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1、毕业设计10kw小型光伏发电系统设计课 题：班 级：姓 名：学 号：指导老师：摘要：本文对10KW太阳能并网发电系统进行了研究和设计，整个设计包括了电池组件及其支架、逆变器、配电室、系统的防雷保护等各个部分的设计和孤岛效应的检查和防护，并且对系统的安装、调试、验收做了具体的安排。这套系统具有转换效率高、供电稳定可靠、安装方便、勿需维护等特点。对于常规电的一种补充和替代，这种环保的新能源会得到越来越广泛的应用。太阳能并网发电是太阳能电源的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。现在，大规模利用太阳能并网发电在许多发达国家已经成为现实。关键字：太阳能、并网发电，逆变器、转换效率,孤岛效应
2、一、绪论 在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。常规能
3、源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。 到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.54.5,最严重的后果是海平面将上升25145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，
4、释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努力，已具有一定的水平和基础。过去我国边远地区的光伏发电市场主要由国家投资项目和多边援助项目支撑。90年代以来，
5、随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行/全球环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示，我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各类公司和团体由80年代的不足10家，发展到1997年底的50多家，其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力。 光伏电池发电有离网(独立电站)和并网(市电并网电站)两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，所以光伏电池多用于工业部门（邮电、电力、石油、铁路等）和偏远无电地区的中小功率离网用户。随着光伏产品成本的降低和农牧民收入水平的
6、提高，太阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始向较大功率的交流系统和村庄供电系统发展；并且逐步向并网发电以及和建筑相结合(屋顶发电系统)的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。太阳能光伏电源的应用领域十分广阔，从数十瓦的户用照明系统到电信、电力、铁路、石油、部队等部门通讯设备数千瓦的备用电源系统，甚至在西藏阿里、安多等地区还建成几个数十千瓦的集中型太阳能光伏电站。 随着我国光伏事业的高速发展和应用领域的拓宽，从事太阳能光伏电源系统集成设计和安装的技术人员不断增加。由于太阳能光伏电源技术属于跨多学科的新兴学科，它涉及到气象、光学、半导体、电力、电子、计算机和机械等多种学科技术，要求从业
7、的技术人员应掌握广泛而深入的技术知识，才能合理设计使用和充分发挥价格较昂贵的光伏系统设备的作用。但是，目前国内有关光伏技术的书籍和资料大多是介绍太阳电池、蓄电池等器件原理和应用方面的基本知识，而系统阐述太阳能光伏电源系统集成设计和配套电子设备（光伏电源控制器、方波或正弦波逆变器及系统检测仪器等）应用的专业资料却很少。因此，北京市计科能源新技术开发公司根据多年来从事光伏电源系统集成设计、工程安装和配套电子设备生产的经验，组织编写了这本培训教材，试图帮助广大从事太阳能光伏行业的技术人员系统学习掌握光伏系统集成设计和配套电子设备的应用，更好地发展我国的光伏事业二、工作原理1.光伏效应光生伏特效应简称
8、为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。2.太阳能光伏发电原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差。3.并网发电系统的原理及组成太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。如下图所示:白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。图2
9、-1并网发电原理图4带有蓄电池的发电系统原理及组成太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图11所示。5.太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的
10、防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接组件的电气特性主要是指电流电压输出特性，也称为特性曲线，如图13所示。特性曲线可根据图13所示的电路装置进行测量。特性曲线显示了通过太阳能电池
11、组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即PVI 。I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压图1-3 太阳能电池的电流电压特性曲线当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零
