分布式家用屋顶光伏电站设计

1、 江西工程学院环境与能源工程学院 毕业设计 （ 2016 届）题 目 分布式家用屋顶光伏电站设计 专 业 光伏发电技术及应用 摘 要随着人类社会的不断发展，传统能源被不断的消耗，同时也带来了严重的环境问题。为了减少环境的污染，保证能源的可持续利用，就必须改变现有的能源结构，重视新能源的开发和利用。从长远发展的角度看，可再生资源是人类未来的主要能源来源，因此，世界上很多国家都开始重视太阳能等新能源的开发利用。在这些可再生资源中，光伏发电的发展速度最快，而太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。世界各国都非常重视太阳能光伏产业的发展，我国拥有丰富的太阳能资源

2、，对太阳能的开采具有很大的优势，因此，太阳能光伏发电成为我国开发新能源的重要内容。太阳能作为一种新型的可再生能源近年来得到了广泛的应用，光伏并网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。本文分析光伏发电在普通家庭的应用要求，提出了一种基于家庭用户需求的光伏发电解决方案，并进行实验测试和验证。并以传统的独立太阳能光伏发电技术为基础，研究和设计了并网型太阳光伏发电控制系统。 关键词：太阳能；光伏发电；并网；逆变器AbstractWith the continuous development of human society, traditional energy is constantly cons

3、umption, at the same time, it also brings the serious environmental problems. In order to reduce environmental pollution and ensure the energy sustainable utilization, it is necessary to change the existing energy structure, pay attention to the development and utilization of new energy. From the Pe

4、rspective of long-term development, renewable resources is the future of humanity is the main source of energy. Therefore, many countries in the world began to attach importance to the development and utilization of solar energy and other new energy. In these renewable resources, the pace of develop

5、ment of photovoltaic power generation is the fastest, and solar photovoltaic power generation has become a field of renewable energy in the wind power generation industry development the fastest, the biggest Industry. All the countries in the world have attached great importance to the development o

6、f solar energy photovoltaic industry, China has abundant solar energy resources, the exploitation of solar energy has great advantages, therefore, solar photovoltaic power generation become our country the important content of the new energy development. Solar energy as a new type of renewable energ

7、y in recent years has been widely used, the grid connected photovoltaic technology become the effective use of the core and key of solar power. Based on the analysis of photovoltaic power generation in the application of ordinary families, presents a photovoltaic power generation based on the needs

8、of home users solutions and experimental verification and testing. And to the traditional independent solar photovoltaic power generation technology as the foundation, Research and design of grid connected photovoltaic power control system.Keywords: solar energy; photovoltaic; grid connected inverte

9、r目 录摘 要2Abstract2绪 论5第1章 光伏发电技术的起源及发展61.1太阳能发电技术起源61.2太阳能发电技术在中国的发展6第2章 光伏发电技术原理及系统组成62.1光伏发电技术原理62.1.1P-N结62.1.2光伏发电技术原理72.2光伏发电系统基本组成82.2.1光伏发电系统基本组成82.2.2光伏发电系统各部件功能82.2.3部分组成部件的特殊设计11第3章 光伏发展的方向133.1光伏发展133.1.1可再生能源发展需求和太阳能利用133.1.2技术发展催生光伏产业133.1.3政策扶持促使光伏产业大发展133.2光伏发展方向143.2.1印度能源现状143.2.2中国光

10、伏市场的发展方向143.2.3中国分布式光伏发电市场现状调查及未来14参考文献16致 谢17绪 论太阳能是指太阳光照所辐射的能量。目前太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种形式。太阳能光电转换又分为光热发电和光伏发电两种，通常说的太阳能发电主要是指太阳能光伏发电。 太阳能光伏发电系统是利用半导体的光生伏特效应进行光电转换的发电系统，其应用基本形式主要分为独立发电系统（如图1所示）和并网发电系统（如图2所示）两大类。应用领域主要集中在航空航天、通信系统、微波中继站、无电缺电地区用户供电和市政照明工程等。一般的太阳能光伏发电系统主要是由光伏电池组件，交直流逆变器、蓄电池和光伏系统电池控

