家庭式太阳能供电系统的研究与设计

PAGEPAGE40 …….……………….………………家庭式太阳能供电系统的研究与设计装订线……………….…….………….………….………目录16719摘要 I14886Abstract II1194引言 1304541太阳能光伏发电的现状 160711.1太阳能供电的背景与意义 1181701.2中国太阳能发电现状 2233751.3家庭式太阳能供电系统的现状 3296692太阳能发电系统 3137142.1太阳能发电方式简介 3270522.2太阳能光电转化的基本原理 4203992.3太阳能蓄电池 534912.4逆变器的基本工作原理 5243192.5家庭式太阳能供电系统的基本组成 6306413主要构件的选择及应用 8153543.1太阳能电池板的选择 8260963.2蓄电池的选择 8240123.3防反冲二极管的选择 9180303.4太阳能控制器的应用 9183233.5逆变器的应用 10204694家庭式太阳能供电系统的设计 1273094.1家庭式太阳能供电系统整体设计步骤 12107474.2家庭式太阳能供电系统光伏组件的确定 13314264.2.1光伏方阵最佳倾角计算 13258984.2.2平均峰值日照时数的计算 14306994.2.3负荷的计算 15207754.2.4计算方阵最佳方阵应输出电流 15150174.2.5计算太阳能电池板工作电压 16249514.2.6计算太阳能电池板的功率 17149114.3蓄电池组的容量确定 1788924.4逆变器和控制器的确定 18167615计算机软件的应用及设计举例 1827145.1RETScreen数据库的应用 18300485.2家庭式太阳能供电系统设计举例 2045.3应用PVSYST进行系统设计 25167616结论 3726341参考文献 399928致谢 40Contents14886Abstract II1194Introduction 1304541Statusofsolarphotovoltaicpowergeneration 160711.1Backgroundandsignificanceofsolar-powered 1181701.2StatusofChinesesolarpower 2233751.3StatusofHouseholdSolarpowergenerationsystem 3296692Solarpowergenerationsystem 3137142.1Introductionofsolarpowergeneration 3270522.2Thebasicprinciplesofsolarphotovoltaicconversion 4203992.3SolarBattery 534912.4Thebasicprincipleoftheinverter 5243192.5Thebasiccompositionofhouseholdsolarpowersystem 6306413SelectionandApplicationofmajorcomponents 8153543.1Selectsolarpanels 8260963.2BatterySelection 8240123.3Anti-kickbackdiodeselection 9180303.4Theuseofsolarcontrollers 9183233.5InverterApplications 10204694Thedesignofhomesolarpowersystem 1273094.1ThestepsofdesignHouseholdSolarpowergenerationsystem 12107474.2PVmodules 13314264.2.1OptimumtiltangleofPVmodules 13258984.2.2TheHoursoftheaveragepeaksunshine 14306994.2.3Loadcalculation 15207754.2.4ThebestcurrentofPVmodules 15150174.2.5TheVoltageofPVmodules 16249514.2.6Calculatingtheaveragepowerofsolarpanels 17149114.3.Determinethecapacityofthebatterypack 1788924.4Inverterandcontrollerselect 18167615SoftwareapplicationandDesignExamples 1827145.1RETScreendatabase 18300485.2DesignofHouseholdSolarpowergenerationsystem 2045.3UsingPvsysttodesignsystem 25167616Conclusion 3726341References 399928Acknowledgement 40家庭式太阳能供电系统的研究与设计摘要：太阳能是最普遍的自然资源，亦是取之不尽的可再生清洁能源，它与化石能源相比，有很大优势。工业革命后人类生产生活方式发生巨大改变，对能源的需求越来越大。随着自然环境的恶化及化石能源开采难度不断增大，能源的可持续供应受到人类的重视，如何利用太阳用进入了人类的视野。本论文全面分析了当今世界太阳能发电的现状和国内状况，强调家庭式太阳能供电系统在我国及全世界发展的必要性。论文循序渐进的对太阳能供电系统的原理、主要构件的选择与应用、家庭式太阳能供电系统设计进行了全面阐述，并结合实际地域进行了系统设计举例。另外本论文应用了计算机软件RETScreen、NASA数据库、PVSYST对太阳能供电系统设计进行指导和模拟。关键词：太阳能；光伏发电系统；系统设计；太阳辐射；软件应用

