太阳能光伏发电系统原理与应用技术第7章太阳能光伏发电系统设计.pptx
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1、17.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计7.2.1 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 1.太阳能光伏发电系统设计的影响因素太阳能光伏发电系统设计的影响因素 太阳能光伏发电系统使用地点,该地太阳辐射能量;太阳能光伏发电系统使用地点,该地太阳辐射能量;系统的负载功率大小;系统的负载功率大小;系统的输出电压的高低,直流还是交流;系统的输出电压的高低,直流还是交流;系统每天需要工作小时数;系统每天需要工作小时数;如遇到没有太阳光照射的阴雨天气,系统需连续供电如遇到没有太阳光照射的阴雨天气,系统需连续供电天数;天数;负载的情况,纯电阻性、电感性还是电容性,启动电负载的情
2、况,纯电阻性、电感性还是电容性,启动电流的大小;流的大小;系统需求的数量;系统需求的数量;等。等。27.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 2.独立光伏发电系统设计的技术条件独立光伏发电系统设计的技术条件 (1)负载性能)负载性能 白天使用的负载:可由光伏系统直接供电,晚上再由光白天使用的负载:可由光伏系统直接供电,晚上再由光伏系统中蓄电池储存的电量供给负载,其系统容量可以减伏系统中蓄电池储存的电量供给负载,其系统容量可以减小;晚上使用的负载:系统容量增加;昼夜同时使用的负小;晚上使用的负载:系统容量增加;昼夜同时使用的负载:所需的容量取它们之间的值。如果月平均耗电量变化载:
3、所需的容量取它们之间的值。如果月平均耗电量变化小于小于10%,可看作是平均耗电量都相同的均衡性负载。,可看作是平均耗电量都相同的均衡性负载。(2)太阳能辐射强度)太阳能辐射强度 太阳能辐射强度具有随机性,受季节、气候的变化,只太阳能辐射强度具有随机性,受季节、气候的变化,只得以当地气象台记录的历史资料作为参考,取得以当地气象台记录的历史资料作为参考,取810年的平年的平均值。太阳的均值。太阳的年均总辐射能年均总辐射能还应换算成还应换算成峰值日照时数峰值日照时数。37.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 太阳辐射能量太阳辐射能量 日照时间:日照时间:太阳光在一天当中从日出到日落
4、实际的照太阳光在一天当中从日出到日落实际的照射时间。射时间。日照时数:日照时数:指某一地点,一天当中太阳光达到一定的指某一地点,一天当中太阳光达到一定的辐照度(一般以气象台测定的辐照度(一般以气象台测定的120W/m2为标准)时一直到小为标准)时一直到小于此辐照度所经过的时间。日照时数于此辐照度所经过的时间。日照时数55,光伏阵列的安装倾斜角,光伏阵列的安装倾斜角=+(15 20)。57.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 2.独立光伏发电系统设计的技术条件独立光伏发电系统设计的技术条件 (4)太阳能电池方阵的安装方位角)太阳能电池方阵的安装方位角 最佳方位是最佳方位是跟踪太
5、阳跟踪太阳,使太阳电池始终与太阳光线垂直。,使太阳电池始终与太阳光线垂直。对于对于固定安装固定安装,北半球按,北半球按正南(正南(0)设置)设置;只要在正南只要在正南 20 之内,对发电量都不会有太大的影响。之内,对发电量都不会有太大的影响。考虑冬季使用,考虑冬季使用,可以可以偏西偏西20 设置,设置,使太阳能电池发电量的峰值出现在中午使太阳能电池发电量的峰值出现在中午稍后某时刻,这样有利于冬季多发电。稍后某时刻,这样有利于冬季多发电。安装太阳能电池方阵时应适当考虑地形、地物,充分、安装太阳能电池方阵时应适当考虑地形、地物,充分、合理地利用资源。合理地利用资源。67.2 太阳能光伏发电系统的设
6、计太阳能光伏发电系统的设计 2.独立光伏发电系统设计的技术条件独立光伏发电系统设计的技术条件 (5)蓄电池容量)蓄电池容量 蓄电池容量是根据铅酸电池在没有光伏方阵电力供应条蓄电池容量是根据铅酸电池在没有光伏方阵电力供应条件下,完全由自身蓄存的电量供给负载用电的天数来确定件下,完全由自身蓄存的电量供给负载用电的天数来确定的。的。(6)温度因素)温度因素 尽管夏季太阳辐射强度大,方阵发电量有余部分,完全尽管夏季太阳辐射强度大,方阵发电量有余部分,完全可以弥补由于温度所减少的电能。太阳电池标准组件(如可以弥补由于温度所减少的电能。太阳电池标准组件(如36片太阳能电池串联成片太阳能电池串联成12V蓄电
