家用独立型光伏发电系统的优化设计-毕业论文.doc

《太阳能光伏发电系统》
课程设计

课题名称： 家用独立型光伏发电系统的优化设计
班级：新能本121
姓名：杨维佳
学号：2012213104

一、课程设计的任务和要求
要求：1、具备独立查阅光伏发电系统设计的相关文献和资料的能力；具有查阅光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器等光伏器件参数和型号的能力；具有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能提出并较好地实施方案，能对光伏发电系统的结构和配置进行分析研究和优化设计。
3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。
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、报告内容简练完整、立论正确、讨论充分、论述流畅、结构严谨、结论合理；技术用语准确、符号规范统一、编号齐全、书写工整、图表完备。
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。
技术参数：1、光伏发电系统安装地点：沈阳；
2、保证4个连阴天正常供电；
3、负载表

数量
功率
使用时间
荧光灯
5
20w/盏
5h/天
电视机，电脑
2
200w/个
3h/天
洗衣机
1

600wh/天
电冰箱
1

1000wh/天

任务：1、选择适当的光伏电池、蓄电池、逆变器和控制器；
2、设计合理的光伏发电系统；
3、利用PVsyst软件和有关理论模拟优化设计，并对结果进行分析和总结。

二、进度安排
1、2014.12.29 选题、分析查找相关资料、熟悉PVsyst软件
2、2014.12.30 提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计
3、2014.12.31 讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型
4、2015.01.04 写出课程设计报告初稿
5、2015.01.05 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。

目录

第1章 绪论 ———————————————3
1.1 设计背景 ———————————————-3
1.2设计意义———————————————-4
第2章 沈阳市气象资料及地理情况——————5
第3章 家用型独立太阳能光伏发电系统优化设计——7
3.1 设计方案———————————————-7
3.1 负载计算———————————————-7
3.3 蓄电池容量设计及选型—————————7
3.4 太阳能电池板容量及串并联的设计及选型——9
3.5 太阳能电池板方位角与倾斜角的设计————11
3.6控制器、逆变器的选型——————————12
3.7 系统配置清单——————————————12
第4章 家用独立型太阳能光伏发电系统优化结果与讨论-13
4.1 由pvsyst软件仿真结果————————————13
4.2系统仿真结果分析———————————————-16
4.2.1太阳能电池日均输入、输出关系————————16
4.2.2产能分析———————————————-——17
4.2.3系统能量利用率和用户满足需求率———————18
4.2.4蓄电池平均充电电压—————————————18
4.2.5组件日输出量———————————————-—19
第5章 心得体会———————————————-20
参考文献———————————————-————21

第1章 绪论
1.1 设计背景
随着化石能源的消耗以及化石能源的开发和利用造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够维持社会和人类发展的可再生能源，成为人类急切需要解决的问题。
太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能每40秒钟传送到地球上的能量相当于210亿桶石油的能量，相当于全球一天的能源。在目前几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定为为未来的新能源，有无尽的潜能。
目前太阳能利用技术主要有: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-光利用等。其中以太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界得到广泛的发展，被认为是当前最具有发展前景的新能源技术。太阳能光伏发电就是利用太阳能电池板，将太阳能转化为能提供人们生产生活的电能。

1.2 设计意义
太阳能光伏发电大体来分，包括太阳能并网发电和太阳能独立发电。本文设计的是家用独立型光伏发电系统的设计，才用pvsyst软件模拟和优化设计，从而达到进一步了解光伏发电系统的意义。

第2章 沈阳市气象资料及地理情况
本次设计的地理位置是中国沈阳市。据有关资料显示，沈阳市处于东经123.4度，北纬41.7度，出于第9时区，平均峰值日照时数4.6小时，水平面年均辐射量1398.46kwh/m2，地域辽阔，有充足的太阳能可以利用。
下图为通过pvsyst软件自动导入沈阳天气状况

图2.1 沈阳市地理位置及时区

图2.2 月辐照度及相关参数
由图2.2可以看出，沈阳全年总辐照度为1291.6kwh/m2，最低气温-11.5摄氏度，年平均气温为8.1摄氏度，年平均风速为3.0米每秒。其中4~9月这几个月的辐照度比其他几个月充足，可以用蓄电池存储这几个月过剩的电能来弥补其他几个月由于光照不足等原因造成无法给用户供电，满足用户需求。

第3章 家用独立光伏发电系统优化设计
3.1 光伏发电系统设计方案
本次要求用独立光伏发电系统来为沈阳一户普通家庭提供用电。
3.2负载的计算
用户负载相关参数：
表 3.1

