太阳能光伏发电课程设计

《太阳能光伏发电原理与应用》课程设计课题名称：家用独立型光伏发电系统的优化设计专业班级：光电02班学生学号：**********学生姓名：**学生成绩：指导教师：***课题工作时间：2013.6.24 至2013.6.28武汉工程大学教务处目录第1章绪论 (7)1.1 世界能源结构和发展新能源的背景 (7)1.2 太阳能光伏发电的重大优势 (7)1.3 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势 (8)第2章独立型系统的优化设计 (10)2.1 独立型太阳能光伏发电系统简介 (10)2.2 光伏发电系统相关参数 (10)2.2.1 地理环境及月辐照度统计结果 (10)2.2.2 用户负载的相关参数 (12)2.2.3 光伏组件和蓄电池的选择 (13)2.3 光伏发电系统的设计与计算 (14)2.3.1 太阳能电池组件的数量的计算 (14)2.3.2 蓄电池组的设计与计算 (15)2.4 离网型光伏发电系统逆变器和控制器的选择 (15)第3章独立型系统仿真结果优化分析 ........................ 错误!未定义书签。

3.1 基础设计 (17)3.2 倾斜角和方位角 (18)3.3 用户负载的输入 (18)3.3 蓄电池和光伏组件的选型 (19)3.4 逆变器和控制器的选择 (19)3.5 系统仿真结果分析 (20)3.5.1 太阳能电池日均输入和输出关系 (20)3.5.2 产能分析 (21)3.5.2 系统能量利用率和用户需求满足率 (21)3.5.3 蓄电池平均充电电压 (22)3.5.4 组件日输出量 (23)第4章结束语 (24)4.1 设计思路总结 (24)4.2 个人心得 (24)参考文献 (25)第1章绪论1.1 世界能源结构和发展新能源的背景随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。

新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。

研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。

新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。

根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。

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温。

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10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30%以上。

西班牙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。

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面取得了较快发展，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。

1.2 太阳能光伏发电的重大优势太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。

在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。

目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。

其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。

太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种模式，光电池是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。

太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点GWh，是(l)取之不尽，用之不竭。

地球表面所接受的太阳能约为1.07×1014year全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。

(2)无污染。

光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。

(3)资源分布广泛。

不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。

(4)建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。

光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。

(5)光伏建筑集成。

光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。

(6)分布式。

光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。

1.3 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。

20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以10%-15%的递增速度在发展。

90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。

到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9mW，到2005年底，达到4961.69MW。

己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。

在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为 3.15W美元，发电成本为美元，并网系统价格为6W0.25kWh美元。

光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到15%，单晶硅光电池转化率是23.3%，砷化镓光电池转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%-36%。

太阳能光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用30多年。

目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。

今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。

专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。

20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计容量达35mW，约占世界份额的3%。

10多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。

到2020年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为 1.20元/kWh;2010-2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kWh)。

到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。

第2章独立型系统的优化设计2.1独立型太阳能光伏发电系统简介离网（独立）型光伏发电系统是指未与公共电网相连接的独立太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。

其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。

图2.1离网光伏发电系统图2.1所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。

太阳能电池组件式太阳能发电系统的核心部件；蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并随时向负载供电；光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态；DC/AC逆变器的作用是把太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流转换成交流电供应给交流负载使用的设备。

蓄电池和太阳能电池板可以直接通过控制器给直流负载供电。

2.2光伏发电系统相关参数2.2.1 地理环境及月辐照度统计结果本次设计地理位置是中国四川省成都市。

据有关资料显示：成都处于东经104.1°北纬31.4°海拔高度508m,如图2.2所示。

隶属于第7时区。

平均峰值日照时数2.83小时。

水平面年平均辐射量1053.63kWh.市区面积598平方公里，地域辽阔，有充足的太阳能资源可以利用。

从环保的角度考虑，在本地建立足够的太阳能光伏发电系统将会大大改善当地的环境治理问题。

同时，从长远角度来看，这也是社会发展的必然产物，因此本次设计就是依据PVsyst软件上采集的当地全年的太阳能数据来设计的一种可行的独立型太阳能光伏发电系统。

设计中选取最大连续阴雨天数为5天，两最大连续阴雨天数间最短间隔天数取30天。

下面是PVsyst软件上记录的数据：图2.2 成都市地理位置及时区表2.1成都市月辐照度及其他参数月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12辐照度(kWh/m2)40.9 45.0 62.5 91.4 107.1119.5107.1101.277.8 56.5 48.2 35.7温度（℃） 5.5 7.2 11.6 16.5 21 23.5 25.2 24.9 21.0 16.9 11.8 7.1 风速(m/s)0.9 1.10 1.29 1.30 1.30 1.20 1.09 1.10 1.10 0.89 0.89 0.81PVsyst 软件仿真输出的数据如下：图2.3成都市月辐照度及相关参数从图2.3中可以看出成都市全年总辐照度为892.9kWh,最低气温5.5℃、平均温度16℃，平均风速1.1m/s ，而冬季的1月、2月、11月、12月这四个月的辐照度较低，发电量不能满足用户需求；而4月、5月、6月、7月、8月这几个月的辐照度比较充足，我们可以用蓄电池存储这几个月份过剩的电能来弥补冬季几个月分的不足，从而可以全年满足用户需求。