的20%~25%。蓄电池的合理选择、正确使用和维护等，是光伏发电系统设计和运行、管理中至关重要的问题。 3.3.1 蓄电池的种类 1、铅蓄电池（铅酸蓄电池），早在1859年已经面世，是最早发明的蓄电池。容量低，重，但可以提供非常稳定的电流，被广泛使用于汽车启动引擎时提供电流，可循环再用，但因为铅对环境有害，弃置处理时需要注意。 2、镍镉电池（NiCd）,电压1.2V，在放电过程中电压也相当平稳，与广泛应用的碱性电池的1.5V相近，所以被制成与碳电及碱性电池同样的外观大小，以取代这些一次电池，也因此曾被广泛应用于手提装置。容量高于铅酸电池，但成本较铅酸电池高，而且自放电较大、有记忆效应。而镉是有害物质，并不环保。 3、镍氢电池（NiMH），电压与镍镉电池同样是1.2V，而且容量是镍镉电池的两倍有多，又无记忆效应，新的镍氢电池更加大大减低了自放电的缺点，在日本，镍氢电池的市占率为22%，在瑞士更高达60%，但近年开始下降，多是因为部分被锂离子电池取代。 4、锂离子电池（Li-ion），锂离子电池电压约3.6-3.7V（完全充满时4.2V），是目前被广泛应用负蓄电池之中能量密度最高者，也即最轻，而且无记忆效应及低自放电。 锂离子电池虽然有很好的优点，但缺点也不少。首先是成本较其他广泛使用的蓄电池高不小，而且安全性较差，手提电脑的锂电池雾烟，甚至起火的消息不时在传媒中有报道，常用的锂离子电池还有一个缺点常被人忽略，即一般使用在电子产品及部分其他用途的锂离子电池，充满电后即使闲置不使用，其容量也会渐渐变小。最差的情况发生在完全充满时，在室温25摄氏度的环境中每三个月永久失去的容量为20%。 5、锂离子聚合物电池（Li-Poly），锂离子聚合物电池基本结构与锂离子电池相同，分别在于锂离子聚合物电池以固态的聚合物取代在锂离子电池中的有机溶液，相比锂离子电池，其优点是可以减低成本，易于生产出多种不同形状，略较为可靠。缺点是容量略为较低。 这里我们使用安全可靠、成本较低的铅蓄电池。 3.3.2 蓄电池组容量设计 家用光伏发电系统蓄电池的容量计算是根据系统日用电量、自给天数（连续阴雨天数）及蓄电池的放电深度来确定的。 特别需要说明的是，蓄电池容量选择正确与否是家用太阳能光伏发电系统的关键问题之一。 蓄电池是家用光伏发电系统中维护成本最高的部分。蓄电池的设计、配置不合理会大大加速蓄电池的损坏。蓄电池容量设计的过大会产生三大问题： （1）加大了成本，显然不合适； （2）过大的蓄电池不仅不能发挥设备容量的能力，而且会增大自放电，无谓地消耗太阳能电池组件发出的电能； （3）更为重要的是，家用光伏发电系统电池组件的容量一般都不大，产生不了大电流，一旦蓄电池大而电池组件小，是一种典型的小马拉大车的情况，蓄电池会长期处于充满状态，极板很快盐化，加剧蓄电池损坏。 蓄电池小了一方面会使电池组件发出的电不能储存，系统功能得不得最大限度的利用。另一方面，蓄电池总是处于深放电状态，也很容易损坏。 在家用光伏发电系统中，通常在确定了每天的用电量及期望在没有日照情况下的电子时间，就可以利用公式（2-4）计算蓄电池容量： 从公式上可以看到深度放电系数，蓄电池放电深度是指从蓄电池使用过程中放出的有效容量占电池额定容量的比值，通常以百分数表示。17%~25%为浅循环放电；30%~50%为中等循环放电；60%~80%为深循环放电。 一般规律，放电深度越大，蓄电池的使用寿命越短，下面见图3-1所示。 图3-1 铅蓄电池循环寿命与每循环放电深度 从图上可知，这里为了使蓄电池使用寿命加大，选择深度放电系数为0.5。 再根据前面的负载参数和环境参数，AC日均负载耗电量为2969Wh，这里我们留有一定余量，选择3.5KWh，连续阴雨天数为9天，逆变器效率一般为0.9，家用光伏发电系统电压一般有12V、24V、48V、110V、220V，这里我们取48V的电压系统。则： 需要指出，在蓄电池容量选择时还应考虑温度对蓄电池容量的影响，通常家用光伏发电系统在冬季的工作环境温度一般较低，蓄电池的充放电效率会降低，这就意味着此时蓄电池的实际容量比额定容量小，容易造成蓄电池过放电，加剧蓄电池的老化，减少使用寿命。 因此，还应考虑到蓄电池厂家提供的额定容量是在25摄氏度工作环境下的值，在容量选择时，适当取大一点或者本身带有温度补偿的蓄电池。还有一种方法可以避免这个情况，就是在选择光伏控制器时，可以选择具有温度补偿功能的光伏控制器。 3.3.3 蓄电方阵的阵列设计 根据上面的蓄电池容量的确定，这里我们选择大电流低电压的蓄电池，因为做功的是电流，且低压更安全，所以我们选择风帆股份有限公司工业电池分公司设计的型号为6-CNF-250铅酸蓄电池，其参数如下表3-4所示。 