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1、类型：课程设计名称：6KW家用屋顶离网光伏电站设计关键词：屋顶离网光伏发电系统；容置设计；设备选型；蓄电池；经济性分析第1章前言1.1 能源与环境问题能源与环境是世纪国际社会共同关注的重大问题长期以来，人类社会在改造自然发展经济的同时，由于不合理地开发利用自然资源，酿成了全球性的环境污染和生态破坏,对人类的生存和发展构成了影响深远的威胁。能源是人类生产生活赖以生存的基础，也是现代经济发展的重要支柱，同时也是国家经济发展的重要战略物资。能源的合理开发和有效利用关系到世界的未来，当今世界正面临着人口与资源、社会发展与环境保护等多重压力的挑战，而支持社会发展的传统能源资源储量却越来越少，因此，开发新
2、能源和可再生能源特别是把它们转化为高品位能源，以逐步减少化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展的重大措施。目前占主导地位的是化石能源但由于其使用过程中可产生大量污染且具有不可再生性因而人们一直在探寻新的清洁能源及可再生能源其中最引人注目开展研究工作最多应用最广的就是太阳能。12光伏发电简介1.2.1光伏发电类型太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式,包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式。1.2 .2光伏发电的主要应用领域与我国飞速发展的光伏制造业相比，光伏应
3、用领域的前进步伐明显滞后。从当前光伏发电领域来看，已广泛用于航天、通讯、交通，以及偏远地区居民的供电等领域，近年来又开辟了太阳能路灯、草坪灯和屋顶太阳能光伏发电等新的应用领域。1.3 .3光伏发电优缺点光伏发电的优点主要体现在：一是无枯竭且安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；二是不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势在无电地区，以及地形复杂地区使用；三是无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电且能源质量高；四是建设周期短，获取能源花费的时间短。五是可靠性高,寿命长,并且应用范围广。光伏发电的缺点主要体现在一是照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；二是获得的能源同四季、
4、昼夜及阴晴等气象条件有关；三是产生的电力接入电网需要增加无功补偿设备；四是储能困难；五是发电成本离，在无政府补贴的情况下，与居民用电价格相比无竞争优势。1.3.4 国外太阳能发电技术的应用现状太阳能光伏发电产业自世纪年代以来持续高速发展,每年以30%40%的速度递增。光伏发电技术的应用在当今世界,特别是在非洲、南美、澳洲及亚洲等各国,普遍受到重视。尽管利用太阳能光伏发电具有许多优点,但是其发电的价格比常规电力价格高出许多,在电力市场上无法与常规能源进行竞争。20世纪90年代以前,太阳能光伏发电主要应用在边远的农村无电地区以及远距离通讯、光伏水泵等产业领域。为了鼓励太阳能的开发和利用，各国政府分
5、别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美日德等西方发达国家为主。1.3.5 我国太阳能发电技术的应用现状我国的光伏电池技术是从20世纪60年代时发展空间用太阳能电池开始起步的，地面用太阳能电池的生产是从70年代初期开始，主要的低成本技术及生产能力则是在80年代中期建立起来的,90年代以来是我国光伏发电产业快速发展的时期光伏组件生产能力逐年增强成本不断降低市场不断扩大装机容量逐年增加,2006年累计装机容量达35MW约占世界份额的3%0目前我国的太阳能产业规模已位居世界第一是全球重要的太阳能光伏电池生产国。1.4 论文选题意义太阳能作为一种绿色、可再生能源，越来越广泛地受到各
