民用光伏发电系统的并网原理设计
毕业设计
课题：民用光伏发电系统的并网原理设计设计时间：＿＿＿＿＿＿＿＿＿
班级：13级电力系统及其自动化
民用光伏发电系统的并网原理设计
摘要
将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。
光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。本次设计是家庭用分布式光伏发电系统设计，家庭用分布式光伏发电系统是指利用光伏发电技术，在家庭的屋顶或墙壁等场地建立发电系统，多余电量可以送入当地配电网中的发电方式。此次设计内容包括了对光伏发电系统的容量设计和光伏发电系统的配置设计，容量设计主要对光伏组件和蓄电池的容量进行设计与计算，确定光伏组件和蓄电池的数量，发电系统的配置设计时对光伏发电系统中的光伏组件型号、安装方式及配套设备与设施进行设计。本设计是为家用式光伏发电系统，具有节能，无污染运用方便等特点。
关键词：光生伏特效应太阳能电池板逆变器
致谢
毕业设计已经接近了尾声，这也意味着我的大学生活就要结束了，学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。
首先，我要特别感谢我的指导老师朱山川老师。做设计的过程是艰辛的，但是在我的努力之下还是完成了。在这个过程中朱老师给了我很大的帮助，没有他的尽心指导和严格的要求，我也不会顺利完成这次设计。每次遇到难题，我最先做的就是向朱老师寻求帮助，而朱老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。朱老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，都给予了我悉心的指导。这一个星期以来，朱老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
其次，还要感谢这三年来教我知识的每位老师们，毕业论文能够顺利完成，你们也都有很大的功劳。
最后，我要向系部领导以及院部领导对我们的悉心领导，使我们在朝往正确的前进，以及给我们创造如此丰富多彩的校园生活。使我们度过了有意义的大学三年。再次，我由衷的表示感谢。谢谢你们。还有就是要向这三年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢谢。
写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新、生活的开始。希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想，永不放弃。
作者：曾凡兵
2014年11月5日
目录
第一章绪论 (1)
1.1 光伏发电技术的优势 (1)
1.2 光伏发电技术的运用 (2)
第二章任务分析 (4)
第三章家庭用分布式光伏发电系统设计 (8)
3.1 结构设计 (8)
3.2 容量设计 (9)
3.2 配置选型 (10)
3.4 安装方式设安计 (11)
第四章总结和展望 (15)
参考文献 (16)
插图清单
图3-1 家用光伏发电系统
图3-2 家庭式太阳能光伏发电系统的结构图图3-3 光伏组件的安装轴侧示意图
图3-4 支架安装示意图
图3-5 组件正面摆列图
图3-6 光伏组件板正反面示意图
图3-7 接线盒图
第一章绪论
1.1光伏发电技术的优势
太阳能光伏发电的过程没有机械转动部件也不消耗燃料，并且不排放包括温室气体在内的任何物质，具有无噪声、无污染的特点；太阳能资源没有地域限制，分布广泛且取之不尽，用之不竭。因此，与其它新型发电技术(风力发电与生物质能发电等)相比，太阳能光伏发电是一种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，其主要优点有以下几点。
1、太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。
2、太阳能资源随处可得，可就近供电。不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失，同时也节省了输电成本。这同时也为家用太阳能发电系统在输电不便的西部大规模使用提供了条件。
3、太阳能光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能，机械能转换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80以上，技术开发潜力巨大。
4、太阳能光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。
5、太阳能光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。
6、太阳能光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。
7、太阳能光伏发电工作性能稳定可靠，使用寿命（30年以上）。晶体硅太阳能电池寿命可达20~35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、造型适当，蓄电池的寿命也可长达10~15年。
