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1、. . 家庭式太阳能供电系统的研究与设计 装订线. . . 40 目 录摘要IAbstractII引言11太阳能光伏发电的现状11.1 太阳能供电的背景与意义11.2 中国太阳能发电现状21.3 家庭式太阳能供电系统的现状32 太阳能发电系统32.1 太阳能发电方式简介32.2 太阳能光电转化的基本原理42.3 太阳能蓄电池52. 4 逆变器的基本工作原理52 .5 家庭式太阳能供电系统的基本组成63主要构件的选择及应用83. 1 太阳能电池板的选择83. 2 蓄电池的选择83. 3 防反冲二极管的选择93. 4 太阳能控制器的应用93. 5 逆变器的应用104 家庭式太阳能供电系统的设计12
2、4.1 家庭式太阳能供电系统整体设计步骤124.2 家庭式太阳能供电系统光伏组件的确定13 4.2.1 光伏方阵最佳倾角计算13 4.2.2 平均峰值日照时数的计算14 4.2.3 负荷的计算15 4.2.4 计算方阵最佳方阵应输出电流15 4.2.5 计算太阳能电池板工作电压16 4.2.6 计算太阳能电池板的功率174.3 蓄电池组的容量确定174. 4 逆变器和控制器的确定185 计算机软件的应用及设计举例185. 1 RETScreen数据库的应用185. 2家庭式太阳能供电系统设计举例205. 3 应用PVSYST进行系统设计256 结论37参考文献39致谢40ContentsAbs
3、tractIIIntroduction11 Status of solar photovoltaic power generation11.1 Background and significance of solar-powered11.2 Status of Chinese solar power21.3 Status of Household Solar power generation system32 Solar power generation system32.1 Introduction of solar power generation32.2 The basic princi
4、ples of solar photovoltaic conversion42.3 Solar Battery52. 4 The basic principle of the inverter52 .5 The basic composition of household solar power system63 Selection and Application of major components83. 1 Select solar panels83. 2 Battery Selection83. 3 Anti-kickback diode selection93. 4 The use
5、of solar controllers93. 5 Inverter Applications104 The design of home solar power system124.1 The steps of design Household Solar power generation system124.2 PV modules13 4.2.1 Optimum tilt angle of PV modules 13 4.2.2 The Hours of the average peak sunshine14 4.2.3 Load calculation15 4.2.4 The best
6、 current of PV modules 15 4.2.5 The Voltage of PV modules16 4.2.6 Calculating the average power of solar panels174.3. Determine the capacity of the battery pack174. 4 Inverter and controller select185 Software application and Design Examples185. 1 RETScreen database185. 2 Design of Household Solar p
7、ower generation system205. 3 Using Pvsyst to design system256 Conclusion37References39Acknowledgement40家庭式太阳能供电系统的研究与设计 摘要：太阳能是最普遍的自然资源，亦是取之不尽的可再生清洁能源，它与化石能源相比，有很大优势。工业革命后人类生产生活方式发生巨大改变，对能源的需求越来越大。随着自然环境的恶化及化石能源开采难度不断增大，能源的可持续供应受到人类的重视，如何利用太阳用进入了人类的视野。本论文全面分析了当今世界太阳能发电的现状和国内状况，强调家庭式太阳能供电系统在我国及全世界发展的