12、，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1C每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为0.4%/C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳
13、辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度 1000W/m2大气质量系数 AM1.5太阳电池温度25在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到
14、10或更大。如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。6.充放电控制器：连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。
15、由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制)和PWM脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。开关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器，只能用MOSFET模块作为开关器件7.直流/交流逆变器将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。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
16、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将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。三、10KW太阳能并网发电系统设计3.1设计总则（1）太阳能并网发电系统在原有的线路基础上增加，采取尽量不改造原有回路的原则。因此，将光伏系统的并网点选择在并网点的低压配电柜上。（2）考虑到并网系统在安装及使用过程中的安全及可靠性，在并网逆变器直流输入加装直流配电接线箱。（3）并网逆变器采用三相四线制的输出方式。3.2电池组件及方阵支架的设计3.2.1电池组件选用型号为120（34）P1447x663，主要参数为：输出峰值功率120Wp、峰值电压17V、峰值
17、电流7.05、开路电压22V、短路电流7.5A。太阳能电池由18块串联成1路，共5路，需要120Wp规格组件90块方阵总功率为：120x18x5=10800Wp。太阳能电池方阵的主要技术参数为：（1）工作电压306V，开路电压396V；（2）工作电流35A，短路电流37.5A；（3）转换效率大于14%；（4）工作温度-4090。太阳能电池方阵的主要特点：（1）采用高效率晶体硅太阳电池片，转换效率高：14%；（2）使用寿命长：25年，衰减小；（3）采用无螺钉紧固铝合金边框，便于安装，抗机械强度高；（4）采用高透光率钢化玻璃封装，透光率和机械强度高；（5）采用密封防水的多功能接线盒。3.2.2方阵
18、支架及光电场设计太阳能电池支架采用混凝土标桩、槽钢底框、角钢支架（见支架基础图、支架加工图），支架倾角30度。3.3并网逆变器并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网。逆变器自带的显示单元可显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率，累计发电量、运行状态、异常报警等各项电气参数。同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。具有可靠性高、具有多种并网保护功能（比如孤岛效应等）、多种运行模式、对电网无谐波污染等特点。根据以上要求选用德国进口Line Back 10KW并网逆变器。本逆变器的特征如下：（1）无变压器，实现了小型轻量化。（2）功能模块化，可
19、根据需要制定出合理的安装模块。（3）有自立运行功能。停电时自动进行自立运行，向负荷供电。（4）自立运行或者并网运行时有相同容量的功率。（5）由显示单元，可显示输出功率、累计电量、运行状态及异常等内容。（6）带有通信功能，使用GS标准计量软件，可由PC机计量其电流、电压等值。（7）可全自动运行。（8）主要技术参数为：额定容量：10KVA；直流额定电压：300V，直流额定电流：37A；直流电压输入范围：160V480V；交流输出功率因数0.99，频率50Hz，三相AC220V；输出电流失真度：THD5，各次THD3；逆变器效率90%。3.4配电室设计由于并网发电系统没有蓄电池及太阳能充放电控制器及
20、交直流配电系统，因此，如果条件允许的话可以将并网发电系统逆变器放在并网点的低压配电室内，否则只要单独建一座46平米的低压配电室就可以了。3.5并网发电系统的防雷为了保证系统在雷雨等恶劣天气下能够安全运行，要对这套系统采取防雷措施。主要有以下几个方面：（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择光电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖一2米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。（2）在配电室附近建一避雷针，高15米，并单独做一地线，方法同上。（3）太阳电池方阵电缆进入配电室的电压为DC220V，采用PV