8、太阳能电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而用根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。
1.2 光伏发电技术的运用
家用并网系统：这是发达地区最流行的家庭和企业级太阳能光伏发电系统应用类型。允许将光伏系统产生的多余电能输送至电网，卖给公用机构。当没有太阳时，再从电网输出电力。逆变器用来将光伏系统产生的直流电（DC）转换为运行一般电气设备所需的交流电（AC）。
并网发电厂：在一个厂区位置上，这些也并入电网的系统产生大量光伏电能，其容量从几百千瓦到几兆瓦。其中一些电厂位于机场或火车站等大型工业建筑内，这类电厂利用已有的可用空间，补偿了高耗能用户所需的部分电能。
农村电气化离网系统：在不通电的地方，光伏系统通过充电控制器连接到电池。可以使用一个逆变器提供交流电源，供普通电器使用。典型的离网应用是为偏远地区（如山区房屋和发展中国家的地区）供电。农村电气化是指如下两类
所以本次设计是家庭用分布式光伏发电系统设计，家庭用分布式光伏发电系统是指利用光伏发电技术，在家庭的屋顶或墙壁等场地建立发电系统，不以大规模远距离输送电力为目的，所产生的电力除用户自用和就近利用外，多余电量可以送入当地配电网中的发电方式。
在国外，目前，西班牙的电网调度尚不具备远程监控和控制大规模光伏发电的能力，原因是输电运营商仅要求1万千瓦以上的光伏发电项目安装遥测装置，而西班牙还没有如此大规模的光伏项目。随着兆瓦级项目的增应用：可满足一个家庭基本用电需求的小型家用太阳能系统；或可为几个家庭提供足够电能、稍大些的小型太阳能电网。
混合系统：太阳能系统可与其它种类的能源（例如生物质能发电、风力发电或柴油发电）组合在一起，以确保持续稳定供应电力。混合动力系统可以是并网的、独立的或求，如升级改造接入点的上级变压器，重新配置馈线的电压条件和控制设备等。德国的研究机构认为，要满足德国的光伏发展目标，需要额外新建19.5万至38万千米高压和中压配网线路，相应的投资为130亿欧元~270亿欧元。全社会分摊分布式光伏发电接入引起的电网改造成本。国外政府通由电网提供后备支持。
离网工业应用：在电信领域，经常需要把太阳能发电用于远程应用，尤其是在需要将偏远农村地区与国内其它地区连接起来的场合。由光伏或混合动力系统供电的移动电话中继站应用，也有很大潜力。其它应用还包括：交通信号灯、海航支持系统、保安电话、远程照明、公路标志和废水处理厂等。因为它们能为那些电力传送不到的地区提供动力，从而避免了铺设线网的高成本，所以，目前这些应用具有成本优势。多，这些项目缺乏遥测设备将对电网运行产生显著影响。分布式电源的大规模发展，需要投入大量资金升级电网。目前，德国已经开始采取一些间接措施来满足分布式电源接入配电网的要过征收电价
附加，来支持必要的电网改造和分布式电源的接入。国光伏企业进口的光伏电池产品启动反补贴调查。在此情况下，光伏行业将目光转向国内市场。
在我国分布式光伏发电近3年呈现爆发式增长。从2009年开始实施特许权招标，推动地面大型光伏电站建设。同年，开始了“金太阳”工程和光电建筑示范项目，给予分布式光伏发电系统补贴，并按照投资规模的大小，确定补贴额度。截至2011年年底，国家已公布的光电建筑示范项目规模约为30万千瓦；“金太阳”工程已公布的规模约为117万千瓦。在家庭的屋顶或墙壁等场地建立发电系统，不以大规模远距离输送电力为目的，所产生的电力除用户自用和就近利用外，多余电量可以送入当地配电网中的发电方式。这就大大减轻了我国火力发电的负担，而且绿色环保，无污染。家庭用分布式光伏发电系统是指利用光伏发电技术。
第二章任务分析
我国辐源辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。大体上，我国约有2/3以上的地区太阳能资源较好，特别是青藏高原、新疆、甘肃、内蒙古一带，这些地区利用太阳能的条件尤其有利。根据各地接受太阳总辐射的多少，可将全国划分为四类地区。如下表，
在设计计算中，需要的基本数据主要有：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，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。由上表可知，从我国太阳能资源分布情况来看，合肥位于三类地区，为中国太阳能资源中等类型地区，日辐射量3.3-4.1KW·h/m2.合肥纬度为31.850，则最佳倾角为40.850。本次设计家庭用分布式光伏发电系统在合肥，处于中纬度地带，为亚热带湿润季风气候。年平均气温在15℃-16℃之间，极端最低气温-20．6℃，极端最高气温38℃以上。年平均辐射量1269.90KWh/m2，年平均降水量在900-1000毫米之间。全年气温变化的特点是季风明显、四季分明、气候温和、雨量适中、春温多变、秋高气爽、梅雨显著、夏雨集中，总之气候条件优越，气候资源丰富。家庭居住为普通民房平顶。所以采用支架式安装方式。家庭用电为照明用电及普通电器。
1.根据实际情况，可知该用户全天用电情况，
2.根据该用户实际用电情况，该用户家用电器全部为交流负载，本次设计为交流光伏发电系统。防雷方面，我们将太阳能电池板四周的铝合金框架与支架连接，支架均采用等电位联结。然后通过导线引用大地。这种防雷方式很适应本设计的家庭，即平顶房。至于备用电源，不再需要。因为该用户采用的是部分电器用电。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，实际使用时必须设法换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。
