独立光伏发电系统设计-solarbe文库

资源描述：

I 小型独立光伏发电系统设计摘要太阳能光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术，近年来我国政府也相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业发展的政策法规，使得太阳能光伏产业迅猛发展，光伏发电技术和应用水平不断提高，应用范围做不扩大，我国光伏发电产业的前景十分广阔。加之我国地域广阔，是太阳能资源丰富的国家之一，三分之二的地区年辐射总量大于 5020MJ/m2, 年日照时数在2200h 以上，利用太阳能发电就具有很强的优越性。发展太阳能光伏发电系统也具有很高的可行性，首先能缓解我国目前的能源问题以及日益严重的环境问题，还能解决边远地区居民用电难，成本高的问题。本论文将从小型独立系统的发电原理，系统设计原理，及其本身具有的优势结合其受众群体的所需考虑的各方面因素来设计适合家庭使用的小型系统。通过理论与实际市场调查相结合的方法设计适合全国各地人民使用的优惠且实用的系统。关键词小型；独立光伏发电；系统；优惠实用II 目录引言 11 光伏发电系统简介 21.1 光伏发电系统原理及设计原则 21.2 光伏发电系统的分类 32 独立光伏发电系统 42.1 系统组成及功能 42.2 独立光伏发电系统优劣 63 小型独立光伏发电系统的设计 73.1 系统设计要求 . 73.2 系统设计方案 . 73.3 系统的配置 . 84. 工程施工 144.1 工程费用概算 144.2 工程周期 144.3 施工期间需要用户配合的事项 145 经济和社会效应 155.1 优势特点 155.2 减排效果 . 15参考文献 . 17小型独立光伏发电系统设计- 1 - 引言当下，许多国家已把发展可再生能源作为未来实现可持续发展的重要方式，而中国也将以太阳能为代表的可再生能源作为未来低碳经济的重要组成部分。近年来，国家财政对太阳能产业的补贴力度逐年增强。同时太阳能屋顶计划与金太阳示范工程的财政补贴项目也相续推出，这一系列的政策措施给中国未来的太阳能光伏产业提供了一个广阔的发展空间。虽然目前光伏发电的成本还比较高，但从长远来看，随着技术的提升，太阳能光伏产业链各个环节成本的持续下降，以及其他传统能源形式的逐渐饱和，太阳能可能将在 2030 年以后成为主流的能源形式之一。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，因而没有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。本论文将从小型独立光伏系统的发电原理，系统设计原理，及其本身具有的优势结合其受众群体的所需考虑的各方面因素来设计适合家庭使用的小型系统。通过理论与实际市场调查相结合的方法设计适合全国各地人民使用的优惠且实用的系统。小型独立光伏发电系统设计- 2 - 1 光伏发电系统简介太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件（ Solar cells）是利用半导体材料的电子学特性实现 P-V 转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。1.1 光伏发电系统原理及设计原则1.1.1 光伏发电系统原理太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。（ 1）电池单元由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由 P 型和 N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N 结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度 J，短路电流 Isc ，开路电压 Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由 P-N结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率 P 输出。（ 2）电能储存单元太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间（发电时间）的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。1.1.2 光伏发电系统设计原则光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则。太阳能光伏发电系统的设计需要考虑的因素1、需要考虑太阳能光伏发电系统使用的地方以及该地日光辐射情况；2、需要考虑太阳能光伏发电系统需要承载的负载功率；3、系统所输出电压，以及考虑应该使用直流电还是交流电；小型独立光伏发电系统设计- 3 - 4、系统每天需要工作的小时数；5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天；6、考虑负载的情况，是纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流的大小。1.2 光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统与并网光伏发电系统1、独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2、并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的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这后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。