StudyandDesignofHouseholdSolarPowerGenerationSystem(Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018)Abstractsincetheindustrialrevolution,therapiddevelopmentoftheindustryhavebroughtgreatconveniencetohumanlife,butatthesametimetheneedofenergyisgettingmore.Itwillletusfacewithaseriousenergycrisis.Infact,theuseofoilandcoalcausedglobalclimategetworse.Sothenewenergyexplorationandresearchhasbecomeatopicofcommonconcernofallcountriesintheworld.Inmanykindsofnewenergy,solarenergyisthemostprimitiveandinexhaustible.Itisakindofrenewableenergy,butalsotheprimaryenergy.Solarenergyiscomingtotheearthmainlyaslightandheat.Solarenergydoesnotpollutetheenvironment,doesnotneedtotransport,carrybylight.Soinanumberofnewenergy,itisthecleanest.Amongmanywaysofusingsolarenergy,thesolarphotovoltaicpowergenerationisthemainlyway.Inthisthesis,householdsolarpowergenerationsystemastheresearchcenter,everylinkoftheWholesystemisintroducedwiththeanalysisandchoice.Inaddition,wealsousetheRETScreen、NASA'sdatabase、PVSYSTtoguidanceandsimulationforthedesignofHouseholdSolarpowergenerationsystem.keywords:solarpower;photovoltaicpowergenerationsystem;systemdesign;solarradiation;applicationofthesoftware引言在地球环境污染和能源形势的变化日趋严峻的背景下，太阳能作为绿色能源越来越受到世界各国的重视。不论是从经济、社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从为世界上20亿无电人口和一些特殊用途解决现实的能源供应出发，发展太阳能光伏发电均具有重大的现实意义，利用太阳能是人类未来的希望。家庭式太阳能发电系统是解决无电、缺电人口用电问题，改善能源结构的有效途径，具有强烈的紧迫性及战略意义。1太阳能光伏发电的现状1.1太阳能供电的背景与意义工业革命后人类生产生活方式发生巨大改变，如何获得能源成为人类所关心的问题,能源短缺直接制约着经济和社会的发展，能源的持续供应成为关注的焦点，各国相继开启可再生能源的开发的研究。地球环境污染和能源形势变的日趋严峻，人类迫切需要一种新型的清洁能源替代煤炭、石油、天然气组成的传统化石能源。太阳能这种绿色能源受到了世界各国的关注，利用太阳能发电也成为人类的研究重点。太阳能如下强势的优点：(1）人类在地球生存的历史与太阳的寿命相比，太阳对人类来说是无限存在的，这种资源取之不尽用之不竭(2）太阳发射出来的能量对于人类来说十分巨大，太阳光线四十分钟内给予地球的能量，若被人类全部利用，可供应世界一年的能源消耗。（3）太阳能量的传递依靠太阳光，阳光对生物环境都没有危害，不存在浪费污染，只存在没有利用。（4）有阳光的地方就可以利用太阳能，是一种最公平的自然资源。作为一种完全清洁的能源，在未来太阳能取代传统的化石能源，对人类发展的可持续性具有重大的意义。随着科研投入不断加大，相关技术的发展与成熟，现如今光伏发电技术可以应用在任何光照的条件下，为用户提供电能。当前研发不断取得突破性的进展，制造工艺逐渐成熟，系统组件的制造成本不断降低，在不远的将来，太阳能发电将由现在的补充能源上升到最普及的替代能源。据国际能源署预测，到2020年，全球的总发电量中太阳能发电将占据2%的份额。许多发达国家都在积极发展可再生能源利用的研究，据统计仅光伏电池年产量平均增速已超过40%，迅速“发酵”的国际光伏市场也带动了我国相关产业的快速发展。中国已经成为世界上最大的太阳能电池制造国，未来太阳能光伏发电将会在世界能源消耗占据重要地位，不但会替代常规的化石能源，而且会在世界能源供应中的占据主体地位。