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1、太阳能光伏发电原理与应用课程设计课题名称： 家用独立型光伏发电系统的优化设计 专业班级： 激光应用01班 学生学号： 1009080102 学生姓名： 陈昀 学生成绩： 指导教师： 刘 国 华 课题工作时间： 2013.6.24 至 2013.6.28 武汉工程大学教务处 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、
2、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：北京； 2、使用多晶硅光伏电池； 3、负载表数量功率使用时间荧光灯818w/盏5h/天电视机，电脑2120w/个3h/天洗衣机1600wh/天电冰箱11000wh/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
3、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、2013.6.24 选题、分析查找相关资料、熟悉PVsyst软件 2、2013.6.25 提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计 3、2013.6.26 讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型 4、2013.6.27 写出课程设计报告初稿5、2013.6.28 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。
4、 3、PVsyst软件应用教程。指导教师签字：刘国华 2013年 6 月 1 日 教研室主任签字： 2013年 6 月 1 日四、课程设计摘要（中文）摘要：随着化石能源消耗的不断增长，世界性的能源危机和环境问题已经日益突出。在绿色可再生能源中，太阳能凭借其存储量无限、清洁安全以及易于获取等独特优点而受到了世界各国科研领域的普遍关注，太阳能光伏发电技术的应用更是普遍关注的焦点。所以，迫切需要对新的能源进行开发和研究。而太阳能的利用近年来已经逐渐成为新能源领域中开发利用水平高，应用较广泛的能源，尤其在远离电网的偏远地区应用更为广泛。本文就家用独立型光伏发电系统用户用电需求，根据北京的经纬度，气象、
5、环境状况及用户负荷状况，运用太阳能光伏发电知识设计了一种家用独立光伏发电系统，运用PVsyst软件对系统的电池板倾角、光伏方阵、蓄电池、控制器和逆变器等组件进行了优化设计与选择，最后用PVsyst软件对设计的系统进行模拟仿真。仿真结果显示: 该系统年度发电用户需求满足率为100%，方阵能量利用率在2至10月份较高一点，11至1月份发电量略有不足，需要进一步改进，故除冬季系统能量利用不高外，本设计能胜任用户用电需，并且模拟仿真的最终发电价格为每度电12.4元。进一步完善改进，可以用于实际生活之中。关键字：太阳能组件 独立光伏发电系统 PVsyst仿真五、课程设计摘要（英文）Abstract ：
6、As the fossil energy consumption growing, global energy crisis and environmental problem is increasingly outstanding. In green, renewable energy, solar energy, with its unlimited storage, clean and safe and easy access to their unique advantages, such as by countries all over the world universal att
7、ention in the field of scientific research, the application of solar photovoltaic technology is the focus of widespread concern. Therefore, urgent need for new sources of energy for development and research. And the use of solar energy in recent years has gradually become a high level in the field o
8、f new energy development and utilization, energy widely used, especially in remote areas far from the grid application more widely.In this paper, the domestic independent model user demand, photovoltaic power generation system according to the longitude and latitude of Beijing, meteorology, environm
9、ental conditions and the status of the user load, a household was designed by the use of solar photovoltaic power generation knowledge independent photovoltaic power generation system, using the panel Angle of the PVsyst software on the system, photovoltaic phalanx, battery, controller and inverter