表3-4 蓄电池选型 风帆股份有限公司工业电池分公司 型号 6-CNF-250 额定电压 12V 单体均冲电压（25℃） 2.36V 10h率额定容量（25℃） 250Ah 温度补偿 -4mV/℃/单体 类型 铅酸 重量 75Kg 比容重 40Wh/kg 优点 免维护无须补液；适应温度广（-35℃-45℃）；自放电小；使用寿命长；深放电恢复性能好；无游离电解液，侧倒90度仍能使用；非金属外壳。 下面，利用（2-5）、（2-6）公式开始计算蓄电池的排列方法： 最后总体所需蓄电池数为24个。 合理设计蓄电方阵，可以使系统最优化，避免浪费资源，减少系统故障率，检修的时候也会减少很多麻烦。 3.3.4 蓄电池安装规范 由于蓄电池很重，搬运蓄电池时，应格外小心，不要使其受到撞击；严禁烟火或使其短路，以防产生火花；把蓄电池安装在通风良好，阳光直射不到的地方，不要把蓄电池安装在有可能水浸的地方；在紧固电池接线端子的螺母和螺栓时，要紧固到规定的扭矩，否则，可能会产生火花并造成端子损坏；电池外壳和盖子的清洁使用浸有水的布擦拭。为了防止产生静电，发生火花的危险，不要使用干布擦拭电池；如果蓄电池意外破损，电解液溅到眼睛、皮肤或衣服上，应立即用大量水冲洗，并请大夫检查治疗；注意确保端子的正负极性连接正确。否则，可能会引起火灾或者造成蓄电池或电源损坏。 3.4 光伏组件的选型 光伏组件目前主要有晶硅组件、薄膜组件及聚光组件等，晶硅组件的性价比高，薄膜组件存在转换率低的缺点，聚光组件价格较高，所以本设计采用晶硅组件。 晶硅组件又分为单晶组件、多晶组件、高效组件，为测试各种组件的综合性能，采用了相同功率、不同材料的单片组件在同一环境下进行运行比较。经过3隔月的运行实验发现，单晶组件的发电量最高，多晶组件稍低，高效多晶组件接近单晶组件，详细见下表3-5所示。 表3-5 不同材料的光伏组件性能比较 月份 月均温度 （℃） 发电量（KWh） 单晶组件 高效多晶组件 多晶组件 1 1.9 16.6 16.3 14.9 2 3.0 18.9 18.7 17.5 3 8.4 19.6 19.4 18.0 续表3-5 不同材料的光伏组件性能比较 结合价格因素及设计目的，本设计采用单晶组件作为光伏发电系统的光电转换器件。 3.4.1 光伏方阵容量的设计 根据前面的系统电压设为48V，这里选择常州中弘光伏有限公司生产的型号为ZHM185P 185W的电池组件来进行光伏方阵容量的设计。其参数如下表3-6所示。 表3-6 光伏电池组件选型 结合上表，家用光伏发电系统光伏方阵的容量计算是根据日均峰值小时数、蓄电池效率、逆变器效率、系统电压来确定的。这里蓄电池效率取0.8，同时根据前面的数据可知日均峰值小时数为3.8h。利用公式（2-1）、（2-2）、（2-3）进行计算： 最后整体所需的光伏电池组件数为8块。 3.4.2 太阳光伏方阵最佳倾角的确定 小型独立光伏发电系统中，最佳倾角是指能获得全年最大光辐射量的组件倾角，光伏组件支架可做成可变倾角和固定倾角两种。可变倾角是在组件支架上安装伺服跟踪系统，根据太阳方位自动调整倾角，以便取得最大辐射率，可变倾角支架投入较大，维护复杂，适用于大型光伏发电系统；固定倾角相对较为简单，一般指获得全年最大辐射量的组件角度。本设计规模较小，主要用于家庭光伏发电系统，所以采用固定倾角的方式。 根据中华人民共和国国家标准（GB 50797-2012），光伏发电站设计规范中的全国各大城市光伏阵列最佳倾角参考值，见下表3-7所示。 表3-7 全国各大城市光伏阵列最佳倾角参考值 城市 纬 度 独立系统推荐倾角（°） 并网系统推荐倾角（°） 城市 纬度 独立系统推荐倾角（°） 并网系统推荐倾角（°） 哈尔滨 45.68 长春 43.9 沈阳 41.7 北京 39.8 天津 39.1 太原 37.78 呼和浩特 40.78 乌鲁 木齐 43.78 西宁 36.75 兰州 36.05 银川 38.48 西安 34.3 上海 31.17 南京 32 合肥 31.85 杭州 30.23 南昌 28.67 福州 26.08 济南 36.68 郑州 34.72 武汉 30.63 长沙 28.2 广州 23.13 海口 20.03 南宁 22.82 成都 30.67 贵阳 26.58 昆明 25.02 从表上可以看出，上海建造独立光伏系统的最佳倾角是，即为34.17°。 3.4.3 光伏组件阵列间距的确定 光伏阵列间距的确定原则是冬至日当天9:00至15:00，光伏组件不会相互遮挡，一般按以下方式确定最小间距。 方法一：研究人员进行光伏组件各行之间间距的方法，涉及到赤纬角、时角、太阳高度角、太阳方位角等复杂量，因此通过光伏组件各行之间的间距图进行计算。如图3-2所示。 图3-2 光伏组件各行之间的间距 通过太阳高度角与方位角的确定来确定组件阴影正北的长度，公式如下： （1）确定赤纬角（太阳位置与赤道正上空的偏角） n为遮挡最严重的时间，例如12月21日，n=355。 （2）确定时角（正午与每天特定时间的太阳角度差） T——为太阳正午的时钟时间 （3）确定太阳高度角（天顶和太阳形成的平面上太阳入射光与地平线）确定太阳方位角（东南方向为正，西南方向为负） （5）根据太阳高度角与方位角确定遮挡阴影距离X（已知光伏组件长度为L） H=L —— ——； X——最小间距（遮挡阴影距离）； 从上面的五个公式可以看出阵列间距计算复杂，同时需要的数据众多难测，因此这里推荐使用方法二的计算方法。 方法二：根据中华人民共和国国家标准（GB50797-2012），光伏发电站设计规范中的光伏方阵布置，固定式布置的光伏方阵，在冬至日当天太阳时9:00-15:00不被遮挡的间距如图3-3所示。 图3-3 方阵间距示意图 计算公式如下： 式中：L——组件倾斜面长度(组件宽度)； D——两排阵列之间距离； ——阵列倾角； ——当地纬度。 根据前面的数据可知L=0.996m，=34.17，=31.17，则： 3.4.4 光伏方阵的布置 布置光伏发电系统的屋顶朝南面有效面积大概为117m=77，综合考虑光伏组件外形及间距，可以由南向北摆放4行组件，每行2片，共可放置8片功率为185W的多晶光伏组件，总功率约1480W。 方阵的长：1.316m2+0.3m(列列间距)2=3.232m 计算方阵的宽时，这里需要注意的是南方家庭的屋顶是倾角为45，因此每行电池模块的斜面距离为=2.7m 方阵的宽：2.7m2=5.4m 方阵的面积：3.232m5.4m=12.05 同时布置工作要考虑屋面承重、防水，组件抗风、防雷等问题，防雷问题后面会有所设计。 3.4.5 光伏方阵的安装规范 1、太阳能光伏电池组件在存放、搬运、安装等过程中，不得碰撞或受损，特别要注意防止组件玻璃表面及背面的背板材料受到硬物的直接冲击。 2、组件安装前应根据组件生产厂家提供的出厂实测技术参数和曲线，对电池组件进行分组，将峰值工作电流相近的组件串联在一起，将峰值工作电压相近的组件并联在一起，以充分发挥电池方阵的整体效能。 3、安装中要注意方阵的正负极两端不能短路，否则可能造成人身事故或引起火灾。在阳光下安装时，最好用黑塑料薄膜、包装纸片等不透光材料将太阳电池组件遮盖起来，以免输出电压过高影响连接操作或造成施工人员触电的危险。 3.5 光伏控制器的选型 光伏控制器是用于太阳能光伏发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精密A/D模数转换器，是一个微机数据采集和检测控制系统。即可快速实时采集光伏系统目前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，光伏 控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。 光伏控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。 并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在12V、20A以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。 串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在45A以上的串联控制器。 脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。 智能型控制器：采用带CPU的单片机对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制功率由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。 最大功率跟踪型控制器：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。 根据前面方阵的计算方法，这里我们选择最大功率跟踪型控制器。 3.5.1 光伏控制器的功能 1、高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。 2、欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。 3、低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连接负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。 