估预测到2030年，可再生能源的利用在总能源中比例将达到30%，太阳能光伏发电量占到世界总电力供应量的10%左右；预计到2040年，世界能耗中可再生能源的比重会占到50%左右，世界总电力中光伏发电的供给量达到20%；21世纪末期,可再生能源的供应在全球总能源结构中的比重将高达80%左右，其中太阳能发电量将至少占据全球总能源的60%左右。这些数字足以勾画出太阳能光伏产业发展的美好前景，我国发展光伏产业在能源领域具有重要的战略地位。中国是世界上第二大电力消耗国，电能成为最重要的能源，电力短缺对中国经济发展的制约作用已十分明显，我国多个领域亟待进行节电改造。随着工业化的推进，中国人民生活条件的改善，我国电力需求量不断增大，如何保证电力充足供应得到中国政府的高度重视，太阳能发电技术对改善我国的能源结构具有促进作用。现今生态环境不断恶化，传统能源开采难度也不断加大，广泛使用绿色能源可以减少二氧化碳及其它有毒气体的排放，防治大气污染温室效应，对保护生态环境及能源的充足供应都具有重要意义。因此，研究太阳能这种绿色能源的有效利用具有强烈的紧迫性及战略意义。1.2中国太阳能发电现状我国太阳光年日照时数大于2000小时，资源量很丰富，年太阳能辐射总量大于1389千瓦时每平方米的地区约占全国总面积的2/3，具有太阳能利用的坚实基础。中国太阳能技术的研究比发达国家晚，我国在1958年开启了太阳电池的研究项目，其成果首次成功应用在1971年发射的“东方红二号”卫星上，1973年我国自产的太阳电池开始在港口面航标灯上应用。1979年我国开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池，使得太阳电池制造成本降低，并首次打开了应用的市场。当时生产的太阳电池面积较小，其电极采用的是真空蒸镀银铝的制作方法。到80年代中后期，中国开始引进国外太阳电池生产线和关键技术设备，当时我国太阳电池产能达4.5MW。21世纪以后，中国对新能源的重视程度加大，随着投入的增加，在该领域技术不断的进步，我国在光伏发电方面开始培养了一大批的科研人员从事新能源发展和推广。中国与发达国家的差距在一步步的缩小，到21世纪，国内光伏发电市场呈现加速发展趋势，年增长速度在20%左右，中国光伏产业的发展已具有初步规模，已广泛应用到国内生产生活的多个领域，如通信、交通、家庭生活用电等多个领域，其在航标灯塔、铁路公路等信号系统、微波中继站、高山气象站、边防哨卡独立电源、偏远山区等地域分散型用电领域都可发挥独特作用。我国政府目出台一系列扶持光伏发电发展的优惠政策，在太阳能光伏发电的相关方面先后制定了发展的策略，并制定了相应法律法规。为太阳能发电技术的发展营造了积极的国内环境。我国是世界上最大的发展中国家，地域辽阔，电网范围不可能覆盖到全部区域，我国有8亿人口在农村，很多偏远的农村地区还用不到电，生活水平低下，生活极不方便。至目前资料显示，中国仍存在二万个无电村、多达上千无电的岛屿，至少2300万的居民缺少的电能供应，太阳能发电项目要优先服务处于无电、缺点的用户，家庭式太阳能发电系统的普及对我国改善民生，提高国民生活质量具有重要意义。为区域协调发展，为促进人民生活水平的提高，我国启动了“西部省区无电乡村通电计划”。主要由小型风力发电、光伏发电这两种途径解决西部地区七个省份无电乡村的用电问题。2010至2020年将继续推广，预计太阳能发电系统的安装量将达到100MW。中国政府的大力支持对太阳能发电领域快速发展起了很大的推动作用。1.3家庭式太阳能供电系统的现状现阶段家庭式太阳能光伏发电系统主要解决用于无电、缺电地区的用电问题。在这些用户中，大多数都是偏远山区、牧区、移动性的养蜂户、林区单位，这些单位一般只需满足最基本的照明等生活用电需求，很适合用家庭式太阳能供电系统解决用电问题。家庭式太阳能光伏发电系统，若在无电、缺电地区以80%的保有量计算，加上国家推广的“光明工程”、“送电到乡工程”投资建设的大中型的光伏电站，能解决一百万户家庭的生活用电问题。资料显示，2010年底，太阳能发电累计安装容量达到70MW，农村地区的电力建设占到43%，而我国仍有三百万户家庭处于无电可用的状态，今后我们要采用太阳能或风光互补发电系统来解决150万户家庭的用电问题。由于偏远山区受地域的限制，输配电设备很难架设，只能采用分散式的供电方式，即应用家庭式太阳能光伏发电系统。随着用户需求的不断提高，现有太阳能发电系统也亟需升级换代。因此，发展家庭式太阳能供电系统对我国有很现实的意义。2太阳能发电系统2.1太阳能发电方式简介太阳能发电有两种利用方式：光-热-电转换方式和光-电直接转换方式。光-热-电转换方式：收集太阳辐射的热能发电。通过太阳能集热器吸收太阳辐的射热能转换成蒸气的动能，由蒸汽推动发电机发电。前一个过程是光--热转换过程；后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发电原理相似。这种发电方式的有很大的缺点，效率低成本高，只适用于小规模的特殊场合，不能大规模利用。光-电直接转换：将太阳辐射能直接转换为电能，即光电效应。光电转换的基本装置是太阳能电池，它是一种半导体光电二极管，只要有光照到光电二极管上时，利用光电效应，就可以把太阳的光能转变成电能，产生电动势。太阳能电池方阵就是由许多个电池串联或并联起来，以产生较大的功率。目前利用太阳能电池板发电被广泛应用，完全利用太阳能为一户家庭供电，已经得以实现并成熟应用。2.2太阳能光电转化的基本原理太阳能发电是根据光生伏特效应利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电系统主要构件：太阳能电池板、逆变器、控制器三大部分。