8、必要性。论文循序渐进的对太阳能供电系统的原理、主要构件的选择与应用、家庭式太阳能供电系统设计进行了全面阐述，并结合实际地域进行了系统设计举例。另外本论文应用了计算机软件RETScreen、NASA数据库、PVSYST对太阳能供电系统设计进行指导和模拟。关键词：太阳能；光伏发电系统；系统设计；太阳辐射；软件应用Study and Design of Household Solar Power Generation System Abstract since the industrial revolution, the rapid development of the industry have
9、brought great convenience to human life, but at the same time the need of energy is getting more. It will let us face with a serious energy crisis. In fact, the use of oil and coal caused global climate get worse. So the new energy exploration and research has become a topic of common concern of all
10、 countries in the world. In many kinds of new energy, solar energy is the most primitive and inexhaustible. It is a kind of renewable energy, but also the primary energy. Solar energy is coming to the earth mainly as light and heat. Solar energy does not pollute the environment, does not need to tra
11、nsport, carry by light. So in a number of new energy, it is the cleanest. Among many ways of using solar energy, the solar photovoltaic power generation is the mainly way. In this thesis, household solar power generation system as the research center, every link of the Whole system is introduced wit
12、h the analysis and choice. In addition,we also use the RETScreen、NASAs database、PVSYST to guidance and simulation for the design of Household Solar power generation system.keywords: solar power; photovoltaic power generation system; system design; solar radiation; application of the software引言 在地球环境
13、污染和能源形势的变化日趋严峻的背景下，太阳能作为绿色能源越来越受到世界各国的重视。不论是从经济、社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从为世界上 2 0亿无电人口和一些特殊用途解决现实的能源供应出发，发展太阳能光伏发电均具有重大的现实意义，利用太阳能是人类未来的希望。家庭式太阳能发电系统是解决无电、缺电人口用电问题，改善能源结构的有效途径，具有强烈的紧迫性及战略意义。1 太阳能光伏发电的现状1.1 太阳能供电的背景与意义 工业革命后人类生产生活方式发生巨大改变，如何获得能源成为人类所关心的问题,能源短缺直接制约着经济和社会的发展，能源的持续供应成为关注的焦点，各