小型独立光伏发电系统设计- 4 - 2 独立光伏发电系统独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2.1 系统组成及功能独立光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器、蓄电池组成。2.1.1 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。组件设计按国际电工委员会 IEC 1215 1993 标准要求进行设计，采用36 片或 72 片多晶硅太阳能电池进行串联以形成 12V 和 24V 各种类型的组件。该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。原材料特点电池片采用高效率（ 16.5以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃采用低铁钢化绒面玻璃又称为白玻璃，厚度 3.2mm, 在太阳电池光谱响应的波长范围内 320-1100nm 透光率达 91以上，对于大于 1200 nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA 采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为 0.78mm 的优质 EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、 TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT太阳电池的背面覆盖物氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。2.1.2 太阳能控制器太阳能控制器是由专用处理器 CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。主要特点小型独立光伏发电系统设计- 5 - 1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制；2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压。3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；4、采用了串联式 PWM 充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非 PWM 高 3-6，增加了用电时间；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿；5、直观的 LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；6、所有控制全部采用工业级芯片（仅对带 I 工业级控制器），能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了 E 方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素；8、使用了数字 LED 显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。2.1.3 逆变器太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC。为能向 220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC逆变器。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。小型独立光伏发电系统设计- 6 - 逆变器的保护功能过载保护、短路保护、接反保护、欠压保护、过压保护、过热保护。2.1.4 蓄电池一般分为铅酸电池和胶体电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。2.2 独立光伏发电系统优劣2.2.1 独立光伏系统的优点1、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的 1 万倍。只要在全球 4沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击；2、太阳能随处可处，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失；3、太阳能不用燃料，运行成本很低；4、太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用；5、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源；6、太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。2.2.2 独立光伏系统的缺点1、地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电；2、能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/M2。