20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)

20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第1页。类型：课程设计20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第1页。名称：20kw分布式光伏电站系统设计关键词：分布式发电；光伏发电；成本

20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第2页。第1章前言20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第2页。1.1能源与环境问题随着能源的不断开发和人们环保意识的不断增强，能源和环境的关系越来越受到人们的关注。人们在考虑能源的效率、热值等因素的时候，也不得不考虑对环境的影响。于是，清洁高效的能源是现代生活中所急需的，本文将就当前环境和能源现状对能源发展与环境问题进行讨论与分析。人类在征服自然的进程中，以空前的速度建立了现代的物质文明，同时也造成了对自然环境的破坏。过去人类为了生存所获得的适应性，正日益受到环境污染的挑战。环境质量不仅关系当代人的健康，还影响到子孙后代，必须予以关注。截至2011年年底，全球可再生能源发电排名前十位的国家分别是中国、美国、巴西、加拿大、俄罗斯、印度、德国、挪威、日本、西班牙。可再生能源在全球范围内获得广泛认同和快速发展，这是不争的事实。因此在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形势下，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展迅速。1.2光伏发电介绍1.2.1光伏发电光伏是太阳能光伏发电系统的简称。是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。太阳能发电分为光伏发电和光热发电。1.2.2光伏发电优缺点太阳能光伏发电发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。因此，与风力发电、生物质能发电和核电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术。光伏发电的优势：1.可再生2.丰富性3.可持续性4.环保5.获取度高6.减少电费开支7.应用领域广泛8.分享式光伏发电9.保持静态10.国家财政支持11.较低的维护成本12.科技发展速度很快。光伏发电的劣势：1.价格较高2.间歇性发电3.太阳能储存电力非常昂贵4.跟污染有关5.稀有材料6.需要空间。1.2.3并网光伏发电系统光热发电是通过聚光集热系统加热介质，再利用传统蒸汽发电设备发电；而光伏发20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第3页。电具有电池组件模块化、安装维护方便、使用方式灵活等特点，是太阳能发电应用最多的技术。分布式光伏发电时指位于用户附近，所发电能就地利用，以10千伏及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的光伏发电项目。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导“就近发电，就近并网，就近转换，就近使用”的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。光伏发电原理是当光照射到结区时，产生电子与空穴对，其中电子被内建电场扫向n区、空穴被内建电场扫向p区，电子在n区积累而空穴在p区积累，使pn结两端出现由光照而产生的电动势。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第3页。图1.12011年全球新增光伏系统安装量和累计安装量1.3论文选题意义太阳能作为一种绿色、可再生能源，越来越广泛地受到各国政府的关注，太阳能光伏发电技术也逐渐成为热点研究问题。光伏电站的建设数量逐年增加，并网光伏电站的建设也在不断增加。大力开发利用可再生能源是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。我们的环境状况已经警示我国所能拥有的排放空间已经十分有限了，再不加大清洁能源和可再生能源的份额，我国的经济和社会发展就将被迫减速。大力开发太阳能、风能、生物质能等可再生能源利用技术是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。以太阳能发电、风力发电、太阳能热水器、大型沼气工程为重点，加快可再生能源的开发。要使光伏发电成为战略替代能源电力技术，必须搞大型并网光伏发电系统，而这个技术已经实践证明是切实可行的。1.4本论文的主要工作20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第4页。本课题主要研究了太阳能光伏并网发电系统设计，其中包括：20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第4页。（1）课题研究背景、光伏发电简介、意义及国内外发展现状；（2）光伏电站系统结构、分类及原理；（3）系统容量设计；（4）设备选型设计（光伏组件、汇流箱、控制器、逆变器等）；（5）经济性分析。

