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小型家庭独立光伏发电系统设计

毕业设计（论文）

光伏材料加工与应用专业

题目：小型家庭独立光伏发电系统设计

毕业时间：

学生姓名：

指导教师：

班级：光伏材料加工与应用

酒泉职业技术学院届各专业

毕业论文（设计）成绩评定表

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说明：1、以上各栏必须按要求逐项填写2、此表附于毕业论文（设计）封而之后。

摘要 1

一、绪论 1

二、独立光伏发电系统简介及原理 2

（―）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

（-）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

（-）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 6

（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

致谢 12

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汁，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。

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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：笫一：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，使用儿十亿年，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。主要山太阳能电池组件、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，则山蓄电池向负载供电。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、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'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，'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'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P\结。

当晶片受光后，PN结中，'型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往'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

3.独立光伏发电系统组成部分和设计要求

（一）组成部分

口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。

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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，山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，山蓄电池标称电压来确定蓄电池审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，从而设讣出太阳能板容量，llliSU-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、傑氢电池等。LI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

系统中使用银氢电池；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，山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悄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3%, 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

表1家用负载及工作功率

计费系统

名称	型号	个数	功率	日平均使用时间	耗电量
节能灯	〜220	3	40W	4h/天	480Wh
电视机	〜220	1	120W	3h/天	360Wh
电脑	〜220	1	150W	4h/天	600Wh
洗衣机	〜220	1	600W	0. 3h/天	180Wh
电冰箱	〜220	1	100W	24h/7<	2400Wh
电饭锅	〜220	1	1000W	0. 5h/天	500Wh
电磁炉	〜220	1	2100W	lh/天	2100Wh
合计	——	9	4190W	36. 8/天	背光片6620Wh

2.相关环境环境参数

表2太阳能资源分布图

地区类型	年日照时数 (h/a)	涨紧轮年辐射总> (MJ/m2.a)	包括的主要地区	备注
一类	3200-330 0	6680-840 0	宁夏北部、甘肃北部、新疆南部、青海西部、西藏西部	太阳能资源最丰富区
二类	3000-320 0	5800-668 0	河西西北部、山西北部、内蒙南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部	较丰富区
三类	2200-300 0	5000-580 0	山东、河南、河北东南部、山四南部、新疆北部、辽宁、吉林、云南、山西南部、甘肃东南部、广东南部	中等地区
四类	1400-200 0	4180-500 0	湖南、广西、浙江、江西、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、安徽南部	较差地区
五类	1000-140制作门窗 0	3300-418 0	四川大部分地区、贵州	最差地区