6、国政府的关注，太阳能光伏发电技术也逐渐成为热点研究问题。光伏电站的建设数量逐年增加，屋顶光伏电站的建设也在不断增加。通过建设屋顶离网光伏电站，可以有效地利用建筑物屋顶，无需占用宝贵的土地资源。离网光伏电站可以自发自用，而且光伏电站的不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，是造福社会的一件好事。离网光伏电站经过合理的设计能够使系统运行效率提高。14本论文的主要工作太阳能作为一种绿色、可再生能源，越来越广泛地受到各国政府的关注，太阳能光伏发电技术也逐渐成为热点研究问题。太阳能光伏电站的设计方案直接影响到电站的运行性能，电站的运行性能也从很大程度上反应着电站设计方案存在的问题。因此，太阳能
7、光伏电站的设计具有十分重要的意义。本课题主要研究了太阳能光伏发电系统设计，其中包括：(1)课题研究背景、光伏发电简介、意义及国内外发展现状；（2）光伏电站系统结构、分类及原理；（3）系统容量设计；（4）设备选型设计（光伏组件、汇流箱、控制器、逆变器、蓄电池等）；（5）经济性分析。第2章光伏电站介绍2.1光伏发电系统的工作原理太阳能电池通过光生伏打效应的原理，将光能变换为电能。在太阳光的照射下，当光伏电池吸收一定的太阳辐射能后，其内部产生光生电子一空穴，然后在内电场的作用下，光生电子一空穴对被分离，集中在电池两端，则在电池两端出现异号电荷积累，即产生光生电压。2.2光伏电站分类2.2.1离网型光
8、伏电站离网型光伏发电系统是指没有任何辅助电源光伏发电是唯电力来源的电源系统。通过太阳能光伏方阵将太阳辐射能转化为直流电能，再经过逆变器（直流供电无需逆变）将直流电能逆变为220V或380V交流电能，逆变输出的交流电未并入公共电网，而是直接供交流负载使用，这样的一个发电系统被称为太阳能离网型发电系统，也称离网光伏电站。2.2.2并网型光伏电站并网型光伏发电系统就是太阳能组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约
9、了占地空间，还降低了配置成本。2.3离网光伏电站结构2.3.1离网光伏发电系统组成及工作原理离网光伏发电系统结构如图2.1所示，主要由光伏阵列、汇流箱、控制器、蓄电池、逆变器和负载。图2.1离网光伏发电系统结构离网光伏发电系统的工作原理是在太阳光的照射下，太阳能电池方阵吸收太阳光将其转化成电能，在充放电控制器的作用下将产生的直流电直接驱动直流负载工作，或者通过交流逆变器的逆变功能将直流电转换为交流电为交流负载供电，同时将多余的电量通过控制器的智能充放电控制储存在蓄电池组中，在夜间或阴雨天时，则由蓄电池组向负载供电。2.3.2离网光伏发电系统各部件功能（1）太阳能电池组件（光伏阵列）。太阳能电池
10、组件也叫太阳能电池板，是光伏发电系统的核心部分。其作用是吸收太阳光并将其转化成电能后,在防反充电二极管的控制下为蓄电池组充电，也可以直接用于推动负载工作。（2）光伏汇流箱。在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连线使用到汇流箱。其作用是将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入到光伏汇流箱中。（3）控制器。控制器的作用是不但控制整个系统的工作状态,还能对蓄电池起到保护作用，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时,控制器将自动切断负载，当蓄电池达到过充电状态时,控制器将自动切断充电电路。有的控制器能够显示
11、独立光伏发电系统的充放电状态,并能贮存必要的数据,甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。直流或交流负载通过开关与控制器连接。（4）蓄电池。蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽、价格低廉。（5）逆变器。逆变器是把太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载使用的设备。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。2.3.3离网光伏发电应用（1）独立光伏电站在实际用电需求量较大的海岛、比较偏远的山村，可以利用独立光伏电站为其
12、供电。规模一般都在几千瓦到几百千瓦之间。（2）风光互补发电风光互补发电系统指的是在光伏发电系统当中再加入风能发电系统，来补充仅靠光伏发电系统本身无法独立提供足够电能的电能需求地区。它的规模一般比较大，目前最大的甚至能达到兆瓦级。（3）户用光伏发电系统户用光伏发电系统主要指的是用作照明和小型家电的电源，其次也有用在对外无人设备的供电方面，如广播差转台、通信塔、灯塔等。也可为小区住户本身供电，规模一般在几十到几百瓦。目前太阳能光伏发电系统的应用形式和规模各异。其应用形式多种多样，在空间、交通、通信、家用等领域已得到广泛的应用。其规模跨度很大，大到兆瓦级的光伏电站，小到公路两边的太阳能路灯；尽管光伏