数量
功率
使用天数
荧光灯
5
20w/盏
5h/天
电视机，电脑
2
200w/个
3h/天
洗衣机
1

600wh/天
电冰箱
1

1000wh/天
保证4个阴雨天正常供电
根据表3.1可以算出该负载平均每天耗电量ql及其全年耗电量QL,计算公式如下：
ql=5×20w×5h+2×200w×3h+600wh+1000wh=3300wh
QL=ql×365=1204.5kwh
根据计算可知负载平均每天耗电量为3.3kwh，年耗电量为1204.5kwh。由于光伏发电系统在建立之后不可避免的会出现各种损耗，因此设计的独立光伏发电系统日发电量必须在3.3kwh以上，年发电量必须在1204.5kwh左右，太低不能满足客户需求，太高就会造成资源浪费，所以光伏发电系统应做到实用且节约资源。
3.3 蓄电池容量的设计及选型
由于所设计的光伏发电系统属于小型发电，所以直流系统选用24v
即可以满足用户需求。为了满足连续4个阴雨天能正常供电，所需的蓄电池容量C为：

蓄电池容量C=
其中安全系数K取1.2，最大放电深度为0.6，所以求得蓄电池容量为1100Ah。
蓄电池的选择：蓄电池能在光伏组件不发电的情况下给用户负载提供可以使负载正常工作的电量，因此，蓄电池的选择特别重要。图3.2列出了pvsyst软件提供的几种蓄电池的选型。

图3.2 几种蓄电池的型号及参数
本次设计由pvsyst软件智能选择，其型号为TXE 1100 / OPzS1000，额定容量为1130Ah，额定电压2V，电池库伦效率97%，具体参数如下图所示：

图3.3 选用蓄电池基本参数

根据选用的蓄电池可以算出所需蓄电池的串联数和并联数:
蓄电池串联数=12
蓄电池并联数==1
所以选用12V/236Ah的蓄电池共12个，其中每12个串联后，1个并联。
3.4 太阳能电池板容量及串并联设计及选型
用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作，通常需要串并联若干太阳能电池组件。首先需要求出电池板的功率，方法如下：
功率P==860.87w
其中K取1.2。
根据电池板的功率来选定所需电池板的型号。下图为由pvsyst软件提供的一些厂家的电池板参数及型号:

图3.4 电池板参数及型号
其中本次设计所选用的电池板型号为Poly 60 Wp 1x36 cells，开路电压Voc=21v，最大工作电压Vmm=17v，短路电流Isc=3.8A，其具体参数如下图所示：

图3.5 选用电池板具体参数
根据所选用电池板型号可求得需要串并联电池板个数，公式如下：
电池组件并联数Np==9块
电池组件串联数Ns==2块
电池组件的总功率=组件并联数×组件串联数×选定组件峰值功率=9×2×59.9w=1078.2w>860.87w，所以选用的串并联数能够满足用户需求。
3.5 太阳能电池板方位角与倾斜角的设计
方位角一般选定在正南20度左右，都不会有太大影响。所以本次设计方位角选定为正南。
倾角的选定有一个原则为全年均衡，冬半年最大。若以 H1和H2 分别表示夏半年和冬半年的平均日辐射量。具体确定方法为确定最佳倾角的方法是：①H2 达到极大值时，如仍有 H1＞ H2,则取 H2 极大值所对应角度为最佳倾角。②在H2 达极大值之前，已有H1= H2，如仍取H2 极大值对应角度，则有 H1＜ H2，这时夏半年辐射量削弱太多，故应取 H1= H2，所对应的角度为最佳倾角。利用pvsyst软件模拟夏半年和冬半年的辐照量，得到最佳倾角为51度。

3.6控制器和逆变器选型
①逆变器的确定
逆变器功率=阻性负载功率×（1.2~1.5)+感性负载功率×(5~7)
该用户阻性负载包括荧光灯、电视机和电脑；感性负载为洗衣机和电冰箱。假设洗衣机每天工作2小时，电冰箱平均每天工作5小时。由此可得需要逆变器功率至少为3330w。
②控制器的确定
a 方阵最大电流（短路电流）
Ifsc=Np×Isc×1.25=9×3.8A×1.25=42.75A
b 最大负载电流
I=1.56×Pl/U=1.56×w/24v=46.8A
故逆变器和控制器可选用4000w的控制逆变一体机，最好是正弦波。
3.7系统配置清单
序号
设备名称
规格型号
参数
数量
1
太阳能电池组件
Poly60Wp 1x36 cells
17V 3.8A
18块
2
蓄电池
TXE 1100 / OPzS1000
1130Ah
2V
12块
3
光伏发电一体机