7、池充电的标准组成)已经考蓄电池充电的标准组成)已经考虑了夏季温升的影响。但温度较低时(如小于等于虑了夏季温升的影响。但温度较低时(如小于等于0如小如小于等于于等于0),应考虑铅酸蓄电池放电容量的降低。),应考虑铅酸蓄电池放电容量的降低。77.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 3.太阳能光伏发电系统的简易设计方法太阳能光伏发电系统的简易设计方法 (1)设计步骤)设计步骤 地理及气候信息地理及气候信息 包括地理纬度、年平均总辐射量、平均气温及极端气温包括地理纬度、年平均总辐射量、平均气温及极端气温等。等。负载类型和功耗负载类型和功耗 包括直流负载、交流负载(阻性负载、感性负载)
8、功包括直流负载、交流负载(阻性负载、感性负载)功率,运行时间。率,运行时间。太阳电池方阵容量计算太阳电池方阵容量计算 蓄电池容量计算蓄电池容量计算 逆变器容量计算逆变器容量计算87.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (2)负载用电量)负载用电量QL测算测算 负载用电量的测算是光伏发电系统设计和造价的关键因负载用电量的测算是光伏发电系统设计和造价的关键因素之一。负载用电量的测算步骤:素之一。负载用电量的测算步骤:计算用电设备的总功率计算用电设备的总功率PL(W)PL=P1P2P3 (7-1)计算各用电设备的用电量计算各用电设备的用电量Qi(W h)Q1=P1 t1,Q2=P2
9、 t2,Q3=P3 t3,(7-2)式中,式中,Q1、Q2、Q3、用电器用电器1、2、3、的用电量;的用电量;P1、P2、P3、用电器用电器1、2、3、的功率;的功率;t1、t2、t3、用电器用电器1、2、3、的日用电时间。的日用电时间。计算所有用电设备的总用电量计算所有用电设备的总用电量QL(W h)QL=Q1Q2Q3 (7-3)97.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (3)蓄电池容量)蓄电池容量C的确定的确定 蓄电池容量的计算方法一般用下式计算蓄电池容量的计算方法一般用下式计算 (7-4)nCW蓄电池的容量,蓄电池的容量,W h;nd最长无日照用电天数;最长无日照用电天
10、数;nF蓄电池放电容量的修订系数(充入安时数蓄电池放电容量的修订系数(充入安时数/放电安放电安时数),通常时数),通常F取取1.2;nQL所有用电设备总用电量,所有用电设备总用电量,W h;nD蓄电池放电深度,通常蓄电池放电深度,通常D取取0.5;nK包括逆变器在内的交流回路的损耗率,通常包括逆变器在内的交流回路的损耗率,通常K取取0.8。n 若按通常情况取系数,则式若按通常情况取系数,则式(7-4)可简化为可简化为CW=3 dQL (7-5)107.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (3)蓄电池容量)蓄电池容量C的确定的确定 选择系统的直流电压选择系统的直流电压U。根据负
11、载功率确定系统的直流电。根据负载功率确定系统的直流电压(即压(即蓄电池电压蓄电池电压)。确定的原则是:)。确定的原则是:a.在条件允许的情况下,尽量提高系统电压,以减少线路在条件允许的情况下,尽量提高系统电压,以减少线路损失;损失;b.直流电压的选择要符合我国直流电压的标准等级,即直流电压的选择要符合我国直流电压的标准等级,即12V、24V、48V等;直流电压的上限最好不要超过等;直流电压的上限最好不要超过300V,以便于选择元器件和充电电源。以便于选择元器件和充电电源。用确定的系统电压(用确定的系统电压(U)去除式)去除式(7-5),即可得到用,即可得到用A h表表示的蓄电池容量示的蓄电池容
12、量CC=CW/U=3 dQL/U (7-6)117.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (4)太阳能方阵功率)太阳能方阵功率Pm的确定的确定 选择方阵倾角选择方阵倾角 按前面按前面7.2.3所述的原则确定。所述的原则确定。计算平均峰值日照时数计算平均峰值日照时数Tm 峰值日照时数是将一般强度的太阳辐射日照时数折合成峰值日照时数是将一般强度的太阳辐射日照时数折合成辐射强度为辐射强度为1000W/m2的日照时数。太阳方阵倾斜面上的平的日照时数。太阳方阵倾斜面上的平均峰值日照时数(在水平面辐射量)均峰值日照时数(在水平面辐射量)(7-7)式中,年均太阳总辐射量式中,年均太阳总辐射量