10、and other components is optimized design and selection, and finally with the PVsyst software for the design of system simulation. Simulation results show that the system annual electricity user needs to meet at a rate of 100%, phalanx energy utilization in 2 to high point in October, January 11 to o
11、utput slightly insufficient, needs further improvement, so in addition to the winter system energy utilization is not high, this design capable of user demand, and further improved, and can be used in real life.Key words: solar components independent solar power system ; PVsyst六、指导教师评分评价内容具 体 要 求权重得
12、分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书
13、写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字： 年 月 日 七、答辩记录记录人（签字）： 年 月 日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）： 年 月 日课程设计总评成绩：（指导教师评分80%+答辩成绩20%）目录摘要错误!未定义书签。第1章 绪论91.1 设计背景91.2设计目的9第2章 独立光伏发电102.1独立光伏发电介绍102.2独立光伏发电原理10第3章 家用独立型光伏发电系统的优化设计113.1 环境参数113.2
14、 负载参数113.3倾斜角和方位角123.4 蓄电池容量及串并联数和太阳能电池的选择123.5控制器选型和逆变器的选型14第4章 软件仿真结果分析154.1 方阵日均输入/输出能量154.2 方阵日发电量164.3蓄电池平均充电电压状态174.4全年损耗分析184.5标准化产能分析194.6各项损耗204.7 系统能量利用率及用户需求满足率21第5章 经济评估22第6章 结语23参考文献24致 谢25第1章 绪论1.1 设计背景 在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形式下，太阳能光伏发电技术普遍得到各国政府的重视和支持。我国也在最近几年加快了可再生能源的发展，光伏
15、发电以它最具可持续发展这一特有的优势在中国能源结构中占据着十分重要的地位。太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、无机械转动部件、故障率低、维护简便、无人值守、建站周期短、规模大小随意和无需架设输电线路、方便与建筑物结合等特点，它已成为太阳能发电最基本、最普遍和最有前景的应用形式。1.2设计目的 能源是世界发展的源动力，随着石油等矿物能源的消耗，能源危机已经是世界面临的一大挑战，于是开发和利用新能源成立必然的趋势，而太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点：第一：它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地
16、球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。第二：地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三：太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。现今国内外都在大力发展太阳能，比如建造大型太阳能发电基地，建设太阳能的公共设施，太阳能的建筑一体化等等。本文将对一个独立光伏系统进行设计，并且采用PVSYSTEM该软件进行模拟和优化设计，从而达到进一步了解光伏发电系统的目的。由于同一地点每日天气状况，气候条件等限制，接收到的总辐射量不尽相同， 本文利用
17、可以查阅的近年来气象数据如海拔、经纬度、阴雨天数、最长连续阴雨间隔、风速、地面每平方米总辐射、散射辐射等信息，利用PVSYST 软件建立家用独立光伏发电系统模型。查阅相关文献，设置软件里面的一些参数，以月为单位来模拟光伏阵列的每月发电情况，使发电能够满足该地家庭用电的基本要求。第2章 独立光伏发电2.1独立光伏发电介绍独立运行光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和逆变器等。太阳能电池阵列是整个系统能源的来源，它把照射在其表面的太阳能转化为电能：控制器是整个系统的核心部件之一，可采用光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)、能量管理和变换器输出控制，其运行状态决定着系统的运行状态，系