13、系统存在着以上差异，但其工作原理和系统结构基本相同。2.4并网光伏电站结构2.4.1并网光伏发电系统组成及工作原理并网光伏发电系统结构如图2.2所示，主要由光伏阵列，直流汇流箱，直流配电柜,并网逆变器，蓄电池，监测显示装置，交流电网，交流配电柜，交流负载构成。光伏阵列匕|直流汇流箱匕图2.2并网光伏发电系统结构并网光伏发电系统的工作原理是太阳光照射在太阳电池板表面,太阳电池阵列输出直流电,经最大功率点跟踪控制、并网逆变器后,产生交流电,供本地交流负载使用，多余的电量反馈给电网,从而实现太阳能的充分利用。2. 4.2并网光伏发电系统分类(1)集中式大型并网：其主要的特点是将逆变器输出的交流电输送
14、到公共大电网中，通过统一的调配供用户使用，电流的方向是单方向的，主要应用于大型光伏电站的并网，地理位置离负荷点较远。建设这种大型并网光伏电站,投资巨大、建设期长,需要复杂的控制和配电设备,并要占用大片土地，同时其发电成本目前要比市电贵数倍，因而发展不快。(2)分散式小型并网：其主要特点是将逆变器输出的交流电能直接供给用户负载，如出现过剩电能或者不足电能可以通过与公共电网联络进行调节，与电网能量的交换是双向的，主要适用于小规模光伏电站。2. 5家用太阳能光伏发电的现状及发展前景至2007年底，已有大约75万套家用太阳能光伏发电系统进入用户家庭，在这些用户之中，大多数都是牧区的牧民家庭，这些家庭的
15、通电水平还比较低，一般只能满足基本的照明需要，除此之外，还有林区和农区的农户和养蜂户以及无电的学校、商店等小单位已在使用家用太阳能光伏发电系统，还有一些缺电地区的城镇居民，也成为家用太阳能光伏发电系统的用户。由于居住条件的限制，大多数用户只能采用分散的供电方式，即采用家用太阳能光伏发电系统。而许多已经用上光伏系统的用户也将升级换代，提高用电水平。因此，我国的光伏市场潜力仍然很大。在人口稠密的都市中，光伏发电系统也正在起着越来越重要的作用。没有油田煤矿的温州拥有许多的屋顶，每天只要有阳光，每个屋顶将会是一个小型的绿色发电厂。这将很大缓解温州的用电紧张。第3章家用屋顶离网光伏发电系统容量设计2.1
16、 家用屋顶离网光伏发电系统规划设计方法家用屋顶离网太阳能系统主要有太阳电池组件、汇流箱、控制器、蓄电池、逆变器以及交流等构成,没有多少部件,看似简单,但要真正做到比较理想的设计却非易事。首先，由于光伏发电得依靠太阳能辐射,所以要尽可能的掌握当地的气象、环境状况。其次,还要考虑用户的用电需求情况,然后在这两者的基础上，需要对几十个参数做出综合考虑和计算,才能最大限度发挥系统各部件的性能。家用离网光伏发电系统容量设计步骤如图3.1所示。图3.1家用离网光伏发电系统设计方法3. 2气象资源获取无论是设计离网系统还是并网系统，首先要收集现场的气候地理数据。由于太阳辐射的随机性，无法确定光伏系统安装后电
17、池阵列上各个时段确切的太阳辐射量，只能根据气象台记录的历史资料作为参考，由于我国当前具有太阳资源测量的气象站较少，在实际工程项目中，我们一般采用RETScreen软件来获取当地太阳资源。图3.2为利用RETScreen获取浙江温州的太阳资源。由此可得该地区每月平均每天气象资源如表3.1所示。RETScreen国家地区省/州气假数据地点I中国I二JI ZheZngJJI WenzhouF纬度经度北.东I280朱源1207海极I*7地面供热设计温度I程氏度I2.4地面供泠设计温度msI32.7地面士堵温度振幅II14.5NASA空气温度*取理度大气压力风速土地温度每月的来暧度日技供泠度日数I般氏度
18、%度平方米/0千帕I米做I舞氏度|相氏度日效|需氏度日效0 0501923S0441S61S614S3双17716776775918 LLLL1.LL2L425887751519517678408359ZZZ3.4，S43.3.223.% 511407045860 47.1L3(6. 1953l 77888S&8777783 88 116 164 21.3 247 28 1 28 1 25.1 207 159 105月月月月月月月月月月月月 二=二四五六七八加十二一 +图3.2RETScreen气象获取表3.1浙江温州气象资源（每月平均每天）月份辐射量(MJm7d)峰值日照时数（hd）1月8.