21、C管地埋，加防雷器保护。此外电池板方阵的支架应保证良好的接地。（4）并网逆变器交流输出线采用防雷箱一级保护（并网逆变器内有交流输出防雷器）。3.6系统建设及施工项目的施工包括：配电室及太阳电池支架的基础制作、配电室，太阳电池支架制作安装、太阳能电池方阵的安装、电气设备的安装调试、系统的并网运行调试。6.1施工顺序基础及配电室土建施工太阳电池支架制作安装太阳电池方阵安装调试电气仪表设备安装调试并网运行调试试运行竣工验收。6.2施工准备6.2.1技术准备技术准备是决定施工质量的关键因素，它主要进行以下几方面的工作：（1）先对实地进行勘测和调查，获得当地有关数据并对资料进行分析汇总，做出切合实际的工
22、程设计。（2）准备好施工中所需规范，作业指导书，施工图册有关资料及施工所需各种记录表格。（3）组织施工队熟悉图纸和规范，做好图纸初审记录。（4）技术人员对图纸进行会审，并将会审中问题做好记录。（5）会同建设单位和设计部门对图纸进行技术交底，将发现的问题提交设计部门和建设方，并由设计部门和建设方做出解决方案（书面）并做好记录。（6）确定和编制切实可行的施工方案和技术措施，编制施工进度表。6.2.2现场准备（1）物资的存放准备一座临时仓库：主要贮存并网发电系统的逆变器、太阳电池、太阳电池支架、线缆及其它辅助性的材料。（2）物资准备施工前对太阳能电池组件、方阵支架、并网逆变器等设备进行检查验收，准备
23、好安装设施及使用的各种施工所需主要原材料和其他辅助性的材料。7.设备安装部分7.1太阳电池组件安装和检验预埋太阳电池阵列架基柱，检查其横列水平度，符合标准再进行铁架组装。检测单块电池板电流、电压，合格后进行太阳电池组件的安装。最后检查接地线、铁架紧固件是否紧固，太阳电池组件的接插头是否接触可靠，接线盒、接插头须进行防水处理。检测太阳电池组件阵列的空载电压是否正常，此项工作应由组件提供商技术人员完成。7.2总体控制部分安装参照产品说明书的要求，对并网逆变器、太阳电池组件、交流电网的低压配电室按相应顺序连接，观察并网逆变器的各项运行参数，并做好相应记录，将实际运行参数和标称参数做比较，分析其差距，
24、为以后的调试做准备8.检查和调试（1）根据现场考察的要求，检查施工方案是否合理，能否全面满足要求。（2）根据设计要求、供货清单，检查配套元件、器材、仪表和设备是否按照要求配齐，供货质量是否符合要求。对一些工程所需的关键设备和材料，可视具体情况按照相关技术规范和标准在设备和材料制造厂或交货地点进行抽样检查。（3）现场检查验收：检查太阳电池组件方阵水泥基础、配电室施工质量是否符合要求，并做记录。此项工作应由组件提供商技术人员完成。（4）调试是按设备规格对已完成安装的设备在各种工作模式下进行试验和参数调节。系统调试按设备技术手册中的规定和相关安全规范进行，完成后须达到或超过设备规格所包含的性能指标。
25、如在调试中发现实际性能和手册中的参数不符，设备供应商须采取措施进行纠正，达标后才具备验收条件9.并网电站建设流程图现场勘查、工程规划、定位放线、场地平整太阳电池基础电站配电室建设支架、太阳电池安装电站围栏建设电缆连接敷设设备安装定位并网调试运行试运行验 收图2.并网电站建设流程图10.并网发电系统配置表序号名称规格单位数量备注1太阳能电池组件120W块902支架线缆套53逆变器10KW台1并网型3相4线4接线箱台15避雷器及接地设备套1避雷针高15米6配电室平方米4-6太阳能光伏电站系统概算名称规格数量单价总金额备注太阳能光伏组件120W90单晶硅/晨煜公司制造太阳能专用逆变器10KW1接电箱
26、111.10KW并网发电系统光电场配套图纸说明：光电场详细设计方案将在实地考察后具体设计。配套图纸：整体方阵正视图、单体侧视图、方阵正视图、方阵侧视图。四、经济和社会效益 太阳能光伏发电是独立的系统：它是由采集太阳光，转化为电能，通过控制和逆变设备，把直流电转换成为目前家庭用的220V的交流电，采用控阀式免维护密封太阳能专用蓄电池作为储能装置，能有效地为用户在任意时间提供电力。这种独立的光伏电站目前主要应用于与国家电网离得比较远的别墅，边远山区，城市郊区，农村，边防等。1.系统优点：（1） 结构简单，体积小且轻，使用方便，免维护（2）易安装，易运输，建设周期短，一次性投资，长期受益，无辐射，无
27、污染，节能环保。（3）清洁能源，安全，无噪声，零排放；（4）可靠性高，寿命长，可长25年；（5）太阳能几乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，；（6）转换效率高。2.节能减排：一般发电量的计算都是平均值，也就是说在太阳能系统计算中，每天都是晴天。这样的话，实际每天有10个小时的光照，但是计算中有效光照可能只有4个小时（地区不同，此数值不同）。10KW的太阳能光伏电站一般可以按10000W*0.6（各种损耗后的最佳利用比）*4（日平均有效光照）=24000WH (24度电) 10KW太阳能光伏电站平均每天发电24度，在寿命期25年之内共计可发电219000度。据环保专家测算：每节约1度电，就相应节
28、约0.35公斤标准煤、4升净水，同时减少0.272公斤碳粉尘、0.997公斤CO2、0.03公斤SO2。10KW太阳能监控系统使用寿命为25年，发219000度电，可达到以下环保指标：1、节标准煤：0.35kg2190001000=76.65吨。2、减少碳粉尘：0.272kg2190001000=59.57吨。3、减少CO2排放：0.997kg2190001000=218.34吨。4、减少SO2排放：0.03kg2190001000=6.57吨。5、节水：4升2190001000=876吨净水。由此可见，太阳能光伏电站应用于运行，将充分推进了可再生能源的开发和利用，体现了节能减排政策的优越性，而且可以彰显我们环保节能新理念，这对我们建设资源节约型、环境友好型城市，实现绿色转型，将有着极为重要的意义。设计小结：