大规格使用时，需要占用较大面积；3、价格仍比较贵，为常规发电的 315 倍，初始投资高。小型独立光伏发电系统设计- 7 - 3 小型独立光伏发电系统的设计本系统拟先设计一个独立系统，安装在用户的屋顶上，用于演示光伏阵列采取跟踪模式和固定模式时发电的情况，待用户参考后再设计一套发电量更大的系统，向用户提供生活用电。3.1 系统设计要求因本系统仅是一个参考项目，所以这里就只设计一个 2.88kWp的小型系统，平均每天发电 5.5kWh,可供一个 1kW的负载工作 5.5 小时。3.2 系统设计方案本系统以江阴市为参照来设计。通过对现场资源和环境条件的分析，以及系统组成所需资源的市场调查，进行系统的设计。3.2.1 现场资源和环境条件江阴市位于北纬 31° 40’ 34”至 31° 57’ 36”，东经 119°至120° 34’ 30”。气候为亚热带北纬湿润季风区，冬季干冷多晴，夏季湿热雷雨。年降水量 1041.6 毫米，年平均气温 15.2 ℃。具有气候温和、雨量充沛、四季分明等特点。其中 4 月 -10 月平均温度在 10℃以上，最冷为 1 月份，平均温度 2.5 ℃；最热月 7 月份，平均温度 27.6 ℃。3.2.2 光伏系统方案的确定本项目采用独立型光伏系统方案。系统由电池组件 PV 阵列，充电控制器、逆变器、蓄电池等部件组成。原理图如下小型独立光伏发电系统设计- 8 - 本系统由太阳电池组件，跟踪控制系统，控制器，逆变器，蓄电池等部分组成。太阳电池组件在太阳光的照射下产生直流电流；而充电控制器则协调太阳能电池板、蓄电池和负载的工作 , 具有自动防止太阳能光伏系统的储能蓄电池过充电和过放电的功能。蓄电池在系统中的作用就是存储能量，还能对系统起着调节电量、稳定输出的作用。逆变器的作用是将蓄电池的直流电转变为适合负载使用的正弦波交流电，逆变器输出的交流电能进入配电柜；在配电柜内装有用于输出控制、过流保护、防雷保护等器件。3.3 系统的配置3.3.1 电池组件本系统拟采用江苏林洋新能源有限公司生产的 SF-160 单晶硅电池组件。江苏林洋新能源有限公司是一家集晶体硅太阳能电池和组件的研发、生产、销售、服务为一体并在美国成功上市的国际性公司。公司采用世界上最先进的电池片和组件生产设备加之完善的质量管理体系，从而保证了完美的产品品质。产品通过了 IEC61215、 TUV、和 UL 国际认证，在国内享有盛誉。该太阳能电池片转换效率高，表面玻璃为高透光低铁钢化玻璃，边框材料为轻质电镀铝合金。最大输出功率 160Wp开路电压 43.7V短路电流 5.10A最大输出电压 35.8V最大输出电流 4.61A重量 15kg外型尺寸 1580 mm x 808 mm x 45 mm最佳电流的温度系数＋ 0.04/ ℃最佳电压的温度系数－ 0.38/ ℃SF-160 单晶硅电池组件性能小型独立光伏发电系统设计- 9 - SF-160 单晶硅太阳能电池的机械特性。图 2 SF-160 单晶硅太阳能电池的 I-V 特性小型独立光伏发电系统设计- 10 - 3.3.2 充电控制器性能特点微电脑芯片控制充放电各参数点、温度补尝系数可编程任意设定，可适应不同场合的特殊要求；LCD液晶模块点阵显示，中英文操作菜单，用户可根据需要选择； LED 指示灯显示各路光伏充电状态和负载通断状态； 9 个轻触按键操作；控制电路与主电路完全隔离，具有极高的抗干扰能力；1 18 路太阳能电池输入控制；实时显示蓄电池电压、负载电流、总光伏电流、每路光伏电流、蓄电池温度、累计光伏发电安时数、累计负载用电安时数等十几个参数。光伏控制器性能参数额定电压 V 48 额定电流 Ip A 50 最大太阳能电池组件功率 kWp 3 太阳能电池组数 N ≤ 6 每路太阳能电池电流 Ib A IbIp/N 环境温度－ 20 ℃ ～＋ 50 ℃电压降落太阳能电池与蓄电池之间 V 0.7 蓄电池与负载之间 V 0.1 机械尺寸深宽高 mm 421*488*177 防护等级 IP20 海拔高度 ≤ 5500 历史数据统计显示过充电次数、过放电次数、过载次数、短路次数；可编程设定发电机启停电压、次要负载通断电压、风机卸载和恢复电压、路灯光敏切换电压等参数；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；具有二次下电控制能力，即对主要负载和次要负载在不同蓄电池电压点的下电控制能力；各路充电电压检测具有“回差”控制功能，可防止开关进入振荡状态；保护功能具有蓄电池过充电、过放电、输出过载、短路、浪涌、太阳能电小型独立光伏发电系统设计- 11 - 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；可配 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；参数设置具有密码保护功能且用户可修改密码；告警过压、欠压、过载、短路等保护报警；多路无源输出报警或控制接点蓄电池过充电、蓄电池过放电、柴油机启动控制、负载断开、控制器故障；其它备用报警接点用户可选择，如水淹报警等 . 3.3.3 逆变器工作模式有阶梯式逐级限流模式、 PWM工作模式、一点式工作模式、光开光断模式、光开时断模式、时钟控制模式、光开时断凌晨亮模式，其中前三种模式是针对通用负载场合的，后四种模式是针对路灯负载场合的，所有的延时长度和定时时钟都可以设置；用户可设置参数还包括均充电压、浮充电压、吸收电压、启动电压、动态稳压系数、静态稳压系数、均充状态时间和吸收状态时间等。不掉电实时时钟功能，显示与设置时钟；防雷根据系统要求，可安装不同等级的防雷装置；具有温度补偿功能。逆变器器性能、参数直流输入输入额定电压 VDC 48 输入额定电流（ A） 73 输入直流电压允许范围 VDC 4264 交流输出额定容量 kVA 3 输出额定功率 kW 3 输出额定电压及频率 220VAC ， 50Hz 小型独立光伏发电系统设计- 12 - 输出额定电流（ A） 13 ． 