4、保护功能：防止任何负载短路的电路保护；防止充电控制器内部短路的电路保护；防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护；在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。 5、温度补偿功能：当蓄电池温度低于25℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。通常铅酸蓄电池的温度补偿系数为-5mv/℃ 3.5.2 光伏控制器的计算 为了让系统更加稳定的工作，防止任何负载以及线路短路的电流保护，这里利用下面公式进行计算。 （1）光伏控制器方阵电流的计算 光伏控制器方阵电流=光伏模组短路电流并联模组数1.25 由前面的组件参数可知，光伏模组的短路电流为8.49A，并联模块数为4，则： 光伏控制器方阵电流=8.49A41.25=42.45A （2）光伏控制器的电压与系统电压一致为48V 通过上面的计算，这里选择乐清市赛邦电气有限公司设计的型号为SPMT-4850的控制器。它的参数如下表3-8所示。 表3-8 控制器的选型 乐清市赛邦电气有限公司 型号 SPMT-4850 额定电压 48V 额定充放电流 50A 过放保护电压 45.6V 过放恢复电压 50.4V 过高保护电压 68V 过高恢复电压 60V 均衡电压 57.6V 提升电压 58.4V 浮充电压 54.4V 温度补偿 4mv/℃/2v 电压降落 0.26 优点 过载、短路保护；温度补偿；LCD数码参数及状态显示；直充、提升、浮充自动充电模式；高精度控制；运用最大功率跟踪技术 3.5.3 光伏控制器的安装规范 小功率控制器安装时要先连接蓄电池，再连接太阳电池组件的输入，最后连接负载或逆变器，安装时注意正负极不要接反。中、大功率控制器安装时，由于长途运输的原因，要先检查外观有无损坏，内部连接线和螺钉有无松动，核对设备型号是否符合实际要求，零部件和辅助线材是否齐全等。中功率控制器可固定在墙壁或者摆放在工作台上，大功率控制器可直接在配电室内地面安装。控制器若需要在室外安装时，必须符合密封防潮要求。 控制器接线时要将工作开关放在关的位置，先连接蓄电池组输出引线， 再连接太阳电池方阵的输出引线，在有阳光照射时闭合开关，观察是否有正常的直流电压和充电电流，一切正常后，可进行与逆变器的连接。连接太阳电池方阵最好是在早晚太阳光较弱时进行，以免高压拉弧放电。 3.6 光伏逆变器的选型 将直流电能变换成为交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变器或逆变设备。太阳能光伏系统中使用的逆变器是一种将太阳电池所产生的直流电能转换为交流电能的转换装置。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统交流电的电压、频率相一致，以满足为各种交流用电装置、设备供电及并网发电的需求。 3.6.1 光伏逆变器的选择原则 光伏逆变器选型时一般是根据光伏发电系统设计确定的直流系统电压来选择逆变器的直流输入电压，根据负载的类型确定逆变器的功率和相数，根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率，负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。 综上所述，一般考虑下列几项技术指标： （1）额定输出功率：额定输出功率表示光伏逆变器向负载供电的能力。额定输出功率高的光伏逆变器可以带更多的用电负载。选用光伏逆变器时应首先考虑具有足够的额定功率，以满足最大负荷下设备对电功率的要求，以及系统的扩容及一些临时负载的接入。当用电设备以纯电阻性负载为主或功率因子大于0.9时，一般选取光伏逆变器的额定输出功率比用电设备总功率大10%~15%。 （2）输出电压的调整性能：输出电压的调整性能表示光伏逆变器输出电压的稳压能力。一般光伏逆变器产品都给出当直流电压在允许波动范围变动 时，该光伏逆变器输出电压的波动偏差的百分率，通常电压调整率。高性能的光伏逆变器应同时给出当负载由零向100%变化时，该光伏逆变器输出电压的偏差百分率，通常称为负载调整率。 性能优良的光伏逆变器的电压调整率应小于等于-3%~+3%，负载调整率就小于等于-6%~+6%。 （3）整机效率：整机效率表示光伏逆变器自身功率损耗的大小。容量较大的光伏逆变器还要给出满负荷工作和低负荷工作下的效率值。一般KW级以下的逆变器的效率应为80%~85%；10KW级的效率应为85%~90%；
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