20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第5页。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第5页。第2章光伏电站介绍2.1光伏电站光伏电站，是指一种利用太阳光能、采用特殊材料诸如晶硅板、逆变器等电子元件组成的发电体系，与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。光伏电站是目前属于国家鼓励力度最大的绿色电力开发能源项目。可以分为带蓄电池的独立发电系统和不带蓄电池的并网发电系统。太阳能发电分为光热发电和光伏发电。现时期进入商业化的太阳能电能，指的就是太阳能光伏发电。未与公共电网相联接独立供电的太阳能光伏电站称为离网光伏电站。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。独立系统由太阳电池方阵、系统控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。与公共电网相联接且共同承担供电任务的太阳能光伏电站称为并网光伏电站。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网系统由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器等组成。2.2光伏电站分类2.2.1并网型光伏电站并网型光伏发电系统就是太阳能组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。2.2.2离网型光伏电站离网型光伏发电系统是指没有任何辅助电源光伏发电是唯一电力来源的电源系统。通过太阳能光伏方阵将太阳辐射能转化为直流电能，再经过逆变器(直流供电无需逆变)将直流电能逆变为220V或380V交流电能，逆变输出的交流电未并入公共电网，而是直接供交流负载使用，这样的一个发电系统被称为太阳能离网型发电系统，也称离网光伏电站。2.2离网光伏电站结构2.2.1离网光伏发电系统组成及工作原理20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第6页。离网光伏发电系统结构如图2.1所示，主要由光伏阵列、汇流箱、控制器、蓄电池、逆变器和负载。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第6页。直流负载控制器汇流箱光伏阵列直流负载控制器汇流箱光伏阵列交流负载逆变器蓄电池交流负载逆变器蓄电池图2.1离网光伏发电系统结构离网光伏发电系统的工作原理是在太阳光的照射下，太阳能电池方阵吸收太阳光将其转化成电能，在充放电控制器的作用下将产生的直流电直接驱动直流负载工作，或者通过交流逆变器的逆变功能将直流电转换为交流电为交流负载供电，同时将多余的电量通过控制器的智能充放电控制储存在蓄电池组中，在夜间或阴雨天时，则由蓄电池组向负载供电。2.2.2离网光伏发电系统各部件功能（1）光伏阵列。光伏组件由很多个光伏电池片经过串并联组成。其作用是吸收太阳光并将其转化成电能后,在防反充电二极管的控制下为蓄电池组充电，也可以直接用于推动负载工作。（2）光伏汇流箱。为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连线使用到汇流箱。其作用是将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入到光伏汇流箱中。（3）控制器。控制整个系统的工作状态,还能对蓄电池起到保护作用,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。直流或交流负载通过开关与控制器连接。（4）蓄电池。存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：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、价格低廉。（5）逆变器。将太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载使用的设备。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。2.3并网光伏电站结构2.3.1并网光伏发电系统组成及工作原理并网光伏发电系统结构如图2.2所示，主要由光伏阵列，直流配电柜，变压器，并20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第7页。网逆变器，交流配电柜，交流电网构成。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第7页。图2.2并网光伏发电系统结构分布式光伏发电的过程是：第一步是光伏组件接受太阳光照的照射完成太阳能到电能的转换；第二步是直流升压达到逆变所要求的电压后，通过控制逆变器将直流电转换为交流电；第三步是将逆变后的交流电经滤波后输送到配电网或直接供给附近负荷使用。2.3.2并网光伏发电系统分类（1）集中式大型并网：其主要的特点是将逆变器输出的交流电输送到公共大电网中，通过统一的调配供用户使用，电流的方向是单方向的，主要应用于大型光伏电站的并网，地理位置离负荷点较远。建设这种大型并网光伏电站,投资巨大、建设期长,需要复杂的控制和配电设备,并要占用大片土地,同时其发电成本目前要比市电贵数倍,因而发展不快。