19、702.422月9.332.583月10.102.874月13.803.755月14.914.156月14.984.197月19.305.518月17.524.769月13.903.7810月12.253.4011月9.802.8312月9.622.703.3系统配置原则普通家庭的太阳能光伏发电系统一般设计用于固定使用，但由于目前的太阳能光伏发电产品普及率不高，所以在配置光伏发电系统时，应考虑系统整体牢固耐用，减少因外力破坏的可能。此外，为了维护维修方便应尽量选用组装简单、通用性强的产品。3.4系统负载用电需求分析由于家用用电设备中存在较多待机电气设备难以用额定功率及用电时间求取耗电量，最为简
20、捷的方法就是通过月平均耗电量来核算电气设备每天耗电量。但是，对离网光伏发电系统来说要保证系统全年缺电率为零。只要保证该系统在耗电量最多的月份或时间段内，且光照资源等气象因素最差的情况下能正常可靠运行就可。如果能保证上述最恶劣情况下，系统能正常运行那么该系统也能满足其他时间段的用电需求。所以从我国浙江省家庭负载运行情况来看冬季2月份是用电高峰期同时也是光照资源最差的时间段。假设一家庭用电设备在冬季2月达到最高耗电量320kWh,可得平均每天耗电11kWh0用户平均日用电量如表3.2所示。表3.2家用电器平均日用量负载类型规格功率数量运行时间消耗电能照明节能灯9W56270Wh台式计算机液晶显示1
21、00W16600Wh打印机激光打印机250W11250Wh液晶电视机34寸150W16900Wh微波炉500W11500Wh抽油烟机250W11250Wh冰箱150L100W1242400Wh空调1.51200W133600Wh电热水器储水式1000W122000Wh其他小家电300W1300Wh合计3859W11070Wh3.5离网系统直流电压确定系统直流电压U也称为系统电压，其实是蓄电池、控制器、逆变器输入端的直流电压值常见离网系统直流电压12V、24V、48V、96V、IlOV等。根据本项目实际情况结合后续蓄电池组逆变器控制器的选配情况本方案系统电压设置48Vo3.6光伏阵列总容量设计在
22、设计太阳能电池组件的容量时，一方面要考虑当地气候环境条件,这个因素决定系统的可发电量；另一个方面要考虑用户用电需求量,这是系统需要提供的电量,要求两者相当。光伏阵列总容量就是系统所有电池组件容量之和。光伏阵列总容量的大小主要与负载日耗电量有关。有如下关系：GpX=G/(3.1)r=小X2)GP=HXPB(3.3)式中GP表示组件日发平均电量，单位KWh,G/表示负载每日平均耗电量单位kWh,为系统转换效率，包括充电效率系数小,一般取0.9；逆变器转换系数以，取0.9；组件损耗系数小，取0.9；H表示当地日峰值日照时数单位h,Pb表示光伏阵列最小总容量单位w。在此家用屋顶离网系统中冬天2月为耗电
23、量最大时间故在上述光伏阵列总容量的峰值日照时数必须采用冬天2月的平均峰值日照时数。所以家用屋顶离网光伏发电系统负载日耗电IIkWh而且上述峰值日照时数为2.58h,则可得光伏阵列总容量PB为5.85KW0上述光伏阵列总容量为该家用离网光伏发电系统实际最小容量实际略大于该值。故拟建6KW家用屋顶离网电站。第4章家用屋顶离网光伏发电系统设备的选型设计4.1光伏组件选型及设计4.1.1光伏组件的选型光伏电站太阳能电池种类应选用技术成熟、转换效率较高、已规模化生产的且在国内有工程应用实例的太阳能组件作为光电转换的核心器件。广泛使用的硅光电池大致可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅这3类硅光电池。其中单晶硅转换