13、当地当地810年气象数据,年气象数据,MJ/m2;Kop斜面辐射最佳辐射系数;斜面辐射最佳辐射系数;3.6单位换算系数,单位换算系数,1kW h=1000(J/s)3600s3.6 106J3.6MJ,1MJ=1kW h/3.6。127.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (4)太阳能方阵功率)太阳能方阵功率Pm的确定的确定 计算太阳电池方阵的峰值功率计算太阳电池方阵的峰值功率Pm(W)(7-8)如前所述,如前所述,F=1.2,K=0.8,则式(,则式(7-8)可简化为)可简化为 (7-9)计算太阳电池组件的串联数计算太阳电池组件的串联数Ns (7-10)137.2 太阳能光
14、伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 计算太阳电池组件的并联数计算太阳电池组件的并联数Np 由太阳电池方阵的输出总功率由太阳电池方阵的输出总功率PLNsUmNpIm=NsNp Pm,可得组件的并联数可得组件的并联数 (7-11)式中,式中,Im太阳电池组件工作电流;太阳电池组件工作电流;Pm太阳电池组件的太阳电池组件的峰值功率,峰值功率,PmUmIm。(5)逆变器的确定)逆变器的确定逆变器的功率阻性负载功率逆变器的功率阻性负载功率(1.21.5)感性负感性负载功率载功率(57)方波逆变器和准正弦波逆变器大多用于方波逆变器和准正弦波逆变器大多用于1kW以下的小功以下的小功率光伏发电系统;率光
15、伏发电系统;1kW以上的大功率以上的大功率光伏发电系统,多数光伏发电系统,多数采用采用正弦波逆变器正弦波逆变器。147.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (6)控制器的确定)控制器的确定 控制器所能控制的太阳方阵最大电流控制器所能控制的太阳方阵最大电流 方阵短路电流方阵短路电流IFscNp Isc 1.25 (7-12)式中,式中,Isc组件的短路电流;组件的短路电流;1.25安全系数。安全系数。控制器的最大负载电流控制器的最大负载电流I (7-13)式中,式中,PL用电设备的总功率;用电设备的总功率;U控制器负载工作电压控制器负载工作电压(即蓄电池电压);(即蓄电池电压)
16、;K损耗系数,损耗系数,K取取0.8。则式(。则式(7-13)可简化为可简化为 (7-14)157.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 (7)设计实例)设计实例 某农户家庭所用负载情况如表某农户家庭所用负载情况如表7-2所示。当地的年平均太所示。当地的年平均太总辐射量为总辐射量为6210MJ/m2 a,连续无日照用电天数为,连续无日照用电天数为3天,试天,试设计太阳能光伏供电系统。设计太阳能光伏供电系统。表表7-2 400W家庭电源系统家庭电源系统设设 备备规规 格格负负 载载数数 量量日工作日工作时间时间/h日耗电日耗电量量/W h照明照明节能灯节能灯220V/15W34卫
17、星接收器卫星接收器220V/25W14电视电视25in220V/110W14洗衣机(感性负载)洗衣机(感性负载)2L220V/250W10.8合合 计计系统配置系统配置3个阴雨天个阴雨天167.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 设计过程:设计过程:用电设备总功率用电设备总功率PLPL=15W 3+25W+110W+250W=430W 用电设备的用电量用电设备的用电量Qi(W h)节能灯用电量:节能灯用电量:Q1=15W 3 4h180 W h,卫星接收器用电量:卫星接收器用电量:Q1=25W 4h=100 W h,电视机用电量:电视机用电量:Q3=110W 4h=440 W
18、 h,洗衣机用电量:洗衣机用电量:Q4=250W 0.8=200 W h,总用电量总用电量QL:QL=180+100+440+200=920(W h)光伏系统直流电压光伏系统直流电压U的确定的确定 本系统功率较小,选择本系统功率较小,选择U=12V。177.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 设计过程:设计过程:蓄电池容量蓄电池容量CCW=3 dQL3 3 9208280(W h)蓄电池电压蓄电池电压U12V,则其安时(,则其安时(A h)容量为)容量为C=CW/U8280 W h/12V=690 A h 太阳电池方阵功率太阳电池方阵功率Pm的确定的确定 a.平均峰值日照时数