11、制器组成。首先，通过光伏电池组件将太阳能转换为电能，其次，再利用交直流逆变器将直流电转变成交流电，同时逆变器还可以自动稳定电压，改善光伏发电系统的供电质量。利用蓄电池将电能存储起来，在需要的时候在释放出来。充放电控制器则是可以防止太阳能光伏电源系统的储能蓄电池组过充电和过放电的设备，它是光伏发电系统的核心组成部分。第1章 光伏发电技术的起源及发展1.1太阳能发电技术起源所谓的光伏发电技术就是指将太阳能直接转换为电能的技术，主要依靠半导体材料的光生伏特效应来进行由光到电的转换。光伏发电技术已经有100多年的历史了，由于它极大地符合了未来的能源发展趋势，全世界的科学家们也对光伏发电技术的研究从未停

12、止过，所以在这并不长的100年历史中，光伏发电技术的发展可谓是非常迅猛的，也取得了很大的成就，现在这个属于能源界的比较高端的技术产品已经比较成熟。1.2太阳能发电技术在中国的发展在中国，太阳能发电技术在1958年开始研究，1971年应用于东方红二号卫星上，之后便开始应用于地面的光伏发电阵列，在进入21世纪后（2002年），开始把太阳能发电技术推广应用于偏远的无电地区。纵观光伏技术在中国的发展，是非常迅速的。第2章 光伏发电技术原理及系统组成2.1光伏发电技术原理2.1.1P-N结如果说内燃机是汽车的心脏，那么P-N结无疑就是光伏发电技术的心脏了。描述光伏发电技术的原理之前，我们有必要先了解一下

13、P-N结。P-N结，从名称就可以看出它是由两种材料构成的，是一个整体，但是可以这么理解，P-N结是由P型半导体材料和N型半导体材料紧密地连接到一起时，两种半导体的接触界面部分，就是我们所说的P-N结。假设一个P型半导体和一个N型半导体刚刚紧密地接触了，那么接下来P型半导体的多数载流子空穴会由于浓度差的存在而快速的向N型半导体扩散，同时，N型半导体的多数载流子电子也会由于浓度差的存在而快速的向P型半导体扩散，扩散都是存在于两种不同的半导体接触界面附近的，当扩散进行时，接触界面处会产生一个和由原电场（刚接触时由P型半导体指向N型半导体）方向相反的电场，此时这个电场有个特殊的名字内建电厂。P-N结是

14、光伏组件的核心部件，在P-N结中内建电厂便是最重要的成分。2.1.2光伏发电技术原理接着说光伏发电技术原理，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表，读出电压值。光伏发电技术所发出来的电是直流电，这完全不同于我们日常使用的交流电，而且直流电有着它独特的优点。交流电的最大优点是: 1、电力远

15、距离输送方便，可以将低压通过升压变压器后，升压到十几万伏后输送到很远的地方，然后再通过降压变压器把高压将为低压供给民用(220V)或工厂(三相380V)用。 2、发电量相同条件下，交流电的发电设备比直流发电设备要简单。 交流电的缺点是: 大多数用电器都是使用直流电，这需要将交流电经过整流滤波后才能使用。 直流电的优点: 可以不用整流滤波设备就可以直接使用。 缺点: 1、直流电电压无法通过变压器进行升压或降压。只能通过专门的电子电路进行升压或降压变换。 2、发电量相同条件下，直流发电设备比交流发电设备复杂。 补充说明: 1.高压直流输电技术兴起自20世纪50年代，经过半个世纪的发展，已经成为成熟