14、国相继开启可再生能源的开发的研究。地球环境污染和能源形势变的日趋严峻，人类迫切需要一种新型的清洁能源替代煤炭、石油、天然气组成的传统化石能源。太阳能这种绿色能源受到了世界各国的关注，利用太阳能发电也成为人类的研究重点。太阳能如下强势的优点：(1）人类在地球生存的历史与太阳的寿命相比，太阳对人类来说是无限存在的，这种资源取之不尽用之不竭 (2）太阳发射出来的能量对于人类来说十分巨大，太阳光线四十分钟内给予地球的能量，若被人类全部利用，可供应世界一年的能源消耗。（3）太阳能量的传递依靠太阳光，阳光对生物环境都没有危害，不存在浪费污染，只存在没有利用。（4）有阳光的地方就可以利用太阳能，是一种最公平
15、的自然资源。作为一种完全清洁的能源，在未来太阳能取代传统的化石能源，对人类发展的可持续性具有重大的意义。随着科研投入不断加大，相关技术的发展与成熟，现如今光伏发电技术可以应用在任何光照的条件下，为用户提供电能。当前研发不断取得突破性的进展，制造工艺逐渐成熟，系统组件的制造成本不断降低，在不远的将来，太阳能发电将由现在的补充能源上升到最普及的替代能源。 据国际能源署预测，到2020年，全球的总发电量中太阳能发电将占据2%的份额。许多发达国家都在积极发展可再生能源利用的研究， 据统计仅光伏电池年产量平均增速已超过40%，迅速“发酵”的国际光伏市场也带动了我国相关产业的快速发展。中国已经成为世界上最
16、大的太阳能电池制造国，未来太阳能光伏发电将会在世界能源消耗占据重要地位，不但会替代常规的化石能源，而且会在世界能源供应中的占据主体地位。估预测到2030年，可再生能源的利用在总能源中比例将达到30%，太阳能光伏发电量占到世界总电力供应量的10 %左右；预计到2040年，世界能耗中可再生能源的比重会占到50%左右，世界总电力中光伏发电的供给量达到20%；21世纪末期,可再生能源的供应在全球总能源结构中的比重将高达 80%左右，其中太阳能发电量将至少占据全球总能源的60%左右。这些数字足以勾画出太阳能光伏产业发展的美好前景，我国发展光伏产业在能源领域具有重要的战略地位。 中国是世界上第二大电力消耗
17、国，电能成为最重要的能源，电力短缺对中国经济发展的制约作用已十分明显，我国多个领域亟待进行节电改造。随着工业化的推进，中国人民生活条件的改善，我国电力需求量不断增大，如何保证电力充足供应得到中国政府的高度重视，太阳能发电技术对改善我国的能源结构具有促进作用。现今生态环境不断恶化，传统能源开采难度也不断加大，广泛使用绿色能源可以减少二氧化碳及其它有毒气体的排放，防治大气污染温室效应，对保护生态环境及能源的充足供应都具有重要意义。因此，研究太阳能这种绿色能源的有效利用具有强烈的紧迫性及战略意义。1.2 中国太阳能发电现状 我国太阳光年日照时数大于2000小时，资源量很丰富，年太阳能辐射总量大于13
18、89千瓦时每平方米的地区约占全国总面积的2/3，具有太阳能利用的坚实基础。中国太阳能技术的研究比发达国家晚，我国在1958年开启了太阳电池的研究项目，其成果首次成功应用在1971 年发射的“东方红二号”卫星上，1973年我国自产的太阳电池开始在港口面航标灯上应用。1979年我国开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池，使得太阳电池制造成本降低，并首次打开了应用的市场。当时生产的太阳电池面积较小，其电极采用的是真空蒸镀银铝的制作方法。到80年代中后期，中国开始引进国外太阳电池生产线和关键技术设备，当时我国太阳电池产能达4.5MW。 21世纪以后，中国对新能源的重视程度加大，随着投入的增加，在该
19、领域技术不断的进步，我国在光伏发电方面开始培养了一大批的科研人员从事新能源发展和推广。中国与发达国家的差距在一步步的缩小，到21世纪，国内光伏发电市场呈现加速发展趋势，年增长速度在20%左右，中国光伏产业的发展已具有初步规模，已广泛应用到国内生产生活的多个领域，如通信、交通、家庭生活用电等多个领域，其在航标灯塔、铁路公路等信号系统、微波中继站、高山气象站、边防哨卡独立电源、偏远山区等地域分散型用电领域都可发挥独特作用。 我国政府目出台一系列扶持光伏发电发展的优惠政策，在太阳能光伏发电的相关方面先后制定了发展的策略，并制定了相应法律法规。为太阳能发电技术的发展营造了积极的国内环境。 我国是世界上
20、最大的发展中国家，地域辽阔，电网范围不可能覆盖到全部区域，我国有8亿人口在农村，很多偏远的农村地区还用不到电，生活水平低下，生活极不方便。至目前资料显示，中国仍存在二万个无电村、多达上千无电的岛屿，至少2300万的居民缺少的电能供应，太阳能发电项目要优先服务处于无电、缺点的用户，家庭式太阳能发电系统的普及对我国改善民生，提高国民生活质量具有重要意义。为区域协调发展，为促进人民生活水平的提高，我国启动了“西部省区无电乡村通电计划”。主要由小型风力发电、光伏发电这两种途径解决西部地区七个省份无电乡村的用电问题。2010至2020年将继续推广，预计太阳能发电系统的安装量将达到100MW。中国政府的大