4000w
1台

第四章 家用独立太阳能光伏发电系统优化结果与讨论
4.1 由pvsyst软件仿真结果
1基础设计

图4.1 pvsyst仿真模拟结果
通过图4.1可以看出本次设计所选用的电池尺寸及相关参数型号：
电池自主放电天数4天，电池预留量5%，额定电压24V，电池容量609Ah，用电单价1.64EUR/kwh，下面的条形图可以看出可以获得的太阳能量：3.7kwh/day，用户需要的能量为3.3kwh/day，虽然10月，11月的太阳能不能满足用户的需求，但是可以将其他月份剩余电流存储起来，补偿这两个月的电量，综合考虑得出，依靠本地太阳能发电量可以满足用户全年用电量的需求。

2方位角及倾斜角的选用
方位角一般取正南方向，通过pvsyst仿真模拟得出倾斜角为51度。

图4.2 由pvsyst软件仿真模拟出倾斜角
3用户负载输入

图4.3 用户负载输入
由图可知，通过pvsyst界面输入得到负载日耗电量3300wh，月耗电量99000wh。
4 蓄电池，太阳能电池组件选型及系统电路

图44 蓄电池及电池组件选型

图4.5 系统电路

如图4.5系统电路已经将控制器。逆变器，蓄电池及太阳能组件接入里面。系统智能匹配，最佳温度20摄氏度。
4.2 系统仿真结果分析
4.2.1 太阳能日均输入/输出关系

图4.6 光电池日均输入/输出散点图
如图4.6所示，为全年每日每平方米的太阳辐射量和电能出产情况，横坐标表示全天每平方米太阳能输入能量，纵坐标表示系统全天一平方米输出的有效能量，每一点就是一天，从图中可以看出系统的能量效率，斜率越高则能量效率越高，据估算最高点坐标(75,6.2)，最低点坐标（0.2，0.1），系统斜率估算为0.86。图中某些点系统输入量很高而产能较低，可能是电池温度影响了效率。

4.2.2 产能分析

图4.7 系统产能量
如图3.7电池组件每天损耗0.05kwh，太阳能丢失1.11kwh，系统和电池控制损失-0.29kwh，供给用户3.06kwh。从数据看出系统损失不是很大，有充足的能量供給负载使用。其中3月到5月产量较大，并有剩余电量存储到蓄电池中。
4.2.3 系统能量利用率和用户需求满足率
如图4.8所示，该用户能量利用率为0.799，用户满足需求率1.000，能量利用率很高，用户需求率100%，可以充分的满足用户需求，所以将本设计进行修改，可以投入到实际应用中。

图3.8 系统能量利用率和用户需求率
4.2.4 蓄电池充电电压

图3.9 蓄电池平均充电电压
如图3.9可以看出，蓄电池充电状态与用户满足率基本相当。但是一月，七月，十月，十一月，十二月充电较低，主要原因为太阳辐射量较低，或者碰到连续阴雨天导致太阳辐射量，但是整体来说还是可以满足用户需求。
4.2.5 组件日输出量

图4.10 光伏组件日输出量
图4.10所示为光伏组件在这一年中每天输出的有效能量，途中输出不规则可能是天气原因，连续阴雨天可能影响日发电量的输出，二是可能夏季气温过高造成光伏组件发电量较低，综合考虑，本次设计略微改进在实际应用中可以实施。

第5章 心得体会
短短一周太阳能课设结束了，由于放假原因，实际的课设并不足五天，但是在这段时间中，我还是学会了许多东西。
首先，在老师的帮助下，我可以熟练的掌握pvsyst软件的操作方法，并且可以利用该软件进行模拟仿真，对实际案例，只要在软件上输入负载所在地，负载需求等一系列基本信息，便可模拟出太阳能光伏发电系统各个参数，还可以对相关器件进行选型等等。其次，通过在图书馆和上网查阅资料，可以了解设计一个家用独立型光伏发电系统的基本步骤和对一些器件的选型要求，太阳能组件的串并联，蓄电池的个数及参数选型。最后，在整个小组的努力下，我们终于完成了对该案例的设计。
总之，在这次课设当中我学到了挺多以前不会的东西，对以前模糊的知识也得到了深刻的了解。

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。

20