太阳能电池板（Solarpanel）有单晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物、柔性薄膜太阳能电池等。国产晶体硅电池转化池效率可以达到10-16%左右，国外同类产品转化效率高于国产其效率达到18%-23%。表2-1各类太阳能电池转化最高效率种类单晶硅多晶硅非晶硅砷化镓铜铟镓硒多接串叠最高效率24.7%19.8%14.5%25.7%8.8%33.3%光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成的电池板构成，在光照条件下，太阳能电池片将生产电动势，经过串并联的组合，得到系统所需要的电压。该电池板生成的电能，经过充放电控制器的调节后再对蓄电池进行充电，以保证流进蓄电池电能的质量，此时光能的转变成可以利用的电能贮存到蓄电池中。无光照条件见下，充电后蓄电池组在控制器控制下向逆变器输入电流，通过逆变器的逆变作用，直流电转换成交流电，再送入配电柜，经配电柜切换作用，再对负载进行供电。基本原理如下图2-1所示：图2-1光电效应原理图光线照射在光伏组件上，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出来，产生空穴电子对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，被空间电荷的电场作用分离。电子向带正电的N区移动和空穴向带负电的P区移动。通过界面层的电荷分离作用在，P区和N区之间会产生一个向外可测试的电压（在硅片的两边加上电极接入电压表测量，晶体硅太阳能电池，开路电压的典型数值大约为0.5V-0.6V）。光伏组件面积越大，界面层吸收的光能越多，在界面层产生的电子-空穴对越多形成的电压也越大。光线照在半导体P-N结上，形成空穴电子对，在P-N结内建电场的作用下，电子由P区流向N区，空穴由N区流向P区，接通电路后就形成电流，这就是光电效应太阳能电池的工作原理。2.3太阳能蓄电池太阳光照射在光伏组件上，会产生一定幅度的直流电，能量由光能转为电能，经智能控制器将电能输送给蓄电池进行储存，电能转变为蓄电池中的化学能，需要时经化学反应蓄电池释放出储存的电能。太阳能蓄电池是具有很好的过放电和过充电的能力、很好深循环能力的蓄电池，在太阳能发电系统中作为能量储存设备广泛应用。目前在我国广泛使用的太阳能蓄电池是：胶体蓄电池、铅酸免维护蓄电池。这种类型的蓄电池，具有“免维护”特性并且对环境污染较少、性能可靠，应用在无人值守的工作站点具有很大优势。特殊的工艺设计的胶体电解质可以提高电池的使用寿命，在较差工作环也能正常使用。2.4逆变器的基本工作原理逆变器是把直流电（DC）转变成交流电（AC）的装置（国内负载多使用220V50Hz正弦波）。光伏组件、蓄电池输出的是直流电能,而负载多为交流负载，电能须通过逆变器的转换（DC变为AC）,才能驱动交流电设备。逆变器在太阳能发电系统中占据重要地位，是系统的主要组成部分。图2-2逆变器在太阳能发电系统中的应用太阳能发电系统的逆变电路是太阳能电池和蓄电池阵列所输出的直流电转变为正弦的交流电，经过低频滤波器过滤后，得到220V50HZ的交流电压。2.5家庭式太阳能供电系统的基本组成家庭式太阳能系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、交直流逆变器、充放电控制器、交流配电柜等设备组成。原理示意图如下：图2-3户外太阳能发电系统模拟图图2-4家庭式太阳能发电系统原理框图图2-5家庭式离网发电系统原理示意图图2-6家庭式太阳能并网发电系统示意图该系统主要构件的作用如下所示：太阳能电池在光照条件下，经光生伏特效应，产生电动势，把光能转换电能。太阳能电池板（Solarpanel）由单晶或多晶硅的太阳能电池片串并联，由EVA、TPT、钢化玻璃热压密封而成，是一种通过吸收太阳光，将太阳的辐射通过光电效应或光化学效应直接或间接的转换成电能装置。蓄电池组是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。防反充极管又名电池方阵电路中，为避免光伏电池方阵在无光照下不发电或者出现严重的短路故。逆变器在太阳能发电系统中占据重要地位，是系统的主要组成部分。逆变器是把直流电（DC）转变成交流电（AC）（我国一般为220V50Hz正弦波）。光伏组件、蓄电池输出的是直流电能，而负载多为交流负载，电能须通过逆变器的转换（DC变为AC)才能驱动交流电设备。交流配电柜主要应用在电站系统中，保证系统的可靠运行，对线路电能进行计量、切换备用逆变器。3主要构件的选择及应用3.1太阳能电池板的选择太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部件。目前，我国半导体材料研制技术已比较成熟，单晶硅、多晶硅材料产量稳居世界第一，出口欧美多个各国，近几年由于贸易保护主义使企业出口难度加大，欧美市场比例持续下降，国内成为较多企业生存的市场。实验多晶硅光电转换最高效率为19.8%，转换效率适中，进口产品价格较高，国产多晶硅以其优越的性价比是太阳能电池的首选材料。选用的国产多晶硅太阳能电池板大约10RMB/W，其光电转换效率为13%至15%，性能稳定，性价比高，是理想的太阳能电池板。