（2）分散式小型并网：其主要特点是将逆变器输出的交流电能直接供给用户负载，如出现过剩电能或者不足电能可以通过与公共电网联络进行调节，与电网能量的交换是双向的，主要适用于小规模光伏电站。2.4光伏分布式电站的现状及发展前景从2006年开始的“金太阳”工程，到2013年全国各地针对分布式光伏电站的初装补贴、度电补贴等，均给予分布式光伏电站大力支持，但目前看来推广效果并不佳。2014年国内新增装机的分布式光伏电站的比例仅为19%，其中，除去农光互补等，真正意义上屋顶分布式光伏电站仅占5.59%。这与一些发达国家分布式占比达到80%以上的水平相距甚远。为了缓解环境污染问题，减少煤电用量，分布式光伏电站已成为国家“十三五”规划中光伏产业重点发展的方向。而对于分布式光伏电站发展缓慢的原因，国家电网能源研究院研究员黄碧斌此前公开表示，分布式光伏项目普遍要求屋顶面积大、结构好、承重强，但这种屋顶现有存量较少。另外，分布式光伏电站的项目融资难和政策配套等问20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第8页。题都没有得到完全解决。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第8页。2015年中国新增光伏发电装机约15GW，同比增长逾40%；全国光伏发电累计装机量达到约43GW，超越德国成为全球光伏累计装机量最大的国家。另外，占较大比重的集中式光伏电站正面临着严重的弃光率。

20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第9页。第3章20kw分布式光伏电站系统容量设计20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第9页。3.120kw分布式光伏电站规划设计方法20kw分布式光伏电站主要有太阳电池组件、配电柜、变压器、逆变器以及交流等构成。首先,由于光伏发电需要依靠太阳能辐射,所以要尽可能的考虑当地的气象、环境状况。需要对几十个参数做出综合考虑和计算,才能最大限度发挥系统各部件的性能。20kw分布式光伏电站容量设计步骤如图3-1所示。确定光伏发电系统的形式当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、计算。如当地经度、纬度；年最高最低气温；全年太阳能辐射量；平均峰值日照时数；年最大连续阴雨天数等。确定光伏发电系统的形式当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、计算。如当地经度、纬度；年最高最低气温；全年太阳能辐射量；平均峰值日照时数；年最大连续阴雨天数等。系统容量设计：系统电压、太阳能组件功率和方阵构成的设计与计算系统容量设计：系统电压、太阳能组件功率和方阵构成的设计与计算系统配置与设计：系统配置与设计：变压器的选型与配置；并网逆变器的选型与配置组件支架及固定方式设计；其他辅助设备选型等图3.120kw分布式光伏电站设计方法3.2光伏阵列总容量设计金华，地理位于浙江省中部，坐标东经119゜14′-120゜46′30”，北纬28°32′－29°41′，属亚热带湿润季风气候，春早而暖，夏长而热，秋爽而短，冬湿而寒，四季分明、年温适中、热量丰富较优、雨量丰富充沛、冬季光温互补，、有明显的干、湿季节。春季降水量不大,但往往降雨连续时间较长；6月初进入梅汛期，降雨明显增加，常有连绵数日甚至数月的降雨。金华光、热、水条件优越，时空分布不均衡。气候水平差异较小，盆地小气候多样，有一定的垂直差异，年平均太阳总辐射量为5800兆焦/平方米。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第10页。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第10页。图3.2金华市年均总辐射表3.1金华基本气候表金华基本气候情况（据1971-2000年资料统计）平均温度平均最高温度极端最高温度平均最低温度极端最低温度平均降水量（毫米）降水天数1月5.29.124.32.2-9.671.513.42月6.810.927.43.7-8.991.614.53月10.714.832.47.3-1.6160．118.54月17.121.732.913.30.6168.917.15月21.826.536.418.28.7186.816.16月25.129.237.521.913.3258.516.57月29.033.840.925.318.8129.512.48月28.633.539.324.918.6109.111.99月24.128.539.620.813.1103.111.210月18.923.635.315.32.468.99.611月13.217.931.39.4-2.755.98.212月7.412.323.83.8-5.847.98.6通过以上数据分析，水平面平均年辐照量为1602.70（5844.56），属于太阳能资源比较丰富地区，比较适合建设中型光伏电站。根据当地的光能资源以及初步开发规划，本项目建设规模为20kW，初步推荐安装20套单机容量为1kW太阳能光伏方阵（电池组件及并网逆变器）。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第11页。3.3光伏组件的选型20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第11页。