24、效率最高，但是价格昂贵，通过转换率、成本等各方面因素考虑，多晶硅光伏电池的性价比略高。如表4.1所示，转换效率最高的单晶硅光伏电池，成本也是最高的，制作工艺复杂，生产过程耗能最高。多晶硅光伏电池虽然转换效率低于单晶硅，但制作相对简便，生产过程中耗能也低于单晶硅，市场占有率最高。非晶硅光伏电池转换效率最低，生产过程中耗能最少。表4.1光伏电池对比表种类转换效率/%原材料生产成本优点单晶硅15单晶硅高最广泛获取的原料，最成熟多晶硅12多晶硅较高制造简便，市场使用量最大非晶硅8非晶硅较便宜对于弱光下性能控制好，价格相对便宜综合考虑，本课题选用由佛山德九新能源光电有限公司生产的250W瓦多晶太阳能电池
25、板，共需24块组件。组件详细参数如表4.2所示。表4.2太阳能电池DJ-156P250规格参数产品型号DJ-156P-250峰值功率(Pmax)250Wp峰值工作电压(Vmpp)34.4V峰值工作电流(Tmpp)7.27A开路电压(Voc)34.4V短路电流(ISC)8.05功率偏差(正)+3%功率偏差(负)-3%电池片类型多晶硅温度特性-4085最大系统电压100OV保险丝额定电流20A4.1.2光伏组件串并联设计在离网光伏发电系统中电池组件串并联后要通过控制器给蓄电池充电此时串联后的组件峰值电压Uf必须满足下列关系。MxUP=Uf(4.1)Uf=4U(4.2)式中l为单体电池组件的峰值电压
26、，火为组件串联后的峰值电压，以为充电电压系数,取值范围为1.40T.49。U为系统电压，其电压为48V。所以组件串联后的峰值电压应在134.4V-143.OV范围内。故本项目的组件实行2串12并。4.1.4光伏阵列设计及安装方式光伏组件方阵的安装形式对系统接收到的太阳能辐射量有很大影响，从而影响系统的发电能力，其主要安装方式有固定式、单轴跟踪式和双轴跟踪式。对于离网光伏发电系统由于受其环境影响，光伏阵列将更多的采用固定倾斜角放置方式。光伏阵列的设计如图4.1所示。南:图4.1光伏阵列的设计4.1.3光伏组件的最佳倾角对于全年负载均匀的固定式光伏方阵，如果设计斜面的辐射量小，需要更多的太阳电池来
27、保证向用户供电；如果倾斜而各月太阳辐射量很大，需要大量的蓄电池来保证太阳辐射量低月份的电力供应。这些都会提高整个系统的造价，因此确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统中一个不可缺少的重要环节。为了使太阳能电池获得最大的发电量，需要考虑设计太阳能电池方阵的最佳倾斜角。倾角的不同造成各个月份方阵面接受的太阳辐射量差别很大。在家用系统中，鉴于系统造价、用户使用条件和可能发电增益的考虑，最佳倾角可以根据当地纬度有下列关系粗略确定如表4.3所示。表4.3光伏电池方阵倾斜角度纬度太阳能电池方阵倾角025等于纬度2640+5IO04155+101555+1520离网系统应考虑一年里发电量的均衡性，尤其是冬季低发电
28、量问题，而不是使系统在一年内获取最大太阳资源。所以对于本课题的离网系统倾斜角主要是保证在冬天2月份获取最大辐照度，为了获取更优倾斜角可以采用Retscreen软件进行分析图4.1为浙江温州地区3种倾斜角获取太阳资源的情况。IIBa例和fi 期 5fl 胡 朗 ) 十月 +一月 +K!151Mrs)s3r5 34 4543322*Im2。 20 2 SM 482 48 SX 471 3J 337 3 XHtwo月，方*日一月2 422”WBRZKSfl4IS411$513+3420+Z2力Ula)倾斜角20度“(b)倾斜角30度一(C)倾斜角40度，图4.2 RetSCreen倾斜角设置计即I从
29、图4.1中可以看出倾斜角为30度时，该地区2月份可以获取最大太阳资源其日峰值日照时数为2.58h,同时年平均日峰值口照时数也获取较大达到2.88h。故倾斜角设置为30度4.2光伏汇流箱的选型为了降低光伏组件阵列和逆变器之间的连线的复杂难度、减少损耗、方便维护、提高光伏系统的安全性和可靠性，可在光伏阵列和逆变器之间接入智能汇流装置。通常智能汇流装置都采用汇流箱的使用形式。可将一定数量的相同规格的光伏组件串联后，再将其并联接入光伏汇流装置，在汇流装置内汇流后，通过内部直流断路器输出，最后经光伏逆变器。本课题选用由安科瑞电气股份有限公司生产的智能光伏汇流箱。智能汇流箱详细参数如表4.4所示。表4.4