附：2013年度光伏行业的"十佳"组件企业（注：以下排名不分先后）英利绿色能源控股有限公司天合光能有限公司阿特斯阳光电力有限公司晶澳太阳能有限公司晶科能源控股有限公司昱辉阳光能源有限公司韩华新能源有限公司上海航天汽车机电股份有限公司光为绿色新能源股份有限公司中节能太阳能科技（镇江）有限公司3.2蓄电池的选择太阳能蓄电池需要具备如下条件自放电率低使用寿命长深放电能力强充电效率高少维护或免维护工作温度范围宽造价低中国的太阳能发电系统中，胶体蓄电池、铅酸免维护蓄电池和普通铅酸蓄电池是广泛应用的三类电池。胶体蓄电池铅、酸免维护蓄电池具有“免维护”特性并且对环境污染较小，广范用在太阳能发电系统。在高温、高海拔或者低温等较差条件可选用电解质经特殊工艺设计的胶体蓄电池。配用200AH以下容量的系统，一般选用小型的密封免维护铅酸蓄电池；配用200AH以上容量的系统，一般选用固定式或者工业式免维护铅酸蓄电池。太阳能蓄电池的容量类型生产厂家不同价格也相差很多。由6个单体铅酸免维护蓄电池（12V100AH）组成的蓄电池组，可作为稳点可靠配件推广。图3-1太阳能蓄电池3.3防反冲二极管的选择防反冲二极管串联在太阳能池池方阵电路中，仅起单向导通作用，不影响系统的发电效果。并且要求其可以承受足够大的电流，正向电压降小，反向饱和电流小，系统中一般应用适合的整流二极管。3.4太阳能控制器的应用太阳能充放电控制器简称太阳能控制器，是一种自动设备，在太阳能发电系统中，经其调整才可对蓄电池充电，蓄电池为负载供电也需要控制作用，以保证电能质量。太阳能控制器是由专用高速CPU微处理器、高精度A/D模数转换器、显示器、开关功率管等组成，是一个微机数据采集和监测控制系统，它还具有串行通信数据传输功能，可对多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。由于光照强度的变化，太阳能电池组件产生的电流有很大的波动性，产生的原生电流直接流入蓄电池或直接连入负载，将会对蓄电池和负载造成损坏，严重影响系统的使用寿命。对蓄电池充电时，太阳能电池板产生的电流，优先送入太阳能控制器，经芯片电路对原生电流进行数字化调整，并加入多级充电保护，采用独有的“自适应三阶段充模式”控制技术处理后接入蓄电池组和负载，保证到了电能质量，使负载和蓄电池组安全运行。对负载供电时，蓄电池的电流经太阳能控制器调节后送入负载。经控制器处理得到稳定的电流保证负载正常工作，保护蓄电池不被过放电，此外还可以对蓄电池和负载进行一系列的检测，以保证系统稳定性。小型家用系统，在远离大电网，用电负荷低且交通不便的地区，比如说边远牧区、海岛通信基站、无电户地区、微波站、边防哨所等，可采用SR-LM系列太阳能控制器。中小型太阳能电站系统，需用专用电脑芯片实现了智能化控制，需要详细的指示充放电电流、蓄电池电压、充放电电量、工作模式及各种故障，分析判断系统运行状态，可采用SR-LG系列太阳能控制器。图3-2太阳能控制器SR-LM和SR-LM系列产品图样3.5逆变器的应用光伏组件和蓄电池输出的均为直流电，一般为12V至48V，而国内的负载一般都是标准的220V。为得到220V的交流电，直流电要经过逆变电路的转化，光伏蓄电池阵列输出的直流电转变为正弦交流电，后经过低频滤波器，得到工频50HZ、220V的交流电供给负载或输入电网。逆变器就是将直流电（CD）转换成交流电（AC）的设备。图3-3家用太阳能发电系统的逆变器电路光伏蓄电池阵列DC直流滤波升压RC桥式正弦波振荡器工频逆变运算放大器升压滤波接负载或并入电网。运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器可将低压直流电转变为工频50HZ的低压交流电,电路的振荡频率f=1/2πRC,其中R=R2=R3,C=C1=C2,起振的幅值条件为Rf/R1≥2，其中Rf=R4+R5+(R6//rD),rD为二极管正向导通电阻。运算放大器将逆变后的工频交流电压升压为工频220V的交流输出电压。光伏组件或蓄电池的输出的直流电压，先经DC直流滤波电路升压后，再由运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡电路转变为工频50赫兹的交流电，然后经运算放大器升压得到220V交流输出电压，经滤波器滤波得到220V的工频电压，供给负载或并入电网。附：2013年度光伏行业的"十佳"逆变器企业（注：以下排名不分先后）阳光电源股份有限公司古瑞瓦特新能源有限公司正泰电源系统有限公司山亿新能源股份有限公司固德威电源科技有限公司特变电工新疆新能源股份有限公司欧姆尼克新能源科技有限公司株洲变流技术国家工程研究中心有限公司北京能高自动化技术股份有限公司艾伏新能源科技(上海)股份有限公司4家庭式太阳能供电系统的设计4.1家庭式太阳能供电系统整体设计步骤系统建设地点地理及气象条件，如：纬度，经度，海拔高度，年最高、最低气温和月平均气温，年分月太阳辐射量，年日照时数，年最长连续阴雨天数，年平均风速及极限风速，灾害性地质及气候情况↓计算出太阳能电池方阵最佳倾角β↓用电负载的特点及要求，允许的失电小时数，允许的输电电压↓初步确定太阳能电池方阵尺寸、额定功率、组件串并联数及组合式↓确定蓄电池组的容量及其连接方式↓确定控制器的规格型号↓确定逆变器的规格型号↓最终确定太阳能光伏发电系统及各部件的技术参数↓系统容量设计所要求的报价清单↓家庭式太阳能发电系统经济效益分析家庭式太阳能发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，其中软件设计先线于硬件设计，包括：计算的负载用电量计算光伏方阵面的辐射量计算光伏方阵和蓄电池容量计算光伏方阵安装倾角逆变器的选型和设计控制系统选型和设计系统中安装倾角、太阳能辐射量等计算比较繁琐，我们一般使用计算机完成；在要求不是太严的普通家庭系统我们一般采取估算法。