毕业设计（论文）
光伏材料加工与应用
题目：小型家庭独立光伏发电系统设计
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班级：光伏材料加工与应用
目录
摘要 (1)
一、绪论 (1)
二、独立光伏发电系统简介及原理 (2)
（一）简介 (2)
（二）原理 (2)
三、独立光伏发电系统组成部分和设计要求 (3)
（一）组成部分 (3)
（二)设计要求 (5)
1.相关负载参数 (5)
2.相关环境环境参数 (5)
四、独立光伏发电系统的计算及方阵的设计 (6)
（一）太阳能蓄电池容量计算 (6)
（二）太阳能蓄电池的串并联数计算 (6)
（三）太阳能电池组件设计与计算 (7)
（四）太阳能电池控制器的选型 (8)
（五）太阳能电池逆变器的选型 (8)
（六）太阳能电池方位角的选择 (8)
（七）太阳能电池倾斜角选择 (9)
（八）太阳能光伏支架安装注意 (10)
六、总结 (10)
参考文献 (11)
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小型家庭独立光伏发电系统设计
摘要：将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。
是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。
光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
本次设计是家庭用分布式光伏发电系统设计，家庭用分布式光伏发电系统是指利用光伏发电技术，在家庭的屋顶或墙壁等场地建立发电系统，多余电量可以送入当地配电网中的发电方式。
此次设计内容包括了对光伏发电系统的容量设计和光伏发电系统的配置设计，容量设计主要对光伏组件和蓄电池的容量进行设计与计算，确定光伏组件和蓄电池的数量，发电系统的配置设计时对光伏发电系统中的光伏组件型号、安装方式及配套设备与设施进行设计。
本设计是为家用式光伏发电系统，具有节能，无污染运用方便等特点。
关键词：光生伏特效应；太阳能电池板；逆变器
一、绪论
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。
绝对不会造成污染和公害。
甘肃省具有丰富的太阳能资源，全省年太阳能总辐射量在4800～6400MJ/m2，年资源理论储量67万亿kWh，每年地表吸收的太阳能约相当于824亿吨标准煤，开发利用前景广阔。
河西走廊（包括酒泉、张掖、嘉峪关）地区为甘肃省太阳辐射丰富区，年太阳总辐射量分别为6400MJ/m2和5800MJ/m2，中部地区（金昌、武威、民勤的全部，古浪、天祝、靖远、景泰的大部，定西、兰州市、临夏部分地区，环县部分地区及甘南州玛曲的部分地区）属于太阳辐射较丰富区，为5200～5800MJ/m2，南部（天水、陇南、甘南地区大部）地区相对较低，属于太阳能可利用区，年太阳总辐射量仅4800～5200MJ/m2。
二、独立光伏发电系统简介及原理
（一）简介
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。
有阳光进，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。
夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。
这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。
当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。
（二）原理
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。
达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。
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，这就形成了电源，如图1所示。
图1 太阳能工作原理图
三、独立光伏发电系统组成部分和设计要求
（一）组成部分
目前在独立运行的光伏发电系统中，普遍采用的结构如图2所示，首先利用太阳能电池来收集太阳能，在经过控制器给蓄电池充电，由于蓄电池的电压较低，往往无法满足逆变要求，因此还需要串并多组，最后通过逆变器将直流电转化为220V/50Hz的交流电供用户使用。
图2 太阳能系统组成图
1.电池板的选择：太阳能电池板容量是指平板式太阳能板发电功率WP。
太阳能
发电功率量值取决于负载24h所消耗的电力，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P（AH），再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP（A）。
