PVsyst家用独立光伏发电系统的优化设计

1、xxx 09 光通信 01 班 xxxxxxxxxxx忒脩7先/孝第11页一共12页太阳能光伏发电原理与应用课程设计课题名称：家用独立光伏发电系统的优化设计专业班级：学生学号：学生姓名：学生成绩：指导教师：刘国华课题工作时间：2012.6.11 至 2012.6.15武汉工程大学教务处、课程设计的任务和要求要求：1、具备独立查阅光伏发电器件参数、光伏发电控制电路、光伏发电系统设 计相关文献和资料的能力；能提出并较好地的实施方案；具有收集、加 工各种信息及获得新知识的能力。2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能对光伏发电系统的结构配置进行 研究、分析及优化的能力。3、具备采用计算机软件进行数值计

2、算、仿真、绘图等能力。4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术 用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正 确。6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。7、内容不少于3000字，图和计算结果可以打印。技术参数：1、光伏发电系统安装地点：武汉；2、使用非晶硅光伏电池；3、负载表数量功率使用时间荧光灯818w/ 盏5h/天电视机，电脑2120w/ 个3h/天洗衣机1600wh/ 天电冰箱11000wh/天任务：1、选择适当的光伏电池、蓄电池、逆变器和控制器；2、设计合适的光

3、伏发电系统电路原理图；3、利用pvsyst软件模拟优化此电路，对结果进行分析和总结、进度安排1、2012.6.11选题、熟悉pvsyst软件2、2012.6.12分析查找资料、提出设计方案3、2012.6.13光伏发电系统各部件的选型、系统的优化设计4、2012.6.14讨论、修改、进一步优化方案，写出初稿5、2012.6.15整理课程设计报告、交稿三、参考资料或参考文献1、杨金焕、于化丛、葛亮著.太阳能光伏发电应用技术.第1版.电子工业出版 社.2009年。2、李钟实著.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.第1版.人民邮电出版社.2010 年。3、pvsyst软件应用教程。指导教师签字：刘国华

4、 教研室主任签字：2012年6月1日2012年6月2日六、指导教师评分评价内容具 体 要 求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课 题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计） ；能正确选择研 究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）15分析解决问 题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析， 得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工 作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作 努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10顾里综述简练完整，有见解；立

5、论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、 正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算 机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用 能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字：年 月日四、课程设计摘要（中文）摘 要：随着世界性的能源短缺问题的日益严重，开发和利用新能源是一种必然的趋势，而太阳能就是其中最好的能源之一，本文通过对太阳能组件工作的原理的学习和认识，选择相应的组件，设计一个位于武汉的独立的太阳能供电系统实现对指定的用电器进行供电

6、，并采用pvsyst这个软件对设计进行模拟仿真和计算，得出该系统年发电量为1110度电，可以满足该用户的需求，每度电价格为13.3元。关键词：能源短缺，太阳能组件，独立光伏发电系统，pvsyst五、课程设计摘要（英文）abstract：with the worldwide energy shortage becoming more and more serious,to develop andutilise the new energy is the inevitable trend, and solar energy is one of the best .by learning and u

7、nderstanding the principle ofthe solar energy components。choose corresponding components anddesign a independent solar power system in wuhan to realize the supplyment of designated appliances.then this designment has been simulated and calculated with the software pvsyst. the systems capacity is 111

8、0 kwh/year,which can satisfy the needs of the users,and the price of each kwh is 13.3 yuan.key words：energy shortage ; solar components ; independent solar power system ; pvsyst七、答辩记录记录人（签字）：答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）：课程设计总评成绩:（指导教师评分x 80%+答辩成绩x 20%）家用独立光伏发电系统的优化设计xxxx 09 光通信 01 班 xxxxxxxxx摘 要：随着世界性的能源短缺问题