30、智能汇流箱APV-Ml2规格参数产品型号APV-M12输入路数12路输入范围DC20A绝缘电阻210OMO温度/湿度工作温度：-25+60,湿度95%,无凝露、无腐蚀性气体场所机壳防水等级IP654.3光伏控制器的选型为了更高效率的利用太阳能，使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠的工作，提高蓄电池使用效率，延长光伏发电系统的运行时间等一系列问题，从而引入光伏系统控制器。光伏控制器可实现蓄电池充放电控制、系统保护、系统状态显示、系统数据存储、故障报警、温度补偿、远程通信控制、防逆流等功能。本课题选用由合肥伤尚硕新能源有限公司生产的高性能太阳能控制器。高性能太阳能控制器详细参数如表4.5所示。表4
31、.5高性能太阳能控制器参数系统电压48V系统电流30A空载损耗15mA太阳能输入电压100V超压保护66.OV1%超压恢复60.0l%温度补偿系数-4mVoC2V工作温度-25+60防护等级IP304.4光伏逆变器的选型据不完全统计，当今世界上绝大多数国家民用电都为纯正弦波交流电。而绝大多数用电设备，不管是工业的或者民用军用的，不管是大至功率几千瓦的机床，或是小至我们日常使用的电脑电视等。日常生活中的设备大部分采用的是220V、50HZ的交流电而光伏发电技术产生的电流又为直流电，因此家用太阳能电源系统中加入逆变器。逆变器是太阳能光伏发电系统最关键的电气设备之一，逆变器的好坏直接关系到系统效率的
32、高低。逆变器的逆变效率随着负载变化而变化，逆变器最大逆变效率对系统不具有决定意义。负载长时间工作点对应的逆变器效率，才具有实际意义。逆变器的种类多种多样，按照分类的方法的不同，可分为不同种类的逆变器。按输出的电压波形分类，则为方波逆变器、修正波逆变器、正弦波逆变器。其中正弦波逆变器的优点是性能最好，输出波形最好，干扰、噪声方面相对最低，功能完整，带保护。故本课题选用由桑尼电子有限公司生产容量为6KW纯正弦波带稳压充电的逆变器。纯正弦波带稳压充电逆变器的详细参数如表4.6所示。表4.6纯正弦波带稳压充电逆变器XD-6000VA规格参数产品型号XD-6000VA产品功率6000W输入电压48V输出
33、电压220V输出波形纯正弦波温度O0C-40保护特性欠压、低压、过压、过载保护、输出短路保护、过温保护湿度10%90%（无凝结）频率50Hz0.5Hz4.5蓄电池的容量计算及选型4.5.1蓄电池如果将光伏电池组件产生的电能直接用于生产，会出现电流、功率等不稳定的情况这对生产设备的损害极大。鉴于这种情况家用太阳能光伏电源系统中采用蓄电池搭配使用。蓄电池，即可反复充放电使用的二次电池，可以提供给负载稳定、方便、可靠的电源。离网光伏发电系统中，蓄电池组的加入保障了离网光伏系统的稳定正常工作，而且还能将太阳能电池发出的多余的电能储存起来。4.5.2蓄电池种类目前，光伏发电系统贮能用蓄电池的需求量在蓄电
34、池的市场销售中所占份额很少，开发和生产在性能上更适合贮能用的蓄电池尚未引起足够的重视。光伏系统用的蓄电池主要有光伏发电储能专用铅酸电池、固定型铅酸蓄电池、阀控式密封型铅酸蓄电池、碱性蓄电池。大多数用户采用开口式固定型铅酸蓄电池，有的为减少维护工作量选用密封铅酸蓄电池。光伏发电贮能专用铅酸蓄电池在国内尚无光伏发电贮能专用铅蓄电池技术标准和检测标准，一些厂家虽在开发、试制专用贮能铅酸蓄电池方面进行了努力，但技术不够成熟、品种少因此，目前选用完全适合光伏发电用的贮能铅酸蓄电池仍受到一定限制。固定型(开口式)铅酸蓄电池主要用作通信电源、发电厂和变电所以及其它固定场所的备用电源这种铅酸蓄电池的优点是：容