设计计算需要的基本数据主要有：安装现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔等；安装地点的气象资料：太阳直接辐射量、逐月的太阳能总辐射量、太阳散辐射量；年平均气温，最高、最低温度；最长连续阴雨天数等气象资料。4.2家庭式太阳能发电系统光伏组件的确定4.2.1光伏方阵最佳倾角计算一般采用两种方法来布置光伏方阵：一种是安装向日跟踪系统；另一种是经计算确定最佳安装角度。第一种可以提高发电效率，但成本高，第二种虽然效率偏低，但性价比突出，被广泛采用。依据各向异性天空散射模型，纬度φ、倾斜角β的斜面上，太阳辐射量为：（4-1）QUOTE——为倾斜面上的直接辐射量QUOTE——为水平面的散射辐射量——为大气层外部的水平辐射量QUOTE——地面反射率（0.2-0.7），一般取QUOTE＝0.2。（4-2）（4-3）在朝向赤道的斜面:QUOTE为太阳能常数（4-4）其中为太阳纬度角，由Cooper方程近似得。（4-5）式中n为一年中的日期序号，根据《SolarEngineeringofThermalProcesses》EditedbyJohnA.DuffieandWilliamA.Beckman推荐各月所取的典型日期见下表表4-1各月所取的典型日期表月份123456789101112日期171616151511171615151410n174775105135162198228258288318344上式中分别为水平面和倾斜面的日出时交。（4-6）（4-7）在实际应用时，倾角的计算结果精确到QUOTE1度己经足够。手工计算过程相当繁琐，我们可以计算机，利用相关软件，输入安装地点的地理数据导入气象资料，就可以显示出任意倾角下的平均日辐射量。（可用《太阳能光伏系统设计软件》PVSYST软件进行相关计算）4.2.2平均峰值日照时数QUOTE的计算利用辐射资料，历年逐月日平均太阳能辐射量可计算出全年平均日太阳辐射量QUOTE.单位为QUOTE，QUOTE除以标准日太阳辐射照度，就可算求出平均峰值日照时数（4-8）历年逐月日平均太阳能辐射量的相关数据，可以从气象部门得到相关的数据资料，如果只有水平面的太阳辐射量，在实际的使用时须换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。可以用计算机软件RETscreen进行查询，该软件所用数据来自美国航天局（NASA）数据库，数据库中包含全球任何地方的气象资料和辐照数据。4.2.3负荷的计算负载的估算，是光伏发电系统设计重要内容之一。通常列出所有负载的名称、额定功率、额定工作电压和每天工作时间。统计成表，如表4-2所示：表4-2普通家庭日常负荷统计表家用负载电器名称耗电功率w数量每日工作时间h日耗电量Wh空调850223400烧水壶220010.51100电饭锅75010.5375抽油烟机32010.5160电饭煲75011750电冰箱200151000照明40661440电视15014.55675电脑250141000洗衣机35010.5175其他140140总计705010215由上统计可知，该负载总功率约为7050w，每天耗电量L约为10215Wh。QUOTE4.2.4计算方阵最佳方阵应输出电流最小输出电流（4-9）L——为负载每天总耗电量QUOTE——最小的峰值时数，由方阵面上各月中最小的太阳能总辐射量计算出QUOTE——蓄电池充电效率取（0.80-0.90)QUOTE——方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，取（0.9-0.95）QUOTE——方阵组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，取（0.9-0.95）最大输出电流（4-10）方阵的最佳输出电流应在Imin和Imax之间，具体数值的确定需进行实验获得具体实验方法：实验要获取一下数据，按预选的输出电流，确定该方阵的发电量，对蓄电池的充放电状态进行试验。计算公式如下：（4-11）（4-12）（4-13）其中：——按月求出方阵的输出发电量N——当月天数L——负载每天总耗电量——各月负载耗电量两者相减，ΔE=EA-EL，若ΔE＞0，则该月方阵的发电量大于负载的耗电量，可以给蓄电池充电；若ΔE＜0，则月方阵的发电量小于负载的耗电量，不足的电能由蓄电池储存来补充，蓄电池处于亏损状态。若蓄电池全年荷电状态低于原设定的放电深度（一般取0.5），则应该增加方阵输出电流。此外在必要条件下，还可以改变方阵倾角的值的大小，最终获得最佳的方阵电流。4.2.5计算太阳能电池板工作电压为保证能对蓄电池有效的充电，光伏方阵的输出工作电压应足够大，在各季节方阵电压应满足：（4-14）（4-15）QUOTE——为蓄电池浮充电压QUOTE——为因阻塞二极管引起的压降取0.3-0.8VQUOTE——为因温度升高引起的压降a——为太阳能电池的温度系数，对单晶硅、多晶硅（a=0.005）、非晶硅电池(a=0.003)QUOTE——太阳能电池的最高工作温度取（45℃-60℃）QUOTE——太阳能电池的电池的标称工作电压4.2.6计算太阳能电池板的功率（4-16）K为考虑一些未知工作因素，而引入的安全系数，可根据电压等级，数据准确程度，运行环境等，在1.05-1.30之间选取。