9、的日益严重，开发和利用新能源是一种必然的趋势，而太 阳能就是其中最好的能源之一，本文通过对太阳能组件工作的原理的学习和认识，选择相应的 组件，设计一个位于武汉的独立的太阳能供电系统实现对指定的用电器进行供电，并采用pvsyst这个软件对设计进行模拟仿真和计算，得出该系统年发电量为1110度电，可以满足该用户的需求，每度电价格为 13.3元。 关键词：能源短缺，太阳能组件，独立光伏发电系统，pvsyst。引言：能源是世界发展的源动力，随着石油等矿物能源的消耗，能源危机已经是世界面临的一大挑战， 于是开发和利用新能源成立必然的趋势，而太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点：第一：它是人类

10、可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。第二：地球上，无论 何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地 区更具有利用的价值。第三：太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废 气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。现今国内外都在大力发展太阳 能，比如建造大型太阳能发电基地，建设太阳能的公共设施，太阳能的建筑一体化等等。本文将对 一个独立光伏系统进行设计，并且采用pvsystem 该软件进行模拟和优化设计，从而达

11、到进一步了解光伏发电系统的目的。1太阳能电池的基础知识1.1 相关地理知识整个地球经度每15度为一个时区，共24个时区，以格林威治天文台所在的子午线处为0时，该设计地点武汉位于北纬 30.5度东经114.3度，处于第8时区。1.2 太阳能电池的安装参数为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的参数是一个十分重要的问题。方位角：太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向 西偏设定为正角度）。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大 的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置 时屋顶的方

12、位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建 设目的等许多因素都有关系。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。方位角=（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）一12） m5+ （经度116）。在不同的季节，各个 方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。倾斜角：倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量 为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋

13、顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大 于50%-60%）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也 存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要 进一步考虑其它因素。对于正南（方位角为 0。度），倾斜角从水平（倾斜角为0。度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是 在倾斜角大于 50。60。以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方 阵从垂直放置到10。20。的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0。度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最

14、大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起 来考虑。阴影对发电量的影响 一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下 得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比 无阴影的要减少约 10%20%。针对这种情况，我们要对理论计算值进行校正。通常，在方阵周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地 方时应尽量避开阴影。如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对

15、发电 量的影响降低到最低程度。另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后，前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。有一个高为l1的竹竿，其南北方向的阴影长度为l2,太阳高度（仰角）为a,在方位角为b时，假设阴影白倍率为 r,则：r = l2/l1 = ctga cosb。 此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。例如方阵的上边缘的高度为h1,下边缘的高度为h2,则：方阵之间的距离 a = （h1-h2） xro当纬度较高时，方阵之间的距离加大，相应 地设置场所的面积也会增加。对于有防积雪措施的方阵来说，其倾斜角度大，因此使方阵的高度增 大，为避免阴影的影响

16、，相应地也会使方阵之间的距离加大。通常在排布方阵阵列时，应分别选取 每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最 小。具体的太阳电池方阵设计，在合理确定方位角与倾斜角的同时，还应进行全面的考虑，才能使 方阵达到最佳状态。1.3 独立光伏系统的组成部分和设计要求目前在独立运行的光伏发电系统中，普遍采用的结构如图1所示，首先利用太阳能电池来收集太阳能，在经过 dc/dc变换器给蓄电池充电，由于蓄电池的电压较低，往往无法满足逆变要求，因 此还需要一个升压变压器，将直流电压升高，最后通过逆变器将直流电转化为220v/50hz的交流电供用户使用。图1:独立光伏系统

17、构成图电池板的选择：太阳能电池板容量是指平板式太阳能板发电功率wp。太阳能发电功率量值取决于负载24h所消耗的电力，由负载额定电源与负载 24h所消耗的电力，决定了负载 24h消耗的容 量p (ah),再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流ip(a)。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压vf (v),再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压vt (v)及反充二极管 p-n结的压降vd (v)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压vp (v),由太阳能电池阵列工作电源ip (a)与工作电压 vp