6 输出电压精度（ V） 220 ± 3 输出频率精度 Hz 50 ± 0.05 波形失真率 THD （线性负载） ≤ 5 动态响应负载 0←→ 100 ） 5 功率因数（ PF） 0.8 过载能力 150 ， 10 秒峰值系数 CF 31 逆变效率 80 阻性负载 93 工作环境绝缘强度输入和输出 1500VAC ， 1 分钟噪音（ 1 米） ≤ 50dB 使用环境温度 -20 ℃ 55 ℃湿度 090 ，不结露使用海拔 m ≤ 6000 机械尺寸立式深、宽、高 mm 442 482 267 重量（ kg ） 42 小型独立光伏发电系统设计- 13 - 3.3.4 蓄电池小型独立光伏发电系统设计- 14 - 4. 工程施工4.1 工程费用概算序号名称单价（元）数量单位合计1 太阳电池组件 30 2880 Wp 86,4002 充电控制器 7000 1 台 7,0003 逆变器 12000 1 台 12,0004 全密闭免维护蓄电池 950 24 节 22,8005 标准接头 10 9 套 906 专用电缆 12 100 米 1,2007 钢结构支架 3 2880 Wp 8,6408 其它辅助材料 1 2880 Wp 2,8809 材料费小计 2880 Wp 141,01010 系统安装集成费 5 7,05111 税金 6 8,46112 利润 5 7,05113 总价 2880 163,57214 均价 2880 56.804.2 工程周期首先进行工程所有材料和设备的准备工作，直至系统通过调试，备货期为30 天，进场后大约需要 10 天完成施工。4.3 施工期间需要用户配合的事项1、按要求提供施工时使用的动力电源。2、提供暂时保管进场物资（材料、设备、工具等）的临时仓库。3、协助施工方处理在当地施工时意外可能发生的问题。4、在调试结束后按要求进行现场验收。5、若条件许可，建议用户在工程开始时指派有一定电气基础知识的人员参于现场工作，以便今后更好地做好系统维护工作。小型独立光伏发电系统设计- 15 - 5 经济和社会效应独立系统它由太阳能电池采集阳光，转化为电能，通过控制和逆变设备，把直流电转换成目前家庭通用的 220V交流电。目前采用高性的胶体铅酸蓄电池作为储能装置，有可有效地为业主在任意时间连续提供电力。它的配置主要包括太阳能电池板光伏组件 , 控制器 , 逆变器 , 供配电柜等设备 , 主要应用于与国家电网离得比较远的别墅 , 比如 , 在一些山区 , 林地或离城市较远的郊区 . 这种别墅由于配高低压电线和安装成本昂贵包括输电线路 , 电线竿 / 电塔安装 , 比较适合安装太阳能独立系统。5.1 优势特点1、使用寿命长 , 无需专人维护 . 其中太阳能电池寿命长达 25 年以上；2、自给自足，蓄电池作为蓄能装置，把白天太阳能电池收集的电能储存起来，方便业主使用，阴雨天气 , 可按用户要求连续供电 3-10 天；3、一次投资 , 终身受益 , 太阳能清洁无辐射 , 无污染；4、绿色能源 , 安全环保 . 间接地减少对大气二氧化碳等温室气体的排放；5、安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制；6、无须消耗燃料，无机械转动部件 , 无须另外架输电线路，可以按照业主的要求，方便地与任意地面或建筑物相接合；7、建造的周期很短，实际建造时间按规模大小来算；8、不破坏建筑的外观。太阳能电池板一般安装在屋顶或倾斜面，不会破坏原有建筑外观，甚至有时会增加其建筑的美感。5.2 减排效果光伏发电属于清洁可再生能源，无论从能源角度，还是从环境角度，都是未来发展的重点，光伏并网发电的推广应用，无疑会带来良好的环境效益。可以粗略计算“环境效益”如下1、每 KWh电耗煤目前我国发电耗煤为平均 390g 标煤 /KWh 能源基础数据汇编，国家计委能源所， 1999。 1,p16 2、每发 1KWh电排放 CO2 C O2 CO2 12 32 44 小型独立光伏发电系统设计- 16 - 44/12 390 1430g CO2/KWh 1.4kg CO2/KWh 1.4 10-3TCO2/KWh 3、每瓦光伏组件平均每年发 2KWh. 4、每瓦光伏组件平均每年相当减排 CO2吨数2KWh 1.4 10-3 吨 CO2/KWh＝ 2.8 10-3T 按照 EPIA的估计，光伏发电取代柴油发电机的 CO2减排效果为 1Kg/KWh; 光伏并网发电的平均减排效果为 0.6Kg/KWh。到 2020 年，全世界光伏发电的累计安装量将达到 195GWp，其中大约 50％为光伏并网发电。 2000－ 2020 年通过光伏发电达到的 CO2的减排量将是 7 亿吨，仅 2020 年当年 CO2的减排将达到 1.64亿吨，相当于 4400 万辆汽车或 75 个大型火力发电厂的排放量。小型独立光伏发电系统设计- 17 - 参考文献［ 1］吴敬儒 20052030年电力需求预测及发展战略研究［ EB/OL］ .http//financ e.sina.com.cn/chanjing/b/20070920/17293998771.shtml,2007-09-20.［ 2］左然 , 施明恒 , 王希麟 . 可再生能源概论［ M］ . 北京机械工业出版社， 2007.[Z K]［ 3］产业发展课题 2008 年中国太阳能多晶硅行业发展现状及趋势报告［ R］ ,2009 .［ 4］佚名意大利太阳能光伏产业前景简析［ EB/OL］ .http//www.solarbe.com/n ews/content/2011/1/15608.html,2011-01-14.［ 5］佚名民用建筑太阳能光伏应用技术规范出台