21、力支持对太阳能发电领域快速发展起了很大的推动作用。1.3 家庭式太阳能供电系统的现状 现阶段家庭式太阳能光伏发电系统主要解决用于无电、缺电地区的用电问题。在这些用户中，大多数都是偏远山区、牧区、移动性的养蜂户、林区单位，这些单位一般只需满足最基本的照明等生活用电需求，很适合用家庭式太阳能供电系统解决用电问题。家庭式太阳能光伏发电系统，若在无电、缺电地区以80%的保有量计算，加上国家推广的“光明工程”、“送电到乡工程”投资建设的大中型的光伏电站，能解决一百万户家庭的生活用电问题。资料显示，2010年底，太阳能发电累计安装容量达到70MW，农村地区的电力建设占到43%，而我国仍有三百万户家庭处于无
22、电可用的状态，今后我们要采用太阳能或风光互补发电系统来解决150万户家庭的用电问题。由于偏远山区受地域的限制，输配电设备很难架设，只能采用分散式的供电方式，即应用家庭式太阳能光伏发电系统。随着用户需求的不断提高，现有太阳能发电系统也亟需升级换代。因此，发展家庭式太阳能供电系统对我国有很现实的意义。2 太阳能发电系统2.1 太阳能发电方式简介 太阳能发电有两种利用方式：光-热-电转换方式和光-电直接转换方式。光-热-电转换方式： 收集太阳辐射的热能发电。通过太阳能集热器吸收太阳辐的射热能转换成蒸气的动能，由蒸汽推动发电机发电。前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发
23、电原理相似。这种发电方式的有很大的缺点，效率低成本高，只适用于小规模的特殊场合，不能大规模利用。光-电直接转换：将太阳辐射能直接转换为电能，即光电效应。光电转换的基本装置是太阳能电池，它是一种半导体光电二极管，只要有光照到光电二极管上时，利用光电效应，就可以把太阳的光能转变成电能，产生电动势。太阳能电池方阵就是由许多个电池串联或并联起来，以产生较大的功率。目前利用太阳能电池板发电被广泛应用，完全利用太阳能为一户家庭供电，已经得以实现并成熟应用。2.2 太阳能光电转化的基本原理 太阳能发电是根据光生伏特效应利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电系统主要构件：太阳能电池板、逆变器、控制器
24、三大部分。 太阳能电池板（Solar panel）有单晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物、柔性薄膜太阳能电池等。国产晶体硅电池转化池效率可以达到10-16%左右，国外同类产品转化效率高于国产其效率达到18%- 23%。 表2-1 各类太阳能电池转化最高效率种类单晶硅多晶硅非晶硅砷化镓铜铟镓硒多接串叠最高效率24.7%19.8%14.5%25.7%8.8%33.3% 光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成的电池板构成，在光照条件下，太阳能电池片将生产电动势，经过串并联的组合，得到系统所需要的电压。该电池板生成的电能，经过充放电控制器的调节后再对蓄电池进行充电，以保证流进蓄电池电能的质量，此时光能的
25、转变成可以利用的电能贮存到蓄电池中。无光照条件见下，充电后蓄电池组在控制器控制下向逆变器输入电流，通过逆变器的逆变作用，直流电转换成交流电，再送入配电柜，经配电柜切换作用，再对负载进行供电。基本原理如下图2-1所示：图2-1 光电效应原理图 光线照射在光伏组件上，光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发出来，产生空穴电子对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，被空间电荷的电场作用分离。电子向带正电的N区移动和空穴向带负电的P区移动。通过界面层的电荷分离作用在，P区和N区之间会产生一个向外可测试的电压（在硅片的两边加上电极接入电压表测量，晶体硅太阳能电池，开路
26、电压的典型数值大约为 0.5V -0.6V）。光伏组件面积越大，界面层吸收的光能越多，在界面层产生的电子-空穴对越多形成的电压也越大。 光线照在半导体P-N结上，形成空穴电子对，在P-N结内建电场的作用下，电子由P区流向N区，空穴由N区流向P区，接通电路后就形成电流，这就是光电效应太阳能电池的工作原理。2.3 太阳能蓄电池太阳光照射在光伏组件上，会产生一定幅度的直流电，能量由光能转为电能，经智能控制器将电能输送给蓄电池进行储存，电能转变为蓄电池中的化学能，需要时经化学反应蓄电池释放出储存的电能。太阳能蓄电池是具有很好的过放电和过充电的能力、很好深循环能力的蓄电池，在太阳能发电系统中作为能量储存