国家科技部最近发布的《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》提出“十二五”期间，要实现光伏技术的全面突破，促进太阳能发电的规模化应用，初步建立太阳能发电国家标准体系和技术产品检测平台，形成我国完整的太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运行维护等产业链技术服务体系[1]
第三章家庭用分布式光伏发电系统设计
3.1 结构设计
1.根据实际情况，该用户为平顶房，所有采用支架式安装方式，效果如下图。
家庭光伏发电系统
图 3-1 家用光伏发电系统
图3-2 家庭式太阳能光伏发电系统的结构图
系统配置框图
系统包括：○
1太阳能电池、○
2控制器、○3逆变器、○4蓄电池。 上图中光伏组件的功能是：
太阳能电池：通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 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。
蓄电池组：目前太阳能光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，太阳能光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。
逆变器：将太阳能电池所产生的直流电能转换成交流电的电压的转换装置。
3.2 容量设计
3.2.1 光伏组件容量设计
由统计表知普通家庭家用负载总功率约为 1.488KW ；每日耗电量L 约为1.346kW ·h 。
太阳能电池组件板的功率[2]
321T L
P A ηηη=
（3-3）
式中，L 为负载每天总耗电量；T 0为平均日照峰值日照时数；η1为蓄电池充电修正系数（0.80～0.90）；η2为组件损耗修正系数，通常可取0.9～0.95；η3为逆变器损耗修正系数，通常可取0.9～0.98。
由日耗电量1.346kW ·h ，可计算出该系统需要太阳能电池板的总功率约为P A =0.72KW ，由此可以选择总功率为0.75KW 的太阳能组件方阵，一般采用太阳能电池标准组件，通过串并联构成所需要功率的太阳能电池方阵。功率250W 多晶太阳能电池组件，再用3块该太因，蓄电池容易损坏；容量太小，容易造成过放电，不能满足负载用电需要。
太阳能电池组件
控制器 逆变器 交流负载
电网系统
3.2.2 蓄电池容量设计
在独立型家庭式太阳能光伏发电系统中，蓄电池是仅次于光伏组件的最重要部件，而且随着光伏组件价格的不断降低，蓄电池在总投资中的比例正在逐渐增加。所以，合理配置蓄电池容量十分重要：容量过大，不仅增加投资，而且会造成蓄电池充电不足，长期处于亏电状态，加上自放电等原蓄电池容量两个文献，蓄电池容量的计算可以根据用电负荷和连续阴雨天数来确定，实际计算可按式（3-4）：
K DOD SL
C out
??=
η
（3-4）
式中，C －蓄电池容量, S －蓄电池供电支持的天数（一般取2.5～5.0d ）,即连续阴雨天数，由表3-1可知，取4天； L －负载平均每天用电量,；DOD －蓄电池放电深度（一般取0.8）, ηout -从蓄电池到负荷的效率:ηout = Fo×Fi, Fo －交流配电电路效率（一般取0.95）,Fi －逆变器效率（一般取0.90～0.98）,K －蓄电池放电容量修正系数（一般取1.2）等于蓄电池Amp-hour 效率的倒数。
根据系统要求计算日耗电量L=1.346kW ·h ，再根据式(3-4)，可算出蓄电池组的容量C 值为9kW ·h ，选择12V 的标称电压铅酸蓄电池单体，串联成24 V 电池蓄电池组；根据电池组容量安时数等于所需瓦时除以电池组电压，得电池组的容量C ′= C /24 = 375Ah ，所以可选择4个12 V ，200 Ah 的密封免维护铅酸蓄电池先两两串联后再进行并联，即可接成满足需要的蓄电池组。
3.2 配置选型
1.太阳能电池组件：选用选安徽省旭腾光伏有限公司的STP6-250单晶硅系列太阳能电池组件，该组件采用6*15，共计90块每块电压为0.5V ，功率为
2.8W 的太阳能电池板串联，电压45V ，功率块进行并联。性能优势：高透光率的刚性玻璃，提高光的穿透性和组件的机械强度，组件玻璃具有自清洁能力，降低灰尘及其他影响组件发电效率的机率；对所有组件进行功率和电流分档，以提高系统整体性能和组件的寿命；防水接线盒和集成旁路二极管，以减少太阳能电池组件因表面被遮挡造成的热斑效应从而引起的组件损伤；通过多项国际认证和测试IEC, Tuv, CE, ISO ，提供五年的产品质量保证和10-25年的产品功率保证。工作参数指标：最大功率 250W ；工作电流 5.88A ；工作电压 17.2V ；系统电压 12V ；开路电压 21V ；短路电流 6.5A ；电池数量 90只。如图3-6 光伏组件板正反面示意图。
2.蓄电池电池组：选用中国合肥赛能信息工程有限公司的铅酸电池，选择容量为200Ah 的12V 电池，两两串联后再进行并联。工作参数指标：电压：12 V ；型号：SNT12-200 ；化学类型：免维护； 电液量：标准 L ；外型尺寸：