商用的太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟镓硒电池等。上述各类型电池主要性能参数。具体参数如下表:表3.2光伏电池对比表种类转换效率/%原材料生产成本优点单晶硅13-20%单晶硅高最广泛获取的原料，最成熟多晶硅10-18%多晶硅较高制造简便，市场使用量最大非晶硅8-12%非晶硅较便宜对于弱光下性能控制好，价格相对便宜3.3.1单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，技术也最为成熟，主要用单晶硅片来制造。单晶硅材料的晶体完整，光学、电学和力学性能均匀一致，纯度较高，载流子迁移率高，串联电阻小，与其它太阳能电池相比，性能稳定，光电转换效率高，其商业化的电池效率为16%～18%。单晶硅太阳能电池曾长期占领最大的市场份额，只是在1998年后才退居多晶硅电池之后，位于第二位，但其现在仍在大规模应用和工业生产中占据主导地位。今后，单晶太阳能电池将继续向超薄、高效发展。受到材料价格及相应复杂的电池工艺影响，单晶硅成本居高不下，与此同时在加工过程中还伴随着高耗能、高污染的不利影响。3.3.2多晶硅太阳能电池随着铸造多晶硅技术的发展和成本优势，多晶硅太阳能电池逐渐抢占了市场份额。从多晶硅电池表面很容易辨认，多晶硅片是由大量不同大小、不同取向的晶粒构成，在这些结晶区域（晶粒）里的光电转换机制完全等同于单晶硅电池。由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组成，而在晶粒界面（晶界）光电转换容易受到干扰，因而多晶硅电池的转换效率相对单晶硅略低，其商业化的电池效率为14%～17%。同时多晶硅的光学、电学和力学性能的一致性也不如单晶硅。随着技术的发展，多晶硅电池的转换效率也逐渐提高，尤其做成组件后，和单晶硅组件的效率已相差无几。3.3.3非晶硅薄膜太阳能电池自1976年第一个非晶硅薄膜太阳能电池被研制出，1980年非晶硅太阳能电池实现商品化，直到今天，非晶硅太阳能电池以其工艺简单，成本低廉，便于大规模生产的优势，取得了长足的进展，被称为第二代太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光性好，受温度影响小等优点，但非晶硅太阳能电池转换效率相对较低，商业化的电池效率也只有6%左右，而且非晶硅薄膜太阳能电池在长时间的光照下会出现衰减现象（S-W效20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第12页。应），组件的稳定性和可靠性相对晶体硅组件较差。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第12页。通过综合比较，本光伏电站中拟选用多晶硅光伏组件。本课题选用由宁波玛德能源所生产的sunpower太阳能250W电池板。该电池板详细参数：表3.3光伏电池板参数品牌玛德能源型号MD-PSP-250W最大功率250W工作电流6.94A工作电压36V3.3.4单体电池分析1.短路电流IS短路电流(Is)：当将太阳能电池的正负极短路、使U=O时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流的单位是安培(A)，短路电流随着光强的变化而变化。2.开路电压Uo当将太阳能电池的正负极不接负载、使1=O时，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(V)。单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.7V。3.峰值电流Im峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是安培(A)。4.峰值电压Um峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V。峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45～0.5V，典型值为0.48V。5.峰值功率Pm峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：Pm=Im×Um。峰值功率的单位是W（瓦）。太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度lkW/m2、光谱AMl.5、测试温度25℃。6.填兖因子FF填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。填充因子是评价太阳能电池输出特性。注：上述参数的测量条件都为标准光照下所获得。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第13页。3.4单体电池输出特性分析20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第13页。一、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系（暗特性）太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能电池等价于一个pn结。通常把无光照情况下太阳能电池的电流电压特性叫做暗特性。近似地，可以把无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想pn结。