27、设备广泛应用。目前在我国广泛使用的太阳能蓄电池是：胶体蓄电池、铅酸免维护蓄电池。这种类型的蓄电池，具有“免维护”特性并且对环境污染较少、性能可靠，应用在无人值守的工作站点具有很大优势。特殊的工艺设计的胶体电解质可以提高电池的使用寿命，在较差工作环也能正常使用。2. 4 逆变器的基本工作原理 逆变器是把直流电（DC）转变成交流电（AC）的装置（国内负载多使用 220V 50Hz 正弦波）。光伏组件、蓄电池输出的是直流电能,而负载多为交流负载，电能须通过逆变器的转换（DC变为AC）,才能驱动交流电设备。逆变器在太阳能发电系统中占据重要地位，是系统的主要组成部分。图2-2 逆变器在太阳能发电系统中的
28、应用 太阳能发电系统的逆变电路是太阳能电池和蓄电池阵列所输出的直流电转变为正弦的交流电，经过低频滤波器过滤后，得到220V 50 HZ的交流电压。2 .5 家庭式太阳能供电系统的基本组成家庭式太阳能系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、交直流逆变器、充放电控制器、交流配电柜等设备组成。原理示意图如下：图2-3 户外太阳能发电系统模拟图图2-4 家庭式太阳能发电系统原理框图图2-5 家庭式离网发电系统原理示意图图2-6 家庭式太阳能并网发电系统示意图 该系统主要构件的作用如下所示： 太阳能电池在光照条件下，经光生伏特效应，产生电动势，把光能转换电能。太阳能电池板（Solar panel）由单晶或多晶
29、硅的太阳能电池片串并联，由EVA、TPT、钢化玻璃热压密封而成，是一种通过吸收太阳光，将太阳的辐射通过光电效应或光化学效应直接或间接的转换成电能装置。 蓄电池组是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。防反充二极管又名阻塞二极管，利用其特有的单向导电性能。防反充二极管串联在太阳 电池方阵电路中，为避免光伏电池方阵在无光照下不发电或者出现严重的短路故 障时，利用其自身的单向导电性，可以避免蓄电池组经过光伏方阵向外放电。板子串联，还要安装旁路二极管，并联要安装防反冲 二极管，防止板子间直接冲电 。防反 充二极管在电路中不会影响发电效果，只起保护作用。逆变器在太阳能发电系统中占据重要
30、地位，是系统的主要组成部分。逆变器是把直流电（DC）转变成交流电（AC）（我国一般为 220V 50Hz 正弦波）。光伏组件、蓄电池输出的是直流电能，而负载多为交流负载，电能须通过逆变器的转换（DC变为AC)才能驱动交流电设备。交流配电柜主要应用在电站系统中，保证系统的可靠运行，对线路电能进行计量、切换备用逆变器。3 主要构件的选择及应用3. 1 太阳能电池板的选择太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部件。目前，我国半导体材料研制技术已比较成熟，单晶硅、多晶硅材料产量稳居世界第一，出口欧美多个各国，近几年由于贸易保护主义使企业出口难度加大，欧美市场比例持续下降，国内成为较多企业生存的市场。实验多
31、晶硅光电转换最高效率为19.8%，转换效率适中，进口产品价格较高，国产多晶硅以其优越的性价比是太阳能电池的首选材料。选用的国产多晶硅太阳能电池板大约10RMB/W，其光电转换效率为13%至15%，性能稳定，性价比高，是理想的太阳能电池板。附：2013年度光伏行业的十佳组件企业（注：以下排名不分先后）英利绿色能源控股有限公司天合光能有限公司阿特斯阳光电力有限公司晶澳太阳能有限公司晶科能源控股有限公司昱辉阳光能源有限公司韩华新能源有限公司上海航天汽车机电股份有限公司光为绿色新能源股份有限公司中节能太阳能科技（镇江）有限公司3. 2 蓄电池的选择 太阳能蓄电池需要具备如下条件l 自放电率低 l 使用
32、寿命长 l 深放电能力强 l 充电效率高 l 少维护或免维护 l 工作温度范围宽 l 造价低 中国的太阳能发电系统中，胶体蓄电池、铅酸免维护蓄电池和普通铅酸蓄电池是广泛应用的三类电池。胶体蓄电池铅、酸免维护蓄电池具有“免维护”特性并且对环境污染较小，广范用在太阳能发电系统。在高温、高海拔或者低温等较差条件可选用电解质经特殊工艺设计的胶体蓄电池。配用200AH 以下容量的系统，一般选用小型的密封免维护铅酸蓄电池；配用200AH 以上容量的系统，一般选用固定式或者工业式免维护铅酸蓄电池。太阳能蓄电池的容量类型生产厂家不同价格也相差很多。由6个单体铅酸免维护蓄电池（12V 100AH）组成的蓄电池组
