《家用并网光伏发电系统设计》毕业论文(专科)-solarbe文库

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毕业论文论文题目家用并网光伏发电系统设计系部环境与能源工程学院专业新能源及其应用技术班级 13 级（ 4）班学生姓名郭 XX 学号 201320XXXX 指导老师2015 年 9 月 24 日摘要地球表面接受的太阳能辐射能够满足全球能源需求的 1 万倍，地表面每平方米平均每年接收到的辐射随地域不同大约在 1000-2000KWH 之间，国际能源署数据显示，在全球 4的沙漠上安装太阳能光伏系统就足以满足全球能源需求。太阳能光伏享有广阔的发展空间，其潜力十分巨大。据初步统计，我国仅利用现有的建筑安装光伏发电其市场潜力就大约为 3 万亿千瓦以上，在加上西部广阔的戈壁光伏发电市场潜力约为数十亿千瓦以上，随着光伏发电的技术进步和规模化应用，其发电成本还将进一步降低，成为更加具有竟争力的能源供应方式，逐步从补充能源到替代能源并极希望成为未来的主导能源。本文讲述了分布式光伏发电系统（家用型）的发展前景，国家对应的政策扶持，还着重讲述了家用并网光伏发电系统在安装是必需考虑的设计因素（太阳电池倾斜角、方位角的选择，组件表面太阳辐射量的计算，组件的安装）做了详细的介绍。关键字能源，太阳电池，光伏组件目录一 .绪论1.1 分布式光伏发电系统1.2 设计原则二 .家用并网光伏发电系统的前景三 .对并网光伏发电系统国家相应的政策扶持3.1 自发自用，余电上网3.2 单位电量定额补贴3.3 发改运行 [2015]518 号3.4 并网申请流程四 .系统设计4.1 方位角4.2 倾斜角4.3 太阳电池方位角的选择4.4 太阳电池倾斜角的选择4.5 日照数据及估算4.6 倾斜面光伏组件表面的太阳能辐射量计算4.7 光伏组件阵列的间距设计4.8 装机容量计算4.9 光伏组件的安装4.10 逆变器的选择4.11 防雷保护结论参考文献致谢一．绪论能源是国民经济发展的基础。我国能源生产量和消费量均已居世界前列，但在能源供给和利用形式上存在着一系列突出问题，如能源结构极不合理、能源利用效率不高、可再生能源开发利用比例较低、能源安全利用水平有待近一步提高。根据国家能源发展规划， “十二五”期间将以加快转变能源发展方式为主线，规划能源新技术的研发和应用，解决有限能源和资源的约束，着力提高能源资源开发、转化和利用的效率，充分利用可再生能源，推动能源生产和利用方式的变革。中国是世界上太阳能最丰富的国家之一，辐射总量在 3.3103～ 8.4106 KJ/㎡之间。全国总面积 2/3 以上地区年日照时数大于 2000 小时。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均属世界太阳能资源丰富地区之一。光伏发电资源开发，对优化我国能源结构、应对保护生态环境、促进经济社会可持续发展，具有十分重要的作用。我国西部地区地域广阔，便于集中式光伏的开发利用；在中东部广大地区，受到环境条件限制，分布式光伏发电将成为未来发展的重点，深入研究分布式光伏发电具有重要意义。1.1 分布式光伏发电系统分布式发电是指在用户场地附近建设，运行方式以用户侧自发自用为主，多余电量上网，但在配电系统平衡调节为特性的光伏发电设施。分布式发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原测，充分利用当地的太阳能资源，替代和减少化石能源消费。分布式电源接入配电网使配电系统中发电与用电并存，配电网结构从放射状结构变为多电源结构，短路电流大小、流向以及分布特性均发生改变。分布式光伏发电包括并网型、离网型及多能互补微网等应用形式，并网型分布式发电多应用于用户附近，一般与中、低压配电网并网运行，自发自用，不能发电或电力不足时从电网上购电，电力多余时向网上售电。离网型分布式光伏发电多应用于边远地区和海岛地区，它不与大电网连接，利用自身的发电系统和储能系统直接向负荷供电。分布式光伏系统还可以与其它发电方式组成多能互补微电系统，如水、风、光等，既可以作为微电网独立运行，也可以并入电网联网运行。所以家用并网光伏发电系统属于分布式光伏发电系统。1.2 设计原则分布式光伏发电接入系统应满足分布式光伏发电与电网互适性要求，遵循“安全可靠、技术先进、投资合理、标准统一、运行高效”的设计原则。设计方案的选择既要有普遍性、可扩展性，又要有经济性；既要覆盖面广，又不宜太多。典型设计应实现分布式光伏发电项目接入规范化，为设备招标、降低分布式光伏发电项目接入系统建设和运营成本创造条件，实现分布式光伏发电与电网建设的和谐统一。具体内容如下可靠性保证设备及系统的安全可靠。经济性按照各方利益最大化原则，追求分布式光伏发电与电网建设和谐统一，实现共赢。