18、(v),便可决定平板式太阳能板发电功率，从而设计出太阳能 板容量，由设计出的容量 wp与太阳能电池阵列工作电压 vp,确定硅电池平板的串联块数与并联组 数dc/dc变换器的选择：转换效率要高，静态电流要小，可以更省电；输入电压要低，尽可能利 用电池的潜能；噪音要小，对手机的整体电路无干扰；功能集成度要高，提高单位面积的使用效率， 使手机设计的更小巧；足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫。蓄电池的选择：独立光伏系统蓄电池的选择过程主要包括三个方面：蓄电池种类、蓄电池的容量和蓄电池组串并联的确定。蓄电池种类很多，主要有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、馍氢电池等。目前，由于产品技术的成熟

19、性和成本等因素，一些小型简单的独立光伏系统中使用馍 氢电池，但应用较少；多数的独立光伏系统中使用铅酸蓄电池，应用广泛。蓄电池的容量选择与很 多因素有关，主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。独立光 伏系统的蓄电池容量，要保证系统在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间内持 续正常工作。在光照度低于平均值的情况下，太阳能电池组件产生的电能，不能完全补充每日负载 需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样蓄电池就会处于亏电状态。如果在一定时间内光照度 始终低于平均值，蓄电池持续放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态持续下降。但是为了避免 蓄电池的损坏，这样的

20、放电过程只能允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低 值，即蓄电池的最大放电深度。这里我们将持续放电时间称为：独立运行天数，即光伏系统在没有 任何外来能源的情况下蓄电池供给负载正常工作的天数。同时，由于铅酸蓄电池的额定容量会随着 温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降，所以安装地气温对确定蓄电池的 容量非常重要。如果安装地的气温较低，实际需要的蓄电池容量就要比常温条件下需要的蓄电池容 量大，才能保证在不影响蓄电池使用寿命的情况下满足负载的用电需求。大多数铅酸蓄电池生产企 业一般会提供相关的蓄电池温度一容量修正曲线。在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正 系数

21、。蓄电池容量=(日负载需求*独立运行天数)/ (最大放电深度*容量修正系数)。逆变器的选择：在光伏系统中，光伏逆变器的指标及参数主要受蓄电池及其负载的影响，为了满足负载要求，逆变器稳态输出电压的变化量不超过额定值的5%突变输出电压偏差不超过额定值的10%输出电压波形失真度小，频率稳定，逆变效率较高；且在功能稳定与经济指标之间权衡。2设计的具体方案本次要求为一个独立的光伏发电系统来供给处于武汉一个基本的家庭用电。2.1 各项参数的设置：确定武汉的天气状况：武汉处于北纬30.5度，东经114.3度，海拔为30m.第8时区.利用软件pvsyst自动导入天气状况，如图2所示。geographical

22、cootdinatts ； monthly meteo ；图2:武汉天气情况的导入确定安装的角度： 因为相对而言冬季的太阳辐射量低，所以该系统的安装角度以冬季为标准，利用软件自带的模拟检测， 确定电池板安装的倾斜角为 43度，方位角为0度能够达到最大辐射接收量。确定阴影遮盖损耗：由于本次设计为房屋建筑物顶端，预想为没有阴影遮盖系统的负载情况：数量功率使用时间荧光灯818w/ 盏5h/天电视机，电脑2120w/个3h/天洗衣机1600wh/天电冰箱11000wh/天每日的用电消耗量：3040wh/day确定系统参数：允许的缺电概率设置为2.0%,最长自主供电天数，及最长连续阴雨天数设置为10天，

23、电池电压为24v,软件自动计算出建议的容量为1403ah,光伏功率为1.0kwp电池组件的选择：选用 2v1370ah的蓄电池（fulmen所生产的txe 1300/opzs1200 ）,串联数二 总电压/单个电池电压=24/2=12;并联数=总容量/单个电池容量=1403/1370=1。则总共用了 12个电池 容量为1370ah,存储电量为32.9kwh。电池板的模块选择：由于该系统只是一般的家庭系统，按照经济适用的原则来看，选择非晶 硅的电池板比较合适，经筛选选择由solar cells生产的smal 436 50wp12v的电池板，串并联计算方法与蓄电池计算方法基本相同，得出需要2个并联