其电流电压关系为肖克莱方程：（3.1）其中为反向饱和电流。A、D、n、p和L分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和扩散长度。根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，暗条件下太阳能电池IV曲线不对称，这就是pn结的单向导通性或者说整流特性。对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对电流电压特性具有影响的因素是温度。温度对半导体器件的影响是这类器件的通性。根据半导体物理原理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流为：（3.2）由此可见随着温度升高，反向饱和电流随着指数因子迅速增大。且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。半导体材料禁带宽度是温度的函数，其中为绝对零度时候的带隙宽度。设有，Vg0是绝对零度时导带底和价带顶的电势差。由此可以得到含有温度参数的正向电流电压关系为：（3.3）显然正向电流在确定外加电压下也是随着温度升高而增大的。二、太阳能电池光照情况下的电流电压关系（亮特性）光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN结内部产生了n区指向P区的光生电流IL，光生电动势等价于加载在pn结上的正向电压V，它使得PN结势垒高度降低qVD－qV。开路情况下光生电流与正向电流相等时，pn结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的开路电压Voc。如图3.2所示，在闭路情况下，光照作用下会20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第14页。有电流流过pn结，显然pn结相当于一个电源。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第14页。图3.2太阳能电池等效电路图Iph为太阳电池内部的光生电流，与光伏电池辐照强度、受光面积成正比。ID为光伏电池内部暗电流，其反映太阳电池自身流过PN结的单向电流；IL为太阳电池输出流过负载的电流；ISH为PN结的漏电流；RSH为光伏电池内部的等效旁路电阻，其值较大，一般可达几千欧姆；RS为光伏电池内部等效串联电阻，其值一般较小，小于1欧姆；UL为负载两端电压。 光电流IL在负载上产生电压降，这个电压降可以使pn结正偏。如图3-4所示，正偏电压产生正偏电流IF。从图3.2可知，其中流过负载的电流：（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）其中Isc为太阳电池内部的短路电流，如果忽略等效电路输出短路时流过二极管反向漏电流，Iph=Isc。从前可知，Rsh阻值较大Rs的电阻较小，所以上式可以变换为：（3.8）所以光伏电池输出功率可表示为：(3.9)为光伏电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，近似常数，不受光照度影响；为电子电荷，q=1.6×10-19C；为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K，A为光伏电池内部P-N结的曲线常数。开路电压Voc和闭路电路Isc是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池IV特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第15页。照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，闭路电路Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数式增大。从半导体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得pn结势垒为零时的电压值。换句话说太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒高度VD，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第15页。三、太阳能电池的效率太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100％。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：（3.10）其中在I－V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图4光特性I－V曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。最大功率矩形取值点pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是I－V曲线上坐标相乘的最大值点。闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7～0.8之间。太阳能电池本质上是一个pn结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。