18、统在控制器的管理下运行；蓄电池的功能在于，储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能，并在无光照时向负载供电；逆变器是将直流电变换为交流电的设备，太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电，因此当系统向交流负载供电时，逆变器是不可缺少的。独立光伏发电系统结构如图2.1直-交变换交直流负载光伏阵列控制器逆变蓄电池组直-直变换图2.1 独立光伏发电系统结构图2.2独立光伏发电原理光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电
19、位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。光伏电池是以半导体PN 结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光能转成电能的能量转换器件。目前的主要的太阳能电池是硅太阳能电池。用的硅是“提纯硅”，如光照强度、环境温度、降雨等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在。为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其制造工艺、组合安装，以及在设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏电池外特性的问题。第3章 家用独立型光伏发电系统的优化设计3.1
20、环境参数 设计用户地区位于北京，查询资料知：经度：116.7，纬度：39.56等利用软件PVsyst自动导入天气状况如图3.1。图3.1.1地理学的坐标图3.1.2北京天气情况的导入3.2 负载参数每日的用电消耗量：3040Wh/day 图3.2负载参数 在用户负载界面输入各项负载数据。统计日负荷平均耗电量时，增加5%的预期负荷留量，所以日均耗电总量为：3.04*1.05=3.2kWh。3.3倾斜角和方位角 方位角，在选取全年辐射的条件下，调节倾斜角，直到辐射损耗降至最小。 如图3.4图3.3倾斜角与方位角的优化3.4 蓄电池容量及串并联数和太阳能电池的选择蓄电池组的容量Bc 计算公式为 （3
21、.1） 公式（3.1）中A 为安全系数，根据情况在1.21.4 间选取；为负载平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；N 为该地区最长连续阴雨天数；为温度修正系数，一般在0 摄氏度以上取1，-10 度以上取1.1，-10 度以下取1.2；为蓄电池放电深度。为了达到系统的工作电压，需将蓄电池串联起来，为了达到蓄电池的总容量，需将蓄电池并联起来，但需要注意的是在实际应用中，应尽量减少蓄电池的并联数量（一般不超过4 组），进而减少蓄电池之间的不平衡造成的影响。如图3.4 （3.2） （3.3） （3.4） （3.5）太阳能电池的选择选用多晶硅太阳能电池，制造工艺为a-Si 。因此，利用pvstsy软
22、件得到数据，如图3.4图3.4蓄电池和太阳能电池的选择及串并联数 选取好负载之后，根据软件内置自动优化结果，合理选取蓄电池和太阳电池的型号。 3.5控制器选型和逆变器的选型 光伏方阵直流工作电压为24V，输出峰值电流为2.9818=53.1A。因此控制器应满足如下要求：额定工作电压为24V；额定工作电流应大于53.1A。故选择控制器Isofotonltel60，他的系统电压为24V，最大充电及最大负载电流为60A。用户总负载为1074W，由于负载总容量大于逆变器总功率的80%时，逆变器会发热过度从而减少使用寿命，故逆变器容量应大于1074/0.8=1342.5W。而PVsyst中逆变器有1.5
23、KW和3KW两种，故选择1.5KW型号。如图3.5图3.5控制器选型和逆变器的选型选择电池之后根据软件计算结果，在不超过要求电压电流或功率的条件下选择匹配度较好的控制和逆变器，随后便可进行仿真计算。第4章 软件仿真结果分析4.1 方阵日均输入/输出能量 图4.1方阵日均输入/输出能量图4.1为系统每日辐射能量与电能产出情况图，涵盖了一年中每一天的情况，每个点都为每天的平均输入产出情况。从图中我们可以了解系统的能量效率。斜率越高效率越高，图中斜率最高点为（6.1,4.9），其产能与当日每平方米辐射能的比率为0.8；斜率最低点为（2.9,0.3），图中某些点辐射很大但产能很低，主要是辐射导致电池板
24、温度升高发电效率降低。4.2 方阵日发电量图4.2电池每日输出能量 图4.2为系统每日输出的能量图，图中能量输出很不规则，这也是由于北京的气候情况导致的，阴雨天产能低而晴朗天产能高。从图中可以看到，能量输出较低并且比较连续的时间段有9月底，11月底，12月中旬和1月中旬，这可能是当时光照确实很低，再或者当时负荷情况导致最大功率跟踪点电压很低。 4.3蓄电池平均充电电压状态图4.3电池平均充电电压状态 图4.3中电池平均充电电压状态与用户需求满足率大致相当，7、8、11、12、1、2、3月份蓄电充电电压低，极有可能这几个月太阳辐照强度低，时间过短，从而导致发电量不足，不能满足用户需求。 4.4全
25、年损耗分析 图4.4年损耗图 如图4.4所示，北京地区全年平均辐照量为1343kWh/m，方阵的转换效率为4.7%，阵列的全年名义发电能量为1300kWh，阵列损耗中反射损耗4.5%，能量浪费4.7%，阵列全年有效输出能量985kWh，相比负载全年功耗1110kWh，完全满足需要。电池年损耗3.8%。4.5标准化产能分析 图4.5系统产能 图4.5所示为系统全年标准化产能，由图可看出2月至11发电量充足，在满足负载用电情况下，不仅满足蓄电池充满电，还有盈余，这与季节辐照增多是一致的，日照的时间多少是一致的。方阵在12月和1月份发电量略有不足，主要是北京位于北方，冬季受日照时间的影响，不过也勉强