这样，只要根据太阳能电池组件的电流，电压及功率，参照厂商提供太阳能电池组件性能参数，就可以选取合适的组件型号和规格了。（4-17）L——负载每日总耗电量——平均峰值日照时数——蓄电池充电效率，取(0.80-0.90)——方阵方阵组合损失表面由于老化或尘污遮蔽引起的修正系数，取（0.9-0.95）——逆变器的转换效率，取（0.9-0.98）K——安全系数，可根据电压等级，数据准确程度，运行环境等，在（1.05～1.30）间选取。4.3蓄电池组的容量确定蓄电池组的总容量根据系统日用电量、蓄能的天数及蓄电池放电的深度来确定的，其计算公式为：（4-18）DOD一蓄电池的最大放电深度，约为75%-80%为了不影响蓄电池的寿命，取60%到70%。系统所需单体电池的个数（4-19）C——蓄电池组的总容量QUOTE——单个蓄电池的额定电压QUOTE——单个蓄电池的安时数4.4逆变器和控制器的确定根据用户的负载实况计算出负载总功率为QUOTE，变器功率的确定：QUOTE=QUOTE/ηQUOTE——系统负载总功率，η一般取80%（4-20）当负载的总功率超过大逆变器总功率的80%时，逆变器产生较多热量，对逆变器造成损害，缩短使用寿命，选择逆变器时要留有20%的设计余量。控制器的选择：所选择控制器的电压为所选取的蓄电池的电压，所选择控制器的标示电流为流入电池组最大电流，电流主要看电池板的功率跟蓄电池电压之比与负载功率跟蓄电池电压之比，取最大值。5计算机软件的应用及设计举例5.1RETScreen数据库的应用本文主要应用RETScreen来计算最佳倾斜角及太阳辐射量官方下载地址是：/zh/software_and_data.php图5-1RETSCreen官方下载页面RETscreen软件所用到的数据来自美国航天局（NASA）数据库，如果只是查询最佳倾角及辐射量建议直接去NASA查询，数据库中包含各种气象数据。地址是：/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=zhenhuawan@图5-2登陆NASA数据库进去后输入Latitude（纬度）、Longitude(经度)点击Submit提交。如山东省泰安市泰山区纬度：36.18，经度：117.13查询得：/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=zhenhuawan%40&step=1&lat=36.18&lon=117.13&submit=Submit图5-3地理位置信息建入直接继续点Submit提交，调转到：/cgi-bin/sse/grid.cgi?&num=298127&lat=36.18&hgt=100&submit=Submit&veg=17&sitelev=&email=zhenhuawan@&p=grid_id&step=2&lon=117.13图5-4目标区域大量气象信息在众多气象数据中找到“MonthlyAveragedRadiationIncidentOnAnEquator-PointedTiltedSurface(kWh/m2/day)”就是日照数据，如下截图所示。图5-5OPT为最佳倾角下每月的辐照量，OPTANG为最佳倾角太阳能离网式发电系统需要保证在日照最弱的冬季也可以产生电能供负载正常使用，所以冬至日辐照度最大的倾斜角，为离网式发电系统最佳倾斜角。太阳能并网发电系统最佳倾角为使全面辐照量最大的倾角，离网系统最佳倾角要大于并网系统最佳倾角。5.2家庭式太阳能供电系统设计举例最佳倾斜角的确定根据从美国航天局（NASA）数据库中查询气象数据，建议用PVsyst确定。家庭负荷用电量的调查表5-1家庭负荷统计表家用负载电器名称耗电功率w数量每日工作时间h日耗电量Wh空调850223400烧水壶220010.51100电饭锅75010.5375抽油烟机32010.5160电饭煲75011750电冰箱200151000照明40661440电视15014.55675电脑250141000洗衣机35010.5175其他140140总计705010215负载总功率约为7050w，每天耗电量L约为10215Wh年辐射量和年日照时数的确定地理位置山东农业大学经度：117.06纬度：36.11海拔：156m，地理位置数据来源GoogleEarch，气象数据来源PvsystNASASSEsatelitedata,1983-2005。图5-6气象数据全年平均日辐射量为=，则=3.5h，=2.37h，=5.34h。4．太阳能方阵的电流的确定方阵最大输出电流QUOTE=10215÷(5.34QUOTE0.85QUOTE0.9QUOTE0.9)≈2778.39mA方阵最小输出电流QUOTE=10215÷(2.37QUOTE0.85QUOTE0.9QUOTE0.9)≈6206.17mA按每月30天计算，月耗电量为：30QUOTE10215Wh=306.45kWh选最佳输出电流为5500mA平均日辐射量取则该月发电量为：（5500QUOTE30QUOTE1890QUOTE0.9QUOTE0.9QUOTE0.8）÷100≈577.5kWh去负载消耗，可冲入蓄电池的发电量为：577.5-306.45=271.05kWh5.