Si太阳能电池的最大效率大致是28％左右。对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在10％～15％之间。为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率，可以采用通过光学透镜集中太阳光。太阳光强度可以提高几百倍，闭路电流线性增大，开路电流指数式增大。不过具体的理论分析发现，太阳能电池的效率随着光照强度增大是不是急剧增大的，而是有轻微增大。但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池低廉，因此透镜集中也是一个有优势的技术选择。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第16页。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第16页。图3.3电压电流曲线3.5光伏阵列排布设计将一个或几个光伏组件串联支路固定在一个支架单元上称为光伏阵列单元。一个阵列单元中光伏组件的排列方式有多种，主要的排列方式分为如下两种，分别为:(1)先将20块组件分成1排20列，每块横向放置，再4排20列组件横向叠加放置(方案一)。(2)先将20块组件分成1排20列，每块纵向放置，再将2排20列组件纵向叠加放置(方案二)。但是为了接线简单方便，电缆用量少，施工复杂程度低，综合比较后，确定光伏组件的最佳安装方式为方案二，2排20列纵向放置。3.6光伏组件的最佳倾角光伏阵列的安装倾角对光伏发电系统的效率影响较大，对于固定式安装的光伏阵列最佳倾角即光伏系统全年发电量最大时的倾角。方阵安装倾角的最佳选择取决于诸多因素，如地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等。并网光伏发电系统方阵的最佳安装倾角可采用专业系统设计软件进行优化设计来确定，它应是系统全年发电量最大时的倾角。为了使太阳能电池获得最大的发电量，需要考虑设计太阳能电池方阵的最佳倾斜角。倾角的不同造成各个月份方阵面接受的太阳辐射量差别很大。在家用系统中,鉴于系统造价、用户使用条件和可能发电增益的考虑,最佳倾角可以根据当地纬度有下列关系粗略确定如表3.4所示。表3.4光伏电池方阵倾斜角度纬度太阳能电池方阵倾角0～25°等于纬度26～40°+5～10°41～55°+10～15°20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第17页。>55°20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第17页。+15～20°该地区2月份可以获取最大太阳资源其日峰值日照时数为2.58h，同时年平均日峰值日照时数也获取较大达到2.88h。故倾斜角设置为30度

20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第18页。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第18页。第4章其它光伏设备选型4.1光伏逆变器的选型逆变器是太阳能光伏发电系统最关键的电气设备之一，逆变器的好坏直接关系到系统效率的高低。逆变器的逆变效率随着负载变化而变化，逆变器最大逆变效率对系统不具有决定意义。负载长时间工作点对应的逆变器效率，才具有实际意义。逆变器的种类多种多样，按照分类的方法的不同，可分为不同种类的逆变器。按输出的电压波形分类，则为方波逆变器、修正波逆变器、正弦波逆变器。其中正弦波逆变器的优点是性能最好，输出波形最好，干扰、噪声方面相对最低，功能完整，带保护一、光伏控制器功能。本课题选用由山东枣庄尚宇电子科技的太阳能逆变器。详细参数如表4.1所示表4.1太阳能逆变器参数额定功率1000W最大交流输出电流5.45A电网电压范围176-264V最大直流输入电流6.6A工作温度范围-10℃-+50℃输入电压180-360VDC保护欠压、低压、过压、过载保护、输出短路保护、过温保护最大工作效率97.00%4.2光伏控制器的选型为了更高效率的利用太阳能，使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠的工作，提高蓄电池使用效率，延长光伏发电系统的运行时间等一系列问题，从而引入光伏系统控制器。光伏控制器可实现蓄电池充放电控制、系统保护、系统状态显示、系统数据存储、故障报警、温度补偿、远程通信控制、防逆流等功能。光伏控制器应具有以下功能：1.防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命；2.防止太阳能电池板或电池方阵、蓄电池极性接反；3.防止负载、控制器、逆变器和其他设备内部短路；4.具有防雷击引起的击穿保护；5.具有温度补偿的功能6.显示光伏发电系统的各种工作状态，包括：蓄电池（组）电压、负载状态、电池方阵工作状态、辅助电源状态、环境温度状态、故障报警等。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第19页。7.耐冲击电压和冲击电流保护。在控制器的太阳能电池输入端施加1.25倍的标称电压持续一小时，控制器不应该损坏。将控制器充电回路电流达到标称电流的1.25倍并持续一小时，控制器也不应该损坏。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第19页。