35、量大，单位容量价格便宜，使用寿命长和轻度硫酸化可恢复。与起动用蓄电池相比固定型蓄电池的性能更贴近光伏系统的要求，因此目前在功率较大的光伏电站中多数采用固定型(开口式)铅酸蓄电池。开口式铅酸蓄电池的主要缺点是：需要维护，在干燥气候地区要经常添加蒸储水，隔一段时间还要检查和调整电解液密度。阀控式铅酸蓄电池与开口式铅酸蓄电池相比，主要优点是不需专门的维护，即使倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾，安全性能更好。缺点是对过充电敏感，因此对过充电保护器性能要求高，当长时间反复过充电后极板易变形，比普通开口铅蓄电池价格高。近年来，国内小功率光伏电源已选用了阀控式铅蓄电池，目前离网型光伏电站也大多
36、都已采用阀控式铅酸蓄电池。随着工艺技术的不断提高和生产成本的降低，阀控式铅酸蓄电池在光伏发电领域的市场将不断扩大。目前常见的碱性蓄电池有镉银电池和铁银电池。碱性蓄电池(指镉银电池)与铅酸蓄电池相比，主要优点是对过充电、过放电的耐受能力强，反复深放电对蓄电池寿命无大的影响，在高负荷和高温条件下仍具较高的效率，维护简单，循环寿命长。缺点是内阻大，电动势小，输出电压较低，价格高。虽然蓄电池的种类和类型很多，但目前在离网光伏电站中常用的蓄电池主要为铅酸蓄电池。4. 5.3蓄电池的工作原理在光伏发电系统中，铅酸蓄电池的应用最广泛。其正极是二氧化铅Pbo2,负极是金属铅Pb。在充电阶段，将电能转化成化学能
37、；在放电阶段，将化学能转化成电能供用电负载使用。铅酸蓄电池在充放电过程中的化学反应如下：正极：PbO2+HSoZ+3H+2e=PbSO4+2H20(4.3)负极：PbHSO-2e=PbSO4+H+(4.4)总反应：PbO2+2H2S04+Pb=2PbS04+2H2O(4.5)在放电过程中，化学反应是从左至右，PbOz与Pb电解液中的离子反应生成硫酸铅(PbSo同时正负极的正负电荷被中和,能量得到释放；充电过程与之相反,化学反应从右至左,硫酸铅分解为活性物质和电解质，正负极分别形成正负离子,能量被储存。蓄电池正是利用这种可逆转的电化学反应,达到储存电能和释放电能的目的。5. 5.4蓄电池容量计算
38、正确选择蓄电池容量是至关重要的。如果蓄电池选择不当，蓄电池供电时间将不能满足工程要求，甚至会造成停电。对于一个特定的电站系统，储电天数越多，放电深度越浅，系统效率越低，传输损耗越大，则相应需配置的蓄电池组容量就越大，系统在蓄电池组上的投入也就越多。离网光伏系统中蓄电池容量设计要考虑负载耗电量逆变器效率气象参数等因素一般计算公式如下：(4. 6)C_dfpfLSU式中C为蓄电池容量，单位Ah；F蓄电池放电效率修正系数，通常取1.05；PF逆变器平均负荷容量，本课题取6kW；L蓄电池的维修保养率，取0.8,S蓄电池的放电深度取0.5,D表示无日照期间用天数,该地区2月份最恶劣条件下D为3天。由此计
39、算出0984.4Ah,系统电压为48VO实际可选择标称电压为12V100AH的蓄电池40个，进行4串10并的连接方式。4.5.5蓄电池选型蓄电池组是离网光伏电站中使用寿命最短的部件，一定时间后要进行更新。离网型系统的蓄电池组选型要考虑以下因素：自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽、价格低廉。铅酸蓄电池容量大，成本低廉，因此选取铅酸蓄电池作为储能电池。所以本课题选用松下蓄电池（中国）有限公司生产的12V-100AH的蓄电池，共需40个。蓄电池详细参数如表4.7所示。表4.7蓄电池LC-Pl210OST规格参数产品信号LC-P12100ST电池盖排气拴结
40、构阀控式密闭蓄电池化学类型铅酸蓄电池维护类型免维护额定容量100AH电压12V设计寿命10年工作温度范围放电、-40C到71：充电、-23C到60浮充电压13.550.15V25均充电压13.55+0.15V25第5章经济性分析5.1 光伏系统发电量分析5.1.1 光伏系统无故障率光伏发电系统实际发电量不仅要考虑系统效率，还要考虑系统的无故隙率，系统无故障率是个小于1的数，一般在0.9以上，越接近1,说明系统的可靠性越高。本课题是拟建在温州设计安装容量为6kW,固定30倾角安装，发电量统计时间间隔为2015.12.31-2016.12.31,平均日峰值瓦时3.59h,无故障日平均发电量为17k