蓄电池组的容量的确定取DOD即铅蓄电池放电深度为0.65C=271.05/0.65≈417kWh蓄电池的储备天数N=417/306.45≈1.36可以维持1.36天X=417000÷(48QUOTE400)≈22单体电池，因为是普通家庭用户，选用标称电压48V400AH的密封免维护铅酸蓄电池，即采用22个48V400AH的免维护密封铅蓄并联组成蓄电池组。6.太阳能电池方阵电压的计算采用多晶硅的材料（取a=0.005）额定30V的太阳能电池板，太阳能电池最高温度取60℃，QUOTE取0.8V，采用电池板的规格电压30V的太阳能电池。QUOTE=0.005QUOTE(60-25)QUOTE30=5.25VQUOTE=1.175×48=56.4VV=56.4+0.8+5.25=62.45V为满足方阵电压的要求采用电池板规格为30V的两个电池片串联达到。计算太阳能电池组件的时均功率采用的多晶硅太阳能电池板30V/210W，该用户的负载耗电量为10215Wh，则该系统需要的太阳能电池板的总功率为P=4.08kw,选用总功率为4kw的太阳能电池组件，选用20块30V/210W的太阳能电池板两两串联再并联使用。8.逆变器和控制器的选用该用户负载总功率为7050w逆变器功率为7050÷0.8=8.8125kw，需用9kw的逆变器太阳能电池板的时均功率为4.0kw，由于采用30V*2的蓄电池，系统最大电流为4.0kw÷60=66.67A，选用60V70A的太阳能控制器。此外有条件的用户还可以加入ATS装置。9.主要元器件表5-2主要设备规格序号代号名称型号规格数量1CELL1.1太阳能电池组件DC30V,210W47度202kP太阳能控制器SYT-F100070A60V13INV逆变器SYT-B10009kw94BAT1.1密封式免维护铅蓄电池48V400AH225ATS1自动电源切换系统DR61TAC220V16ATS2稳压保护装置SCU-A19.方案模拟图5-7太阳能离网式发电系统方案图图5-8家庭式太阳能发电系统接线图在本系统中，负载是照明、笔记本电脑等常用家庭负载。根据负载的情况，采用冬季的发电量最大指标来设计系统。当系统的供电不足时可采用ATS装置且切换到市电，以保证负载正常运行所需的电量。ATS装置可确保发电系统供电和电力电网供电分离，在一般情况下，只取一种电源供电，使系统运行的可靠安全性得到保障。10.设备安装流程太阳能组件与支架组装→线路汇流→蓄电池、控制器、逆变器、稳压器、控制柜组装→接线→线路规范整理以及固定→系统上电测试、调试。11.安装后调试太阳能组件方阵的仰角方向宜保持一致，满足系统设计采光要求。固定设备应符合设计规定。太阳能组件安装纵向中心线和支架纵向中心线应一致，紧固后目测应无歪斜。支架固定牢靠，可抵抗7-8级风。汇流盒及护线PVC管必须做到100%防水保护、安装牢固。系统安装使用的支架、抱箍、螺栓、压板等金属构件应进行热镀锌处理，防腐质量应符合现行国家标准《金属覆盖及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验》（GB/T9700）、《热喷涂金属件表面预处理通则》（GB/T11373）、《钢铁热浸铝工艺及质量检验》（ZBJ36011）的有关规定。各种螺母紧固，宜加垫片和弹簧垫。紧固后突出螺母不得少于两个螺距。安装完成后进行检查，确认无误，方可进行分项调试。各分项调试完成后，可进行系统调试，联动调试，试运行。5.3应用PVSYST进行系统设计PVSYST的一款非常实用的光伏系统设计辅助软件，用于指导光伏系统设计及对光伏系统进行发电量进行模拟计算。图5-9PVSYST运行界面默认的中国数据库只有一些比较大的城市，例如：泰安市的数据需要我们自己添加利用GoogleEarch查询山东农业大学的经度、纬度、海拔高度。经度：117.06纬度：36.11海拔：156m（a）地理位置信息的查询新建山东农业大学的地理数据经度：117.06纬度：36.11海拔：156m时区：东八时区。（b）建入地理信息（c）导入每月份的月均辐射量（d）导入每月份的日均辐射量图5-10目标区域数据的导入下面以山东农业大学地理位置和气候要素进行光伏并网型系统设计。(a)(b)图5-11建立地理位置信息Sunpaths太阳的轨迹，横轴为地平经度，纵轴为太阳高度，单位时deg（角度数）。图5-12太阳轨迹图每月的气象资料GlobalIrrad.直射光，Temper，wind太阳能辐射量等信息。月均辐射量日均辐射量图5-13山东农业大学气象资料数据选择的装机容量计算，选择10kwp，在北半球时方位角是正南面，方位角选择0度，FT(斜面辐射与水平辐射的比)1.08，相对于最优化的损失比为0.0%，阵列的倾角选择在NASA的数据库中查询得27度，得到27度斜面的辐照度，全年最优为1383kw每平方米。一般并网型选择全年最优，光伏水泵型系统夏季最优，独立型系统选冬季最优。图5-14光伏组件最佳倾斜角输入度数来调整倾斜角和方位角时，调整时，有3个参数会相应变化，分别为FT（斜面辐射与水平辐射的比），相对于最优化的损失比以及倾斜面辐射能，当FT为最大，相对于最优化损失比为零时，倾斜辐射能最大这三个条件同时满足时，倾斜角方位角最佳，无特殊情况，当在北半球时方位角是正南面为零度。间距优化：借助阴影曲线图计算间距，上下无效距离都设为0修改前的设计借助阴影曲线图，通过调节间距使冬至日即12月22日上午9点至下午3点不产生阴影，反应在图上为两点落在第一条虚线上，第一条曲线为阴影临界角，遮阳式与棚屋式遮光位置相反，棚屋式曲线下为遮光区域，遮阳式曲线上为遮光区域。纵轴为太阳高度横轴为地平经度图5-15阴影曲线图图5-16光伏阵列项