由负载额定电源，选取蓄电池标称电压，由蓄电池标称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF（V），再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT（v）及反充二极管P－N结的压降VD（v）所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP（V），由太阳能电池阵列工作电源IP（A）与工作电压VP（v），便可决定平板式太阳能板发电功率，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量与太WP阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。
2.蓄电池的选择：独立光伏系统蓄电池的选择过程主要包括三个方面：蓄电池种类、蓄电池的容量和蓄电池组串并联的确定。
蓄电池种类很多，主要有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢电池等。
目前，由于产品技术的成熟性和成本等因素，一些小型简单的独立光伏系统中使用镍氢电池；多数的独立光伏系统中使用铅酸蓄电池，应用广泛。
蓄电池的容量选择与很多因素有关，主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度等。
独立光伏系统的蓄电池容量，要保证系统在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间内持续正常工作。
在光照度低于平均值的情况下，太阳能电池组件产生的电能，不能完全补充每日负载需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样蓄电池就会处于亏电状态。
如果在一定时间内光照度始终低于平均值，蓄电池持续放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态持续下降。
但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低值，即蓄电池的最大放电深度。
即光伏系统在没有任何外来能源的情况下蓄电池供给负载正常工作的天数。
同时，由于铅酸蓄电池的额定容量会随着温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降，所以安装地气温对确定蓄电池的容量非常重要。
如果安装地的气温较低，实际需要的蓄电池容量就要比常温条件下需要的蓄电池容量大，才能保证在不影响蓄电池使用寿命的情况下满足负载的用电需求。
大多数铅酸蓄电池生产企业一般会提供相关的蓄电池温度一容量修正曲线。
3.逆变器的选择：在光伏系统中，光伏逆变器的指标及参数主要受蓄电池及其负载的影响，为了满足负载要求，逆变器稳态输出电压的变化量不超过额定值的5%，突变输出电压偏差不超过额定值的10%；输出电压波形失真度小，频率稳定，逆变效
率较高；且在功能稳定与经济指标之间权衡。
（二)设计要求
1.相关负载参数
2.相关环境环境参数
表2 太阳能资源分布图
甘肃静宁的天气状况：静宁东经105°20'－106°05'，北纬35°01'－35°45'，海拔1600－2245米，四季分明，气候温和，光照充足，年均气温 7.1℃ ，无霜期 159天，年均日照时数2238小时，最长阴雨天数6天。
四、独立光伏发电系统的计算及方阵的设计
（一）太阳能蓄电池容量计算
图3太阳能蓄电池图
深度放×系统连续阴雨天数×负载用电量=容量蓄电电电压池 将有关数据带入公式得：1379.15Ah =0.6
×48V 6×6620Wh =
容量蓄电池 （二）太阳能蓄电池的串并联数计算 为了达到系统的工作电压，我们需要将蓄电池串联起来，为了蓄电池组的总容量，需要将蓄电池并联起来。
标称电压
蓄电压作系统=数串蓄电池电工联池 标称容量蓄电容量池蓄=
数并蓄电池总电联池 带入数据得：
4=12V
48V =
数串蓄电联池 16=90Ah 1379.15Ah =数并蓄电联池 根据计算结果需选择12V —90Ah 。
则蓄电池串联数为4个，并联数为16个。
（三）太阳能电池组件设计与计算
太阳电池组件设计的基本要求就是满足年平均日负载的用电需求。
本设计采用尚德品牌90M 型号的光伏组件，其具体参数如下：
表3 组件性能参数表
组件名称
最大功率 峰值电压 峰值电流 开路电压 短路电流
多晶硅太阳
能电池 90W 18.00V 5.00A 22.50V 5.20A
图4太阳能组件尺寸图
根据组件参数得
组件峰值工作电压
1.43系数×系统统工作电=电池组件串联数 组件日均发电量负载日均用电量=
电池组件并联数 组件日均发电量=组件的峰值电流×峰值日照时间
方阵功率=串联数×并联数×峰值功率
代入数据得：4=18
1.43×48V =电池组件串联数 组件日均发电量=5A ×4=20A
9=20A 179.8Wh =
电池组件并联数
则电池组件的串联数为4，并联数为9，方阵功率=4×9×90W=3240W
（四）太阳能电池控制器的选型
采用小型的家用独立光伏智能控制器，如下图
图5太阳能控制器图 根据系统的直流电压等级和太阳电池组件的功率配置合适的光伏控制器。
常见的光伏控制器有DC12V 、24V 、48V 、110V 、220V 不同电压等级。
（五）太阳能电池逆变器的选型
根据设计要求：
负载的总功率=120W+120W+150W+600W+100W+1000W+2100W=4190W