26、可以维持。 4.6各项损耗图4.6该系统的损耗图像为防短暂的供电不足，本系统还加入了备用发电机，将个部分设定好之后软件自动计算出其各项损耗，如图4.64.7 系统能量利用率及用户需求满足率图4.6.1系统能量利用率及用户需求满足率图4.6.2多种仿真结果输出PR=系统的产出/光伏组件收集的能量=系统的能量利用率 SF=系统的输出/用户的需求=用户需求满足率 Globhor 水平总的辐射 Globeff 有效辐射 Eavail 可用的太阳能 Eunused 能量损失 Euser 可用的太阳能 Eload 负载所需的能量 Solfrac 一部分太阳能 由图4.6.1和图4.6.2可知该设计可以满足
27、用户要求。由图4.6.2数据显示3、4和5月份后能量损失多，其原因是夏季后辐照量增大、日照时间长，发电增多，过多的电量未能被负载消耗，又电池处于饱和状态无法充电，故多余电能浪费，这是该系统的一个缺陷。第5章 经济评估本次设计投资如下软件模拟处的结果如下图4.8图4.8经济评估由于我国对光伏发电系统有所补助，这里假设此项目税务为0，银行贷款利率为0。最终发电价格为每度电12.4元。第6章 结语 本设计应用结合光伏建筑一体化基本知识，结合小型用户用电量需求，并考虑到可靠性经济性，设计了一种满足小型用户使用的独立光伏发电系统。设计中，先通过简单计算确定太阳电池、蓄电池、控制器、逆变器等的设计参数及限
28、制条件，然后利用PVsyst软件对系统进行模拟仿真，最后对输出结果进行分析讨论。实验结果显示，该系统年度发电用户需求满足率为100%，本设计能胜任用户用电需求，进一步完善改进，可以用于实际生活之中。 近年来，随着能源危机变得越来越严重，全世界开始了对新能源的开发与利用。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、寿命长、无污染的优点，因而成为最具有前途的一种新能源。将太阳能应用于发电更是成为人们普遍都关注的焦点，一旦成功，利益无穷。参考文献 1陈耀. 独立光伏系统蓄电池的选择J. 电源世界, 2011, 6：4749. 2 周志敏, 纪爱华. 太阳能光伏发电系统设计与应用实例M. 北京:
29、电子工业出版社, 2010.3 李钟实. 太阳能光伏发电系统设计施工与维护M. 北京: 人民邮电出版社, 2010. 1. 4 杜宗伟, 姜凤利. 户用光伏发电系统设计与研究J. 农业网络信息, 2011, 11:3841. 5刘宏，吴达成，杨志刚，翟永辉.家用太阳能光伏电源系统M，北京：化学工业出版社，2007，1590.6 崔容强，赵春江，吴达成.并网型太阳能光伏发电系统M，北京：化学工业出版2007，2675.7 刘宏，吴达成，杨志刚，翟永辉.家用太阳能光伏电源系统M，北京：化学工业出版社，2007，1590.8 S.M. Shaahid；I. El-Amin。Techno-econom
30、ic evaluation of off-grid hybrid photovoltaic-diesel-battery power systems for rural electrification in Saudi Arabia-A way forward for sustainable developmentJ。Renewable & sustainable energy reviews，2009, 13(3)。9 Qiu Xinfa,Zeng Yan, et al. Estimation of annual actual evapotranspiration from nonsatur
31、ated land surfaces with conventional meteorological dataJ. Science in China(Series D: Earth Sciences), 2009, 3: 299 303.10 Egido M, Lorenzo E. The Sizing of Stand-alone PV- systems, A Review and A Proposed New MethodJ. Solar Energy Material & Solar Cells, 2008, 2651致 谢本文是在刘国华老师的悉心指导和关怀下完成的。感谢刘老师对我的辛
32、勤培育。从论文的立题到实验的设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他广博的学识，严肃的科学态度，严谨的治学精神，灵活的思维方式，耐心细致的言传身教深深感染激励着我，将使我终身受益。导师不但在学习上给予我耐心细致的指导，在生活中也给了我关怀，这份师恩我将终身难忘。同时感谢同组的同学在完成论文中给予的帮助。我们在这个月的实验中互相讨论、互相协作下建立深厚的感情有助于我们今后的工作和生活。另外，我要感谢在这几年来对我有所教导的老师，他们孜孜不倦的教诲不但让我学到了很多知识，而且让我掌握了学习的方法，更教会了我做人处事的道理，在此表示感谢。我还要向我的同学们表示感谢，感谢班上所有同学对我生活和学业上的关心和帮助。我为自己能够在这样一个温暖和谐的班级体中学习工作，深感温暖、愉快和幸运。最后向多年默默支持我和关心我，不断给我信心、支持我上进，特别是我的父母，在此向他们致以崇高的谢意！ 向在本文完成过程中给予我支持和帮助的老师、同学们表示谢意！谢谢！