光伏控制器按照功率大小，可以分为小功率、中功率、大功率控制器，其性能特点如下：1.小功率光伏控制器(1)目前大部分小功率控制器都采用低损耗、长寿命的MOSFET场效应管等电子开关元件作为控制器的主要开关器件。(2)运用脉冲宽度调制(PWM)控制技术对蓄电池进行快速充电和浮充充电，使太阳能发电能量得以充分利用。(3)具有单路、双路负载输出和多种工作模式。其主要工作模式有：普通开／关工作模式（即不受光控和时控的工作模式）、光控开／光控关工作模式、光控开／时控关工作模式。双路负载控制器控制关闭的时间长短可分别设置。(4)具有多种保护功能，包括蓄电池和太阳能电池接反、蓄电池开路、蓄电池过充电和过放电、负载过压、夜间防反充电、控制器温度过高等多种保护。(5)用LED指示灯对工作状态、充电状况、蓄电池电量等进行显示，并通过LED指示灯颜色的变化显示系统工作状况和蓄电池的剩余电量等的变化。(6)具有温度补偿功能。其作用是在不同的工作环境温度下，能够对蓄电池设置更为合理的充电电压，防止过充电和欠充电状态而造成电池充放电容量过早下降甚至过早报废。2.中功率光伏控制器一般把额定负载电流大于15A的控制器划分为中功率控制器。其主要性能特点：(1)采用LCD液晶屏显示工作状态和充放电等各种重要信息：如电池电压、充电电流和放电电流、工作模式、系统参数、系统状态等。(2)具有自动／手动／夜间功能：可编制程序设定负载的控制方式为自动或乎动方式。手动方式时，负载可手动开启或关闭。当选择夜间功能时，控制器在白天关闭负载；检测到夜晚时，延迟一段时间后自动开启负载，定时时间到，又自动地关闭负载，延迟时间和定时时间可编程设定。(3)具有蓄电池过充电、过放电、输出过载、过压、温度过高等多种保护功能。(4)具有浮充电压的温度补偿功能。(5)具有快速充电功能：当电池电压低于一定值时，快速充电功能自动开始，控制器将提高电池的充电电压，当电池电压达到理想值时，开始快速充电倒计时程序，定时时间到后，退出快速充电状态，以达到充分利用太阳能的目的。(6)中功率光伏控制器同样具有普通充放电工作模式（即不受光控和时控的工作模20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第20页。式）、光控开/光控关工作模式、光控开／时控关工作模式等。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第20页。3.大功率光伏控制器大功率光伏控制器采用微电脑芯片控制系统，具有下列性能特点。(l)具有LCD液晶点阵模块显示，可根据不同的场合通过编程任意设定、调整充放电参数及温度补偿系数，具有中文操作菜单，方便用户调整。(2)可适应不同场合的特殊要求，可避免各路充电开关同时开启和关断时引起的振荡。(3)可通过LED指示灯显示各路光伏充电状况和负载通断状况。(4)有1～18路太阳能电泄输入控制电路，控制电路与主电路完全隔离，具有极高的抗干扰能力。(5)具有电量累计功能，可实时显示蓄电池电压、负载电流、充电电流、光伏电流、蓄电池温度、累计光伏发电量（单位：安时或瓦时）、累计负载用电量（单位：瓦时）等参数。(6)具有历史数据统计显示功能，如过充电次数、过放电次数、过载次数、短路次数等。(7)用户可分别设置蓄电池过充电保护和过放电保护时负载的通断状态。(8)各路充电电压检测具有“回差”控制功能，可防止开关器件进入振荡状态。(9)具有蓄电池过充电、过放电、输出过载、短路、浪涌、太阳能电池接反或短路、蓄电池接反、夜间防反充等一系列报警和保护功能。(10)可根据系统要求提供发电机或备用电源启动电路所需的无源干节点。(11)配接有RS232/485接口，便于远程遥信、遥控；PC监控软件可测实时数据、报警信息显示、修改控制参数，读取30天的每天蓄电池最高电压、蓄电池最低电压、每天光伏发电量累计和每天负载用电量累计等历史数据。(12)参数设置具有密码保护功能且用户可修改密码。(13)具有过压、欠压、过载、短路等保护报警功能。具有多路无源输出的报警或控制接点，包括蓄电池过充电、蓄电池过放电、其他发电设备启动控制、负载断开、控制器故障、水淹报警等。(14)工作模式可分为普通充放电工作模式（阶梯型逐级限流模式）和一点式充放电模式(PWM工作模式)选择设定。其中一点式充放电模式分4个充电阶段，控制更精确，更好地保护蓄电池不被过充电，对太阳能予以充分利用。(15)具有不掉电实时时钟功能，酉显示和设置时钟。(16)具有雷电防护功能和温度补偿功能。本课题选用由江苏乃尔技术有限公司的发电机控制器。该控制器详细参数如表4.2所示。20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第21页。表4.2太阳能控制器参数20kw分布式光伏电站系统设计(课程汇报)全文共23页，当前为第21页。规格20kw太阳能保险25A恒压电压>600Vdc直流输出80A欠压<200Vdc工作温度-30℃-60℃功能整流，充电，控制4.3光伏变压器的选型利用太阳光伏组件将太阳能转换成直流电能，再通过逆变器将直流电逆变成同频、同相、同等电压交流电。逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端并联，对负载供电，并将多余的电能通过变压器送入电网。本系统无蓄电池储能设备，当阴雨天无太阳时，由电网供电给负载。本课题选用德威民生产的WMSG-10KVA的升压降压变压器。该变压器详细参数如表4.3所示。表4.3太阳能变压器参数型号SG-10kvA输入电压额