先进性设备选型合理，优化各项技术经济指标，主要经济技术指标应达到国内同类工程的先进水平。适应性综合考虑各地区的实际情况，对不同规模、不同形式、不同外部条件均能适应。二 .家用并网光伏发电的前景独立发电系统容量不太稳定，电能质量不佳，调节能力有限，投资成本较高，为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已是大势所趋。为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这就牵涉到功率因数较正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术，这正是当前各个国家研究的热点，也是我国国内新能源发电技术中最薄弱的环节之一。目前，国外单向功率变换技术已经基本成熟，三相大功率变换技术则还有很多值得研究的问题，如具有高效率的系统主电路结合设计、低损耗的软开关技术以及单位功率因数的实现技术等。随着科技发展，预计 2030 年以后发电成本会继续降低。所有技术如晶体硅、薄膜及一些新概念将会在市场上大量涌现。如果新概念得以成功实施，模块的转换效率将进一步提高。最终，光伏模块的能源转换率将达到 30～ 50，从而使太阳辐射能可以高效地使用。安装在阳光充足地区的 1 平方米最高效的光伏模块每年将发电 1000 千瓦时。到 2030 年，光伏系统组件将发展成建筑物通用的部件，可以实现大规模的标准化的具体应用，几乎所有新建筑都将安装光伏阵列，把光能转化为电能。三 .对并网光伏发电系统国家相应的政策3.1 自发自用，余电上网分布式光伏发电系统所发电力主要由电力用户自己使用，多余电量接入电网，它是分布式光伏发电的一种商业模式，对于这种运行模式光伏并网点设在用户电表的负载侧，需要增加一块光伏反送电量的计量电表或者将电网用电电表设置成双向计量，用户自己直接用掉的光伏电量，以节省电费的方式直接享受电网的销售电价，反送电量单独计量并以规定的上网电价进行结算。3.2 单位电量定额补贴单位电量定额补贴政策简称度电补贴政策，按光伏系统所发出的电量进行补贴，主要适用于分布式光伏发电系统，分布式发电采用度电补贴政策特点是自发自用，余电上网，即自发自用的光伏电量不做交易，国家按照自用电量给与补贴，富余上网电量除了电网企业支付的脱硫煤火电机组上网标杆电价外也享受国家的度电补贴。3.3 发改运行 [2015]518 号加强相互配合和监督管理，确保清洁能源多发满发政策落到实处（二十一）清洁能源发电企业应满足并网技术要求，提高出力预测精度，加强生产运行管理，提升电能质量，减轻电网稳定运行的压力。（二十二）电网企业应统一负责清洁能源发电出力预测，科学安排机组组合，充分挖掘系统调峰潜力，合理调整旋转备用容量，在保证电网安全运行的前提下，促进清洁能源优先上网，落实可再生能源全额保障性收购；加快点对网输电线路改造，提升吸纳可再生能源能力。有条件的电网，可以开展清洁能源优先调度试点，即以最大限度消纳清洁能源上网电量为目标，联合优化调度，灵活安排运行备用容量。（二十三）电网企业应加强清洁能源富集地区送电通道的建设，发展智能电网技术，改善清洁能源并网条件，扩大资源配置范围。（二十四）各省（区、市）政府主管部门应会同相应能源监管机构，加强对电力调度、发电运行和年度发电计划实施的监督，定期组织通报电力运行信息，协调清洁能源并网及运行矛盾，切实保障清洁能源多发满发。3.4 并网申请流程分布式项目业主在准备好资料后向电网公司地市或县客户报务中心提交接入申请，客户服务中心协助项目业主填写接入申请表，接入申请受理后在电网公司承诺的时限内，客户服务中心将通知项目业主确认接入系统方案，项目建成后业主向客户服务中心提出并网验收和调试申请，电网企业将完成电能计量装置安装，购售电合同及调度协议签订，并网验收及调试工作，之后项目即可并网发电。四 .系统设计4.1 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。一般情况下，方阵朝向正南即方阵垂直面与正南的夹角为 0° 时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南北半球 30°度时，方阵的发电量将减少约 10～ 15;在偏离正南北半球 60°时，方阵的发电量将减少约 20～ 30。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。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 -12 15经度 -116 4.2 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。