41、Wh,全年所有无故障发电量17365=6205kW如则可获得系统效率和系统无故障率为如下。实际光照理论发电量：6kW3.59h365=7668.2kWh系统效率=(6205kWh7668.2kWh)X100%=80%全年实际发电量：5751kWh,无故障发电：6205kWh系统无故障率=(575IkWh6205kWh)100%=92.7%系统实际发电量是理论发电量的75%(5751/7668.2)。6. 1.2光伏系统实际发电量关于发电量的计算有两种方法，一种是根据由光伏发电系统的装机容量和光伏发电的年日照峰值小时数来计，另一种方法是根据该地区的太阳能年辐射量和光伏系统的光电转换率计算。本文依
42、据第一种方法计算。对于光伏发电系统，系统实际发电量可由下式表示：系统实际发电量=理论发电量系统效率系统无故障率(5.1)发电量估算：日发电量=安装容量平均日辐照量系统效率系统无故障(5.2)年发电量=日发电量365(5.3)本课题是拟建在温州设计安装容量为6kW,安装倾角30,全年平均日辐照量=3.59kWhm2,年辐照量=1310.35kWhm2,系统无故障率为92.7%,那么日发电量为6kWX3.59hX80%X92.7%=16kWh,年发电量为16kWh,X365=583OkWh。7. 1.3节能减排效益太阳能光伏发电是一种取用不竭的清洁能源，既不消耗化石燃料，同时又不释放污染物、废物，
43、也几乎不生产温室气体破坏大气环境，没有废渣的堆放、废水处理等问题，有利于保护周围环境。与火力发电等传统能源相比，具有建设周期短、运行维护简便、系统模块化结构、容量规模可大可小等优点。本课题是拟建在温州的6KW屋顶离网光伏电站，则年平均发电量为583OkWh0与相同发电量的火电厂相比，可相应每年减排二氧化碳(CO2)2.9t,为电网节约标煤约2.31按火电煤39()8/(10)计。由此可见，光伏发电具有明显的节能减排效益。5.2光伏系统成本分析5.2.1光伏发电装机成本当前，光伏发电系统装机成本由太阳能电池组件、汇流箱、控制器、逆变器、蓄电池、人工费等费用组成。本课题的装机成本如表5.1所示。表
44、5.16KW家用屋顶离网光伏电站序号名称单位数量价格1多晶硅太阳能电池板W2420400元2智能汇流箱14400元3控制器1400元4逆变器kW15600元5蓄电池AH4020000元6人工费8000元7其他费用1200元合计60000元5.2.2光伏发电系统成本影响因素光伏电站的成本电价TCoSt与光伏电站的单位装机成本Cp、投资回收期兄厂、运营费用比率Rp、贷款状况(包括贷款占投资额的比例勺。的和贷款利息Rintr两个参数)、年等效满负载发电小时数坳p、该电站所享受到的其他补贴收入等六大因素的关系可以用下式表示：TCOSt=CP(1/Per+ROP+RIoanXRintrtSIIbVHfP
45、(5.4)按上式，可以对现阶段光伏发电成本做一个简要分析。本课题不考虑电站的其他补贴收入，即令上式中的乙帅=0。5.2.3光伏发电投斐效益分析在我国，火力发电厂的投资回收期通常为1530年，而核电的投资回收期更高达50年。因此，对于光伏电站进行可行性分析计算时，按照20年或者25年投资回收期计算是较为合理的。所以本课题投资回收期为20年。本课题单位装机成本为100OO元kW,运营费用按照2%计算。年等效满负载发电时间按照131Oh计算，设投资回收期为20年。贷款为0,全部自有资金。代入上述的公式中，可得成本电价为0.53元。浙江省家用的基本电费是0.538元/度。因此20年光伏电站就可以收回成本。其中投资回收期对成本电价的影响如表5.2所示。本课题单位装机成本为100OO元kW,运营费用按照2%计算。年等效满负载发电时间按照1310h计算。表5.2投资回收期对成本电价的影响单位：元/(kWh)投资回收期/年510