16、的输电技术。2.高压直流输电技术起步在20世纪50年代，而突破性的发展却在80年代。随着晶闸管技术的发展和现代电网发展的需要，80年代，全世界共建成了30项直流输电工程，直流输电在电网中发挥了重要作用.。与交流输电相比，其优点及特点:输送容量大;输送功率的大小和方向可以快速控制和调节;直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制;直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源;直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘电压相对较低;直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行，

17、且可充分发挥其过负荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失;直流本身带有调制功能，可以根据系统的要求作出反应，可以对机电振荡产生阻尼，可以阻尼低频振荡，从而提高电力系统暂态稳定水平;能够通过换流站的无功功率控制调节系统的交流电压;大电网之间通过直流输电互联(如背靠背方式)，两个电网之间不会互相干扰和影响，且可迅速进行功率支援等。2.2光伏发电系统基本组成2.2.1光伏发电系统基本组成光伏发电系统就是实现了从光直接到电的转换的一套设备。考虑到电力的使用寿命，使用安全，及其一些必要的转换设备，光伏发电系统的基本组成有：太阳电池 蓄电池 控制器 逆变器 光伏阵列支架 旁路二极管（有的电池组件接线盒里

18、已经接有） 防逆流二极管（控制器里面一般也会有）这只是最基本的，如果要提升安全级别，还必须要有避雷装置、直流汇流箱、交流配电箱、防孤岛效应等，若是系统容量较大或是有大功率感性电器（如电动机），还须有交直流隔离变压器，如果是并网系统，那么一定会有数据监控（这个一般并网逆变器或控制器会有相关的扩展功能）2.2.2光伏发电系统各部件功能1、 太阳电池用于把太阳的光能直接转化为电能。太阳电池种类：硅太阳电池、砷化镓太阳电池、硫（碲）化镉太阳电池三种。( 1 )单晶硅太阳电池应用最广泛，效率可达18%，价格较高。多晶硅太阳电池效率可达14%，非晶硅太阳电池效率可达6.3% 。( 2 )砷化镓太阳电池抗辐

19、射能力很强，目前主要用于宇航及通信卫星等空间领域。由于砷化镓太阳电池工作温度较高。( 3 )硫化镉太阳电池效率可达9%。但稳定性差，寿命短，污染环境。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。2、 太阳能控制器光伏控制器是用于太阳能发电系统中，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，这是控制器最基本的功能，对于一些有更高要求的光伏阵列，光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换

20、器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，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。3、 光伏蓄电池对于光伏蓄电池，并没有太多要说的，光伏蓄电池和普通的蓄电池区别不大，光伏蓄电池对蓄电池的C值要求不高，即不要求它的放电电流很大，但是电池的使用寿命越长越好。目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池，胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是:铅酸免维

21、护蓄电池和胶体蓄电池，这两类蓄电池，因为其固有的免维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。不过，前瞻产业研究院发布的中国锂电池正极材料行业发展前景与投资预测分析报告前瞻研究显示，我国手机产量呈现波动增长趋势，2007年手机产量为6.06亿台，到2012年产量增加到11.82亿台，2013年1-10月，我国手机累计产量达到12亿台。这主要是我国居民生活水平提高，消费购买力增强对手机需求的拉动所致。随着锂电池在手机的应用越来越游刃有余，于近年来，锂电池的应用也在光伏发电领域广为所见4、 光伏逆变器太阳能逆变器主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电

22、。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。5、 光伏阵列支架太阳能光伏支架，是太阳能光伏发电系统中为了摆放、安装、固定太阳能面板设计的特殊的支架。一般材质有铝合金、不锈钢，稍后在2.2.3中还有一些特殊的说明。6、旁路二极管 为防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损，因此在太阳能电池组件输出端的两极并联旁路二极管。7、防反充二极管防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方

23、阵倒送，不公消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送。这是因为串联各去路的输出电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体输出电压的降低。在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生。8、避雷（1）直击雷直击雷是云层与地面凸出物之间的放电形成的。（2）球形雷球形雷是一种球形、发红光或极亮白光的火球，运动速度大约为2m/s。球形雷能从门、窗、烟囱等通道侵入室内，极其危险。（3）雷电感应，也称感应雷雷电感应分为静电感应和电磁感应两种。