太阳能电池组件的方位角与倾斜角选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。对于太阳能光伏系统来说，方位角以正南为 0°，由南向东向北为负角度，由南向本向北为下角度，如太阳在下东方向时，方位角为 -90°，在正西方时方位角为 90°。方位角决定了阳光的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向的建筑物的采光状况。倾斜角是地平面水平面与太阳能电池组件之间的夹角。倾斜角为 0°时表示太阳能电池组件为水平设置，倾斜角为 90°时表示太阳能电池组件为垂直设置。4.3 太阳电池方位角的选择在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。如果受太阳能电池设置场所如屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一到，以求充分利用现有的地形和有效面积，并尽量避开周围建、构筑物或树木等产生的阴影。只要在正南± 20°之内，都不会对发电量有太大影响，条件允许的话，应尽可能偏西南 20°之内，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时，这样有利冬季多发电。有些太阳能光伏建筑一体化发电系统设计时，当正南方向太阳能电池铺设面积不够大时，也可将太阳能电池铺设在正东、正西方向。4.4 太阳电池倾斜角的选择最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。一般取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。当然如果能够采用计算机辅助设计软件，可以进行太阳能倾斜角的优化计算，使两者能够兼顾就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，例如我国黑龙江省相差约 5倍。如果按照水平面辐射量参数时行设计，则蓄电池冬季存储量过大，造成蓄电池的设计容量和投资都加大。选择了最佳倾斜角，太阳能电池面上冬季和夏季辐射量之差变小，蓄电池的容量也可以减少，求得一个均衡，使系统造价降低，设计更为合理。不同类型的太阳能光伏发电系统，其最佳安装倾斜角是有所不同的。例如光控太阳能路灯照明系统等季节性负载供电的光伏发电系统，这类负载的工作时间随着季节而变化，其特点是以自然光线的来决定负载每天工作时间的长短。冬天时日照时间短，太阳能辐射能量小，而夜间负载工作时间长，耗电量大。因此系统设计时要考虑照顾冬天，按冬天时能得到最大发电量的倾斜角确定，其倾斜角应该比当地纬度角度大一些。而对于主要为光伏水泵、制冷空调等夏季负载供电的光伏系统，则应考虑为夏季负载提供最大发电量，其倾斜角应该比当地纬度的角度小一些。4.5 日照数据及估算光伏系统的设计者们经常需要估算落在任意斜面上的日照量，多数情况下，月平均日间日照数据已经充分，通常用每个月中旬的几个特征日期来定义月平均值。应用较广的一种数据形式是落到水平面或者倾斜面上的日平均、月平均、季平均或者年平均辐射。4.5.1 峰值日照小时数每月的日平均日照水平通常用“峰值日照小时数”来表示。其概念是说全天所接收到的太阳辐射，早晨时候为低强度，在正午时候达到峰值，午后又逐渐降低。这些不断变动的日照数据累加后，被压缩到一个日照水平等同于正午辐射强度的缩减的时间段里。假设一天的正午日照水平（峰值日照）估算为 1.0kw/m 2,那么峰值日照小时数值上将等同于该天的总日照量，总日照量的单位是 kwh/m 2。4.5.2 日照小时数一种通常使用的日照数据形式被称作 “日照小时数” 这个数量描述了在一个给定的时间段（通常是一个月）中，每天超过 210W/m 2辐射强度的日照小时数。但值得注意的是，日照小时数没有给出日照的绝对数据，并且仅对太阳光的直射辐射有效。4.6 倾斜面光伏组件表面的太阳能辐射量计算对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为Rβ ＝ S [sin α β /sin α ]D 式中 Rβ 倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量S 水平面上太阳直接辐射量D 散射辐射量α 中午时分的太阳高度角β 光伏阵列倾角4.7 光伏组件阵列的间距设计为了避免阵列之间遮阴 ,光伏电池组件阵列间距应不小于 D D0.707H/tan〔 arcsin0.648cosΦ -0.399sinΦ 〕式中 Φ 为当地地理纬度在北半球为正，南半球为负， H 为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差）。