33、，可作为稳点可靠配件推广。图3-1 太阳能蓄电池3. 3 防反冲二极管的选择防反冲二极管串联在太阳能池池方阵电路中，仅起单向导通作用，不影响系统的发电效果。并且要求其可以承受足够大的电流，正向电压降小，反向饱和电流小，系统中一般应用适合的整流二极管。3. 4 太阳能控制器的应用太阳能充放电控制器简称太阳能控制器，是一种自动设备，在太阳能发电系统中，经其调整才可对蓄电池充电，蓄电池为负载供电也需要控制作用，以保证电能质量。太阳能控制器是由专用高速CPU微处理器、高精度A/D模数转换器、显示器、开关功率管等组成，是一个微机数据采集和监测控制系统，它还具有串行通信数据传输功能，可对多个光伏系统子站进
34、行集中管理和远距离控制。 由于光照强度的变化，太阳能电池组件产生的电流有很大的波动性，产生的原生电流直接流入蓄电池或直接连入负载，将会对蓄电池和负载造成损坏，严重影响系统的使用寿命。对蓄电池充电时，太阳能电池板产生的电流，优先送入太阳能控制器，经芯片电路对原生电流进行数字化调整，并加入多级充电保护，采用独有的“自适应三阶段充模式”控制技术处理后接入蓄电池组和负载，保证到了电能质量，使负载和蓄电池组安全运行。对负载供电时，蓄电池的电流经太阳能控制器调节后送入负载。经控制器处理得到稳定的电流保证负载正常工作，保护蓄电池不被过放电，此外还可以对蓄电池和负载进行一系列的检测，以保证系统稳定性。小型家用
35、系统，在远离大电网，用电负荷低且交通不便的地区，比如说边远牧区、海岛通信基站、无电户地区、微波站、边防哨所等，可采用SR-LM系列太阳能控制器。中小型太阳能电站系统，需用专用电脑芯片实现了智能化控制，需要详细的指示充放电电流、蓄电池电压、充放电电量、工作模式及各种故障，分析判断系统运行状态，可采用SR-LG系列太阳能控制器。 图3-2 太阳能控制器SR-LM和SR-LM系列产品图样3. 5 逆变器的应用光伏组件和蓄电池输出的均为直流电，一般为12V至48V，而国内的负载一般都是标准的220V。为得到220V的交流电，直流电要经过逆变电路的转化，光伏蓄电池阵列输出的直流电转变为正弦交流电，后经过
36、低频滤波器，得到工频50 HZ、220V的交流电供给负载或输入电网。逆变器就是将直流电（CD）转换成交流电（AC）的设备。图3-3 家用太阳能发电系统的逆变器电路 光伏蓄电池阵列 DC 直流滤波升压 RC 桥式正弦波振荡器工频逆变 运算放大器升压 滤波 接负载或并入电网。 运算放大器组成的 RC 桥式正弦波振荡器可将低压直流电转变为工频50 HZ的低压交流电 ,电路的振荡频率f= 1/ 2RC ,其中R = R2 = R3 , C = C1 = C2 , 起振的幅值条件为 Rf / R1 2，其中Rf = R4 + R5 + ( R6 / / rD ) , rD 为二极管正向导通电阻。运算放大
37、器将逆变后的工频交流电压升压为工频220V 的交流输出电压。 光伏组件或蓄电池的输出的直流电压，先经DC直流滤波电路升压后，再由运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡电路转变为工频50赫兹的交流电，然后经运算放大器升压得到220V交流输出电压，经滤波器滤波得到220V的工频电压，供给负载或并入电网。附：2013年度光伏行业的十佳逆变器企业（注：以下排名不分先后）阳光电源股份有限公司古瑞瓦特新能源有限公司正泰电源系统有限公司山亿新能源股份有限公司固德威电源科技有限公司特变电工新疆新能源股份有限公司欧姆尼克新能源科技有限公司株洲变流技术国家工程研究中心有限公司北京能高自动化技术股份有限公司艾伏新能源科
38、技(上海)股份有限公司4 家庭式太阳能供电系统的设计4.1 家庭式太阳能供电系统整体设计步骤系统建设地点地理及气象条件，如：纬度，经度，海拔高度，年最高、最低气温和月平均气温，年分月太阳辐射量，年日照时数，年最长连续阴雨天数，年平均风速及极限风速，灾害性地质及气候情况计算出太阳能电池方阵最佳倾角用电负载的特点及要求，允许的失电小时数，允许的输电电压初步确定太阳能电池方阵尺寸、额定功率、组件串并联数及组合式确定蓄电池组的容量及其连接方式确定控制器的规格型号确定逆变器的规格型号最终确定太阳能光伏发电系统及各部件的技术参数系统容量设计所要求的报价清单家庭式太阳能发电系统经济效益分析 家庭式太阳能发电
39、系统的设计分为软件设计和硬件设计，其中软件设计先线于硬件设计，包括：l 计算的负载用电量l 计算光伏方阵面的辐射量l 计算光伏方阵和蓄电池容量l 计算光伏方阵安装倾角l 逆变器的选型和设计l 控制系统选型和设计 系统中安装倾角、太阳能辐射量等计算比较繁琐，我们一般使用计算机完成；在要求不是太严的普通家庭系统我们一般采取估算法。设计计算需要的基本数据主要有：安装现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔等；安装地点的气象资料：太阳直接辐射量、逐月的太阳能总辐射量、太阳散辐射量；年平均气温，最高、最低温度；最长连续阴雨天数等气象资料。4.2 家庭式太阳能发电系统光伏组件的确定4.2.1 光伏方阵最