24、静电感应是由于雷云接近地面，在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷所致。雷云与其他部位放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚，以雷电波形式，沿突出物极快地传播。电磁感应是由于雷击后，巨大雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场所致。这种磁场能在附近的金属导体上感应出很高的电压，造成对人体的二次放电，从而损坏电气设备。（4）雷电侵入波雷电冲击波是由于雷击而在架空线路上或空中金属管道上产生的冲击电压沿线或管道迅速传播的雷电波。其传播速度为3108m/s。雷电可毁坏电气设备的绝缘，使高压窜入低压，造成严重的触电事故。例如，雷雨天，室内电气设备突然爆炸起火或损坏，人在屋内使用电器或打电话时突然遭电击身亡都属于这类

25、事故。2.2.3部分组成部件的特殊设计1、 支架我们知道在太阳能光伏发电系统中，有一个特别重要的组成部分叫做避雷防雷，那么这其中很大一部分的雷是说的感应雷，对于直击雷，目前还没有很好的防范措施，避雷针可以有效防雷，但效果并不是特别好，做不到万无一失，对于感应雷，包括静电感应雷，电磁感应雷，除了可以用我们现代技术浪涌保护器（或称避雷器），这里还会介绍一个针对太阳能电池板感应雷的保护方法。支架采用钢铁支架，但钢铁支架是不封闭的。一般地，光伏板阵列位矩形，这里把矩形的光伏阵列支架分割成若干块，块与块之间用金属夹件（或者其它适合材料，若有不导电合适材料更好）固定，并使块与块之间不接触，为确保块与块之间

26、不导电，块与块之间的连接处用浓硫酸或浓硝酸钝化，形成不导电薄膜，金属夹件与支架块接触一侧用EVA密封隔绝空气水分并形成绝缘层，金属支架接地。为方便阐述，这里暂且命名为组合型支架。效果预测：若不出现意外，组合型支架可以避免大面积的感应电流存在于支架，从而避免大电流击穿光伏电池玻璃而破坏电池片。优点：和浪涌保护器相比，从根本上祛除了危险，可以说是变相地把雷击保护反应时间减为零了。缺点：可能会增加些许成本。2、 控制器由于该设计是偏向于分布式家用光伏屋顶电站的，根据分布式光伏电站在中国的发展状况可以知道，中国分布式光伏电站发展不是很乐观的主要原因还是成本，对于很大部分普通家庭来说，还承受不起巨大的初

27、期投资。我们在给光伏电站配置控制器的时候会发现控制器所需要通过的峰值电流和正常工作电流往往相差很大，比如说我要启动一台电视机（老式彩电），以系统12V直流输出为例，那么电视机启动时直流输出电流能达到20几安培，甚至更高，这时市场上多见的工作电流20安控制器就已经不能完成电视机的启动了，如果更换大控制器，那无疑成本又要提高，那么接下来就阐述一个我自行设计的一款家庭版实用控制器。在控制器的输出负极端多接出一条线，用这条线来接一个启动开关。当需要启动电气时，尤其是当启动感性负载且功率较大的如空调之类的电器时，这个开关就很有作用了。工作原理：当需要启动电器时，接通电源负极引线，这时系统可提供的最大电流

28、为蓄电池的最大放电电流，一般地100安时蓄电池基本能达到1C放电，也就是放电电流最大值为100安，再乘以可增大的系统电压，也很容易就能启动所有的电器了，电器启动完成之后，务必切断引线，这样的方法可以增加系统的保护级别，尤其是对离网系统的蓄电池组的保护，最重要的也为光伏系统降低了成本。3、 蓄电池针对光伏系统的第二大投资蓄电池，本文也有一点自己的想法，如果能把这个想法变成现实，那么我想光伏系统的普及将会更简单 。我的想法：在地下挖一个坑，坑的内壁用水泥和胶密封，防止漏水，然后在内壁装一层密封铁板，铁板里面装浓硫酸电解液，以密封池作为蓄电池的外壳，按蓄电池制作工艺制作蓄电池，这样的蓄电池容量可以任