24、10个并联，总共20块电池板。阵列电压值为 29.8v,电流值为32.0a,功率为1.0kwp。其他选择：为防短暂的供电不足，本系统还加入了备用发电机将个部分设定好之后软件自动计算出其各项损耗，如图 3所示xxx 09 光通信 01 班 xxxxxxxxxxx图4:仿真结果图第13页一共12页201050collector field, smal 436 from solar cells2 modules in series, 10 strings in parallel20voltage v图3:该系统的损耗图像式七兰ci2.2 设计结论:经软件模拟仿真之后得到如下结果，如图 41.20.0

25、performance ratio pr and solar fraclion sf100.80.60.40.2jan feb mar apr may jun jij aug mep oct nov decxxx 09 光通信 01 班 xxxxxxxxxxx图像说明该系统无论在那个月均可以满足用户的需求。但是相较而言能量利用率仅为0.805,利用率较低。2.3 经济评价：本次设计投资如下产品数量型号生产商单价总计电池板2*10=20smal 43650wp12vsolar cells100020000支架1500500蓄电池12txe1300/opzs1200fulmen300036000控

26、制器1gh-30光合200200接线300发电机1ec1800cx本田30003000运输安装1000总计61000软件模拟处的z果如下图 5systemr 5land alone systemvaluesr global c 啊wp,* eij piece日inyesttmierityuan / pci-闺yudn 7 pi ”pv mckdiies20 units of 50 wpsupports / integration100100500.00batteries12 cf 2 v/1370 ah3000.00yuan / pc厂图conrtrollei200.00yuansetting

27、s, ming.300.00yuan the 电 miscellarheous.d * ik400100yuansubstitution underwrtti_200100yuangross iovestmenl |emcl- taxes)6850000yuanproject and simulation varianlptoject vjiiiansetsmndation new simulation variantf，打可 rorr =1.0 kwpfvmodule: smal43gtaxe5|aoct 常0.00yuansubsidies0.00yuannet invcstmemgo5o

28、0looyuanannuities13toq00yuan / yrrunning costsdetails1013 36yuan / yri otal yearly cost14713.36yuan / yrfinancingenergy ca(tused solar energy excess energy yca|y costdied energy costdurationrateann. factor 20.00 cap./yi1110 kwh/year1zg kwh/ai14713 yuan/yeai13.3 yuan?kwh图5:软件经济计算结果图由于我国对光伏发电系统有所补助，所以

29、这里假设此项目税务为0,银行贷款利率为0。最终发电价格为每度电13.3元。随着能源的日益短缺，太阳能的开发和利用在当今社会的低位将越来越重要，这样的小型光伏 发电系统也将越来越多的出现在人们的生活当中。本次设计位于武汉的独立光伏发电系统经软件仿 真模拟可以100%满足用户用电需求，年发电量为 1110kwh,电量利用率为0.805。参考文献1王恩，杨海柱，陈广华。独立光伏发电系统中蓄电池充电方法探究j。太阳能学报，2010,(06)。2杜宗伟，姜凤利，金玉，王萍，王博。户用光伏发电系统设计与研究j。农业网络信息，2011,(11)。3陈耀。独立光伏系统蓄电池的选择j。新能源,2011,(06)

30、。4侯国青，陈世华。独立光伏系统逆变器的应用及选型j。太阳能，2009, (07)。5曾叶凡，刘志峰，张爱平。独立光伏发电系统的研究与设计j。制造业自动化，2008, (04)。6 c.l. cheng ; charles s. sanchez jimenez; meng-chieh。 research of bipv optimal tilted angle, use of latitude concept for south orientated plansj 。 renewable energy, 2009, 34 (6)。7 mario rakic ; dunja desnica-fr

31、ankovic ; uros v. desnica。potential for off-grid pv applications on croatian islandsj。strojarstvo , 2007,49 (3)。8 louy qoaider 。 photovoltaic systems: a cost competitive option to supply energy to off-grid agricultural communities in arid regionsj 。 applied energy , 2010, 87(2)。9 a. zahedi。solar photovoltaic (pv) energy; latest developments in the building integrated and hybrid pv systemsj。 renewable energ