最新小型光伏发电系统4KW的设计

小型光伏发电系统4K W的设计南京信息职业技术学院毕业设计论文作者陈德清学号 31041P03 系部中认新能源技术学院专业光伏发电技术及应用题目小型独立光伏发电系统（4KW）的设计指导教师程超评阅教师张渊完成时间： 2013年 5 月 2 日毕业设计(论文)中文摘要毕业设计(论文)外文摘要目录1 引言 (5)2 独立光伏发电系统概述 (7)2.1 独立光伏发电系统的概念 (7)2.2.1 结构 (8)2.2.2 工作原理 (9)3 独立光伏发电系统的设计 (9)3.1 系统的设计原则、步骤和内容 (9)3.1.1 系统设计原则 (9)3.1.2 设计步骤和内容 (9)3.2 系统容量的设计 (10)3.2.1 数值计算值 (10)3.3 太阳能电池组件及方阵的设计 (12)3.3.1 光伏组件方阵需要考虑的问题 (12)3.3.2 太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角 (12)3.3.3 一般设计方法 (13)3.4 直流接线箱的选型 (16)3.5 光伏控制器的选型 (18)3.6 光伏逆变器的选型 (19)4 结论 (20)5 致谢 (21)6参考文献 (21)1 引言自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。

随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。

根据《BP世界能源统2005》的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40 多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。

而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000 年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%.我国能源剩余可开采总储量的结构为原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。

我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。

目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升混。

20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续1 0 年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。

以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999 年以来可再生能源年均增长速度均达到3日%以上。

四班牙2003 年风力发电装机占到全机总量的4% ，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%，瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。

近年来，光伏产业迅速发展，世界太阳电池年产量在最近十年内保持了30%以上的增速，2007 年年增长率达到了50% ，2008 年年增长率甚至达到了100% ，年产量达到6.5GW ，大阳电池产量迅速增加的动力来自于世界对太阳能等清洁能源持续增长的需求，2008 年世界光伏系统新装机容量达到5.95GW ，比200 7年增长了110%。

按照目前光伏组件4.5 $/W的价格计算，世界光伏市场规模接近三百亿美元.新能源是国家“十二五”规划重点要求发展的产业，政策对其扶持力度很大。

2009年3月，由科技部、国家发改委等部门联合举办的2009年中国国际节能和新能源科技博览会上集中展示了节能减排和新能源科技的重大成果，引起了国内外的广泛关注。

2009年5月全国财政新能源与节能减排工作会议指出，国家财政要全力支持新能源发展和节能减排工作，重点加快启动国内光伏发电市场、开展节能与新能源汽车示范推广试点等十项工作。

我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。

近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方丽取得了较快发展，并于2005年2 月28日通过了《再生能源法》，该法已于2006年1月1日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。

图1 我国不同地区的太阳能资源分布图表1 我国各地区的太阳能资源及分布2 独立光伏发电系统概述2.1 独立光伏发电系统的概念：独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由泊机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。

从电力系统来说， kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。

图2独立光伏发电系统组成2.2 独立光伏发电系统的结构及工作原理2.2.1 结构通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，也可叫做太阳能电池发电系统。

尽管太阳能光伏发电系统应用样式多种多样，应用规模跨度也很大，从小到不足一瓦的太阳能草坪灯，大到几百千瓦甚至几兆瓦的大型光伏发电站，但太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理基本相同。

其主要结构由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电池（组）、光伏控制器、逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。

图3 独立型太阳能光伏发电系统工作原理2.2.2 工作原理太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。

直流或交流负载通过开关与控制器连接。

控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载，当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。

有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。

在交流光伏发电系统中， DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。

3 独立光伏发电系统的设计3.1 系统的设计原则、步骤和内容3.1.1 系统设计原则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太阳能电池组件功率和蓄电池的容量。

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。

3.1.2 设计步骤和内容：太阳能光伏发电系统的设计步骤和内容如图4所示。

图4 太阳能光伏发电系统设计内容与步骤3.2 系统容量的设计：目标: 优化太阳能电池方阵容量和蓄电池组容量的相互关系，在保证独立光伏发电系统可靠工作的前提下，达到成本最低。

要求: 首先对当地的太阳能辐照资源、地理及气象数据有尽量详细的了解，一般要求掌握日平均太阳辐照量、月平均太阳辐照量和连续阴雨天数。

方法: 依据各部件的数理模型，采用计算机仿真，可以拟合出太阳能电池方阵每小时发电量、蓄电池组充电量和负载工作情况，并预测所需要的太阳能电池方阵及蓄电池组的容量。

通过数值分析法，可以解析太阳能电池方阵容量及蓄电池组容量之间存在的相互关系，然后在特定的供电可靠性要求下，根据成本最低化的原则，确定二者各自的容量。

3.2.1 数值计算值在本章中，负载的总耗电量为4000w·h/d，选择的逆变器效率为90%，连续阴雨天数为4天，蓄电池的放电深度为70%,系统电压为48V。

①蓄电池容量= «Skip Record If...»=«Skip Record If...»=530AH通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。

随着温度的降低， 0 ℃时的容量大约下降到额定容量的90% . 而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80% . 所以必须考虑蓄电池的环镜温度对其容量的影响。

南京地区全年最低气温大约为-4～-6℃，所以在此温度下，蓄电池的容量会下降10%左右。

蓄电池实际容量=«Skip Record If...»=«Skip Record If...»=590AH图5 铅酸蓄电池最大放电深度-温度曲线②确定蓄电池的串并联方式每个蓄电池都有它的标称电压。

为了达到负载工作的标称电压，将蓄电池串连起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。

这里选用24v/200AH的胶体蓄电池。

串联蓄电池数=«Skip Record If...»=«Skip Record If...»=2 所以蓄电池串联数为2并联蓄电池数=«Skip Record If...»=«Skip Record If...»=2.95≈3综上所述：使用江苏恒华公司生产的24V/200AH型胶体蓄电池，蓄电池串联数2，并联3块，连接方式如图6所示。

图6 蓄电池连接示意图3.3 太阳能电池组件及方阵的设计3.3.1 光伏组件方阵设计需要考虑的问题设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。

蓄电池长时间处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。

在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度增加。

太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件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最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。

由于光照最差季节的光照度大大低于平均值，这样设计的太阳电池组件在一年中的其他时候会远远超过实际需要，而且成本高昂。

3.3.2 太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角由于太阳能光伏发电的发电量与太阳光的辐射强度、大气质量、地理位置等因素有直接的关系和影响，因此在设计太阳能光伏发电系统时，应考虑太阳辐射的方位角和倾斜角、峰值日照时数等。

太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角的选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。

所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。

对于太阳能光伏系统来说，方位角以正南为00，由南向东向北为负角度，由南向西向北为正角度。

方位角决定了阳光的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。

倾斜角是地平面与太阳能电池组件之间的夹角。

倾斜角为00时表示太阳能电池组件为水平设置，倾斜角为900时表示太阳能电池组件为垂直设置。

①太阳能电池方位角的选择在我国，太阳能电池的方位角一般选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。

②太阳能电池倾斜角的选址最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小的倾斜角。

一般取当地纬度或加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。

以下为根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角：纬度为00～250时，倾斜角等于纬度；纬度为260～400时，倾斜角等于纬度加上50～100；纬度为410～550时，倾斜角等于纬度加上100～150；纬度为550以上时，倾斜角等于纬度加上150～200。