由于当负载的总功率大于逆变器的总功率时，逆变器会发热，所以须考虑其损耗率，具体计算如下：
5237.5W = 80%
4190W =80%负载功率=功率逆变器
图6太阳能控制器图
根据计算结果则系统选择6000W 的逆变器 （六）太阳能电池方位角的选择
在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。
如果受太阳能电池设置场所如屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一到，以求充分利用现有的地形和有效面积，并尽量避开周围建、构筑物或树木等产生的阴影。
只要在正南±20°之内，都不会对发电量有太大影响，条件允许的话，应尽可能偏西南20°之内，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时，这样有利冬季多发电。
有些太阳能光伏建筑一体化发电系统设计时，当正南方向太阳能电池铺设面积不够大时，也可将太阳能电池铺设在正东、正西方向。
（七）太阳能电池倾斜角选择
最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。
一般取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。
当然如果能够采用计算机辅助设计软件，可以进行太阳能倾斜角的优化计算，使两者能够兼顾就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。
高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，例如我国黑龙江省相差约5倍。
如果按照水平面辐射量参数时行设计，则蓄电池冬季存储量过大，造成蓄电池的设计容量和投资都加大。
选择了最佳倾斜角，太阳能电池面上冬季和夏季辐射量之差变小，蓄电池的容量也可以减少，求得一个均衡，使系统造价降最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。
一般取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。
当然如果能够采用计算机辅助设计软件，可以进行太阳能倾斜角的优化计算，使两者能够兼顾就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。
高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，例如我国黑龙江省相差约5倍。
如果按照水平面辐射量参数时行设计，则蓄电池冬季存储量过大，造成蓄电池的设计容量和投资都加大。
选择了最佳倾斜角，太阳能电池面上冬季和夏季辐射量之差变小，蓄电池的容量也可以减少，求得一个均衡，使系统造价降低，设计更为合理。
如果没有条件对倾斜角进行计算机优化设计，也可以根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角：
纬度为0°～25°时，倾斜角等于纬度；
纬度为26°～40°时，倾斜角等于纬度加上5°～10°；
纬度为41°～55°时，倾斜角等于纬度加上10°～15°；
纬度为55°以上时，倾斜角等于纬度加上15°～20°。
由于静宁为北纬35°01'～35°45'，所以组件倾斜角为40°。
（八）太阳能光伏支架安装注意
对于现有混凝土平屋面,目前支架安装主要有预制混凝土梁方案、预制压块方案、现浇支架基础方案、支架底部整体连接方案等四种。
下面就预制混凝土梁方案介绍。
方案介绍：
预制混凝土梁方案。
首先，预制好钢筋混凝土小梁，截面为300×300，长1600，并在梁顶面预留4根螺栓；其次，再根据光伏工艺专业提供的组件布置图，将小梁吊装在相应的固定位置；最后，将光伏组件支架通过螺栓与小梁连接，再根据安装图安装支架上部钢梁、支撑及光伏组件等。
预制混凝土梁方案类似工程。
图7太阳能组件安装效果图图8太阳组件安装
六、总结
结合实例总结了家用独立光伏发电系统设计步骤，归纳了设计过程中需要注意和解决的问题。
在蓄电池的容量设计时考虑蓄电池的最长连续阴雨天，提高了设计的供电可靠性。
通过图片对设计系统进行仿真与分析，可以看出光伏组件的效率损失和电池的充电能量损失占系统能量损失的大部分，此系统基本能够满足用户的需要。
独立光伏发电系统具有可靠的实用性，而且能解决农村家庭的生活用电，所以，太阳能独立系统作为一种新型的便捷的能源利用，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。
参考文献：
［1］邓允．电工电子技术．化学工业出版社，2012年2月第2版
［2］李忠实．太阳能光伏发电系统设计施工与应用．人民邮电出版社，2012年10月第1版
［3］赵书安主编.太阳能光伏发电及应用技术[M].南京：东南大学出版社，2011 ［4］李刚．太阳能发电原理．北京电力出版社，2003
［5］郑瑞澄．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册．化学工业出版社，2011年第2版
［6］杨洪兴．光伏建筑一体化工程．中国建筑工业出版社，2012。