40、佳倾角计算 一般采用两种方法来布置光伏方阵：一种是安装向日跟踪系统；另一种是经计算确定最佳安装角度。第一种可以提高发电效率，但成本高，第二种虽然效率偏低，但性价比突出，被广泛采用。依据各向异性天空散射模型，纬度、倾斜角的斜面上，太阳辐射量为： （4-1）为倾斜面上的直接辐射量为水平面的散射辐射量为大气层外部的水平辐射量地面反射率（0. 2-0. 7） ，一般取 0. 2。（4-2）（4-3）在朝向赤道的斜面: 为太阳能常数 （4-4）其中为太阳纬度角，由 Cooper 方程近似得。 （4-5） 式中n 为一年中的日期序号，根据 Solar Engineering of Thermal Proc
41、esses Edited by John A.Duffie and William A. Beckman 推荐各月所取的典型日期见下表表4-1 各月所取的典型日期表月份123456789101112日期171616151511171615151410n174775105135162198228258288318344 上式中分别为水平面和倾斜面的日出时交。 （4-6） （4-7）在实际应用时，倾角的计算结果精确到1度己经足够。手工计算过程相当繁琐，我们可以计算机，利用相关软件，输入安装地点的地理数据导入气象资料，就可以显示出任意倾角下的平均日辐射量。（可用太阳能光伏系统设计软件PVSYST软件
42、进行相关计算）4.2.2 平均峰值日照时数的计算 利用辐射资料，历年逐月日平均太阳能辐射量可计算出全年平均日太阳辐射量.单位为 ，除以标准日太阳辐射照度，就可算求出平均峰值日照时数 （4-8） 历年逐月日平均太阳能辐射量的相关数据，可以从气象部门得到相关的数据资料，如果只有水平面的太阳辐射量，在实际的使用时须换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。可以用计算机软件RETscreen进行查询，该软件所用数据来自美国航天局（NASA）数据库，数据库中包含全球任何地方的气象资料和辐照数据。4.2.3 负荷的计算 负载的估算，是光伏发电系统设计重要内容之一。通常列出所有负载的名称、额定功率、额定工作电压和每天
43、工作时间。统计成表，如表4-2所示：表4-2 普通家庭日常负荷统计表家用负载电器名称耗电功率w数量每日工作时间h日耗电量Wh空调850 223400 烧水壶220010.51100 电饭锅75010.5375抽油烟机32010.5160 电饭煲75011750 电冰箱200151000照明40661440 电视15014.55675电脑250141000 洗衣机35010.5175 其他140140 总计705010215 由上统计可知，该负载总功率约为7050w，每天耗电量 L 约为10215Wh。4.2.4 计算方阵最佳方阵应输出电流最小输出电流 （4-9）L为负载每天总耗电量最小的峰值时
44、数，由方阵面上各月中最小的太阳能总辐射量计算出蓄电池充电效率取（ 0. 80-0. 90 )方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，取（ 0. 9-0. 95）方阵组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，取（ 0. 9-0. 95）最大输出电流 （4-10） 方阵的最佳输出电流应在 Imin 和 Imax 之间，具体数值的确定需进行实验获得具体实验方法：实验要获取一下数据，按预选的输出电流，确定该方阵的发电量，对蓄电池的充放电状态进行试验。计算公式如下： （4-11） （4-12） （4-13）其中： 按月求出方阵的输出发电量N当月天数L 负载每天总耗电量各月负载耗电量两者相减，E=EA-EL，若E0，则该月方阵的发电量大于负载的耗电量，可以给蓄电池充电；若E0，则月方阵的发电量小于负载的耗电量，不足的电能由蓄电池储存来补充，蓄电池处于亏损状态。若蓄电池全年荷电状态低于原设定的放电深度（ 一般取0. 5 ），则应该增加方阵输出电流。此外在必要条件下，还可以改变方阵倾角的值的大小，最终获得最佳的方阵电流。4.2.5 计算太阳能电池板工作电压为保证能对蓄电池有效的充电，光伏方阵的输出工作电压应足够大，在各季节方阵电压应满足： （4-14） （4-1