29、意定制，且成本较低。第3章 光伏发展的方向3.1光伏发展3.1.1可再生能源发展需求和太阳能利用 人类生存发展离不开对能源的需求。近二百多年的工业化进程导致对化石能源的巨额消耗，同时破坏了生态环境，造成全球变暖。化石能源的有限性和对环境的负面影响催生了对替代和可再生能源的需求。太阳能是各种可再生能源中最重要、最丰富的基本能源。目前，太阳能的利用主要通过光热、光电、光化学、光生物质等几种转换方式实现，开发利用过程基本无污染，是已知的最清洁、最安全的能源。 太阳能光伏发电就是利用光生伏打效应原理用太阳能储蓄电池接收太阳辐射能转化为电能的发电方式，其技术核心是可释放电子的半导体物质，最常用的是硅。因

30、此，光伏产业就是指以硅材料的应用开发形成的产业链条，包括上游的原材料供应、电池片生产、光伏电站建设及相关配套服务等环节。3.1.2技术发展催生光伏产业 技术是影响产业发展的一个重要因素。光伏产业最基本、最重要的技术就是提高太阳能电池的光电转化效率。1954年，美国贝尔实验室首次制成了光电转换效率为4.5%的单晶硅太阳能电池，实用光伏发电技术诞生。此后光伏产业技术不断进步，光电转换效率进一步提高，成本持续降低，促使光伏产业得以快速发展。3.1.3政策扶持促使光伏产业大发展 技术的进步使光伏产业成本不断降低，但还是远远高于传统能源发电成本，价格上无法与之竞争，于是，各国政府纷纷出台政策扶持光伏发电

31、行业的发展。优惠的政府补贴和上网电价极大激发了投资者的积极性，光伏产业在几十年时间里得以飞速发展。3.2光伏发展方向3.2.1印度能源现状据估计，印度约有2400万人次约占印度人口的五分之一，享受不到电力资源。为了将能源从阻碍印度经济进步的因素转变为推动印度经济发展的因素，印度的政策制定者必须加倍努力，对该行业投入更多资金，特别是在提高效率和低碳技术方面。据世界能源组织（IEAF）近期发布的2015年世界能源展望，从2015年到2040年年间，印度每年至少需要140亿美元的能源投资，每年需要约110美元亿美元的能源供应其中75%的能源供应是为了满足印度不断增长的电力需求。此外，每年还需要大约3

32、0美元亿美元的投资用以提高能源使用效率。印度的电力能源问题一直都很严重，为了应对这个问题，印度政府大力推动光伏能源的发展，2014年印度光伏系统占地面积人均超过了一平方米。3.2.2中国光伏市场的发展方向印度利用光伏能源解决其紧张的电力缺失问题，给了中国市场一个很大的启发，印度国情在某些方面上和中国国情是非常相似的，在印度政府的福利下分布式光伏发展的方向在中国也如火如荼的迅速发展着，并且发展前景日益乐观。3.2.3中国分布式光伏发电市场现状调查及未来 2008年以来，伴随金融危机的爆发，我国光伏发电产业长期处于低迷状态。欧盟光伏政策补贴标准下调，美国、印度展开光伏“双反”调查，市场需求不足，产品价格下跌，使得两头在外的国内光伏产业经历了一个又一个寒冬。 针对国外市场日益萎缩、国内市场低迷的境况，国内光伏市场被迫启动，一系列扶持光伏产业政策不断出台。2013年7月，国务院发布关于促进光伏产业健康发展的若干意见后，顺利并网、金融服务、增值税优惠、补贴额度和补贴方式细则等政策相继推出，各地区积极制定配