4.8 装机容量计算家用光伏发电系统装机容量的大小，取决于用电设备负载、屋顶的样式和屋顶的面积，并结合电网公司的批复意见，确定最佳安装容量，一般情况下平面屋顶安装量约为 70-100 瓦 /每平米。4.9 光伏组件的安装为了解决屋面的承重能力，防水能力，抗风能力以及阴影遮挡等重要问题，同时光伏组件的布置也要与建筑物及周围的环境完美结合。4.9.1 一般形式1 在空旷处用地基和支架做太阳电池方阵，优点是安装维修方便，缺点是占用土地。2 在楼顶作钢结构，优点是省去了一些外围护结构，不占用土地资源；缺点是安装维护不方便，对钢结构抗风等级等要求较高，壮观但不美观。3 太阳电池遮阳板，优点是既可发电又可遮阳，一举两得；缺点是施工可能比较困难，受位置限制，发电量不会太大。4 幕墙，天窗式，代替玻璃使用，一般不用边框和接线盒优点是与建筑完美结合，美观，一“板”多用，可以通过用不同的玻璃封装，使其既能发电，又具有隔音或隔热等不同作用；缺点是受位置角度等条件制约，发电效率受影响，分组、布线等相对复杂。5 在斜屋面上作发电屋顶，优点是与建筑完美结合，美观，不额外占用空间；缺点是传统的电池板边框结构（螺杆式安装）不太适合 ,需考虑新的边框结构以便于安装接线，其与建筑结合的主要形式推拉结构、导轨结构、槽结构、压边结构、侧面接线盒的结构、瓦片电池板、翻转结构等。4.9.2 太阳电池方阵支架的基本要求1 应遵循用料省、造价低、坚固耐用、安装方便的原理进行太阳电池方阵支架的设计生产和制造。2 光伏电站的太阳电池方阵支架，可根据应用地区的实际情况和用户要求，设计成地面安装型和屋顶安装型西藏千瓦级以上的光伏电站，以地面安装支架设计为主。3 太阳电池方阵支架应选用钢材或铝合金材料制造其强度应可承受 10 级大风的破坏。4 太阳电池方阵支架的金属表面应镀锌、镀铝或涂防锈漆，防止生锈腐蚀。5 在设计太阳电池支架时，应考虑当地纬度和日照资源等因素。也可设计成能按照季节变化以手动或自动方式调整太阳电池方阵的向日倾角和方位角的结构，以便充分地接受太阳辐射能增加方阵的发电量。6 太阳电池方阵支架的连接件，包括组件和支架的连接件，支架与螺栓的连接件以及螺栓与方阵场的连接件，均应用电镀材料或不锈钢钢材制造4.10 逆变器的选择在逆变器功率选择上一般根据系统的要求配置对应功率段的逆变器，选择的逆变器的功率应该与光伏电池方阵的最大功率匹配，一般选取光伏逆变器的额定输出功率与输入总功率相近左右，这样可以节约成本。在逆变器的种类选择上要根据应用场景和条件进行选择，逆变器一般有三种类型微型逆变器，集中式逆变器和组串式逆变器，如果比较看重安全、高效率、安装方便、零维护则应选择微型逆变器，如果仅仅从逆变器的成本上来看，在（超）大型电站上很多人会选择集中式逆变器，因为集中式逆变器就逆变器价格本身要相对便宜，但是从系统建设上来看它还需要其它很多辅助设备，这些附加的设备将占据整个系统成本很大一部分比例，而且在安装施工上需要专业的施工人员，实施成本较高；如果是分布式并网发电系统一般选择微型逆变器和组串式逆变器，微型逆变器和组串式逆变器在成本上几乎相同，但是微型逆变器在安全性、安装方便行、效率及性价比上更具优势，从太阳能技术的发展来看，微逆变器发电系统是未来的主要方向。4.11 防雷保护雷电主要分为两种危害，直接雷击和间接雷击。直击雷的防护在高大的建筑上设立金属避雷入地导线，可将巨大的雷雨云层电荷释放掉。感应雷的防护在光伏系统中加入防雷器，也就是在汇流箱、逆变器等电器设备中装加防雷模块，用以防护间接雷击。结论参考文献[1].车孝轩编著 . 太阳能光伏系统概论，武汉武汉大学出版社， 2006.10 [2].（日）滨川圭弘编著，张红梅，崔晓华译 .太阳能光伏电池及其应用，北京科学出版社， 2008.9 [3].（澳）伟纳姆（ S.R. Wenham）等编 ,狄大卫等译 .应用光伏学，上海上海交通大学出版社， 2008.4 [4].黄汉云编著 .太阳能光伏发电应用原理，北京化学工业出版社， 2013.1 [5].黄汉云编著 . 太阳能光伏照明技术及其应用，北京化学工业出版社， 2012.9 [6].罗玉峰，陈裕先，李玲主编 .太阳光伏发电技术，南昌江西高校出版社，2013.7 [7].冯柏群，蔡雯主编 .供配电技术，南京南京大学出版社， 2013.9致谢我之所以能顺利完成家用并网光伏发电系统设计的设计与实现，是和指导我的导师是有关。我首先谢谢我的指导教师 XXX老师。作为一个老师他是负责的，态度是认真的。老师，我最想说一句“谢谢您” 再一个就是我要感谢院方，也就是环境与能源工程学院给我们提供这么多的支持。不管是从老师还是其它的辅助设施上，我深表感谢，给我们带来了极大的方便。第三我也很感谢论文答辩的各位评委老师，感谢他们在百忙之中抽出时间帮我们答辩。我心里深深知道不管他们提出什么样的问题，难也好，容易也好，其目的只有一个，那就是帮助我们提高，在这我也想说一声谢谢你们