19、(为简便起见,用水平面数据,而不平均峰值日照时数(为简便起见,用水平面数据,而不用斜面数据)用斜面数据)Tm6210/(3.6 365)=4.72(h)b.太阳电池方阵功率太阳电池方阵功率Pm1.5 QL/Tm=1.5 920 W h/4.72h392.4W 根据计算结果,蓄电池选用根据计算结果,蓄电池选用12V/120A h 的的VRLA蓄电池蓄电池6只并联只并联;太阳电池方阵选用;太阳电池方阵选用80W(36片串联,电压约片串联,电压约17V,电流约电流约4.8A)组件)组件5块并联块并联。187.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 设计过程:设计过程:控制器的确定控制器
20、的确定 a.方阵最大电流(短路电流)方阵最大电流(短路电流)IFscNp Isc 1.255 4.8A 1.2530A b.最大负载电流最大负载电流I=1.56 PL/U1.56 430W/12V55.9A 逆变器的确定逆变器的确定逆变器的功率阻性负载功率逆变器的功率阻性负载功率(1.21.5)感性负载感性负载功率功率(57)230W 1.5200W 61545W故控制器和逆变器可选用故控制器和逆变器可选用2000V A的控制的控制-逆变一体机,最逆变一体机,最好是好是正弦波正弦波。197.2 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计 4.系统优化的设计系统优化的设计 系统优化的目标:
21、主要通过检验安装的实际日照强度、系统优化的目标:主要通过检验安装的实际日照强度、光反射度、外部环境温度、风力和光伏发电系统各个部件光反射度、外部环境温度、风力和光伏发电系统各个部件的运行性能以及之间的相互作用等方面,从而使光伏发电的运行性能以及之间的相互作用等方面,从而使光伏发电系统所发电量最大。系统所发电量最大。(1)优化光伏电池入射光照强度)优化光伏电池入射光照强度 追踪太阳法;追踪太阳法;减少光反射法;减少光反射法;腐蚀光伏电池表面;腐蚀光伏电池表面;选择安装结构。选择安装结构。(2)替换建筑材料)替换建筑材料 (3)提高光伏电池输出电量提高光伏电池输出电量 (4)光伏发电系统模块化)光
22、伏发电系统模块化 (5)优化方案)优化方案207.3 太阳能光伏发电系统的安装调试太阳能光伏发电系统的安装调试7.3.1 太阳能光伏发电系统的安装施工太阳能光伏发电系统的安装施工 太阳能光伏发电系统的安装施工分为太阳能光伏发电系统的安装施工分为两大类两大类,n一是太阳能电池方阵在屋顶或地面的安装及配电柜、逆一是太阳能电池方阵在屋顶或地面的安装及配电柜、逆变器、避雷系统等电器设备的安装;变器、避雷系统等电器设备的安装;n二是太阳能电池组件间的连线及各设备之间的连接线路二是太阳能电池组件间的连线及各设备之间的连接线路铺设施工。铺设施工。安装要求:安装要求:规范施工、安全作业。规范施工、安全作业。2
23、17.3 太阳能光伏发电系统的安装调试太阳能光伏发电系统的安装调试7.3.1 太阳能光伏发电系统的安装施工太阳能光伏发电系统的安装施工图图7-10 光伏发电系统光伏发电系统安装施工项目示意图安装施工项目示意图227.3 太阳能光伏发电系统的安装调试太阳能光伏发电系统的安装调试 1.太阳能电池组件及方阵的安装施工太阳能电池组件及方阵的安装施工 (1)安装位置的确定)安装位置的确定 在光伏发电系统设计时,就要在计划施工的现场进行勘在光伏发电系统设计时,就要在计划施工的现场进行勘测,确定安装方式和位置,测量安装场地的尺寸,确定电测,确定安装方式和位置,测量安装场地的尺寸,确定电池组件方阵的方位角和倾
24、斜角。太阳能电池方阵的安装地池组件方阵的方位角和倾斜角。太阳能电池方阵的安装地点不能有建筑物或树木等遮挡物,如实在无法避免,也要点不能有建筑物或树木等遮挡物,如实在无法避免,也要保证太阳能方阵在保证太阳能方阵在上午上午9时到下午时到下午16时时能接收到阳光。太阳能接收到阳光。太阳能电池方阵与方阵的间距等都应严格按照设计要求确定。能电池方阵与方阵的间距等都应严格按照设计要求确定。237.3 太阳能光伏发电系统的安装调试太阳能光伏发电系统的安装调试 (2)光伏电池方阵支架的设计施工)光伏电池方阵支架的设计施工 杆柱安装类支架的设计施工杆柱安装类支架的设计施工图图7-11 杆柱安装类支架设计示意图杆
25、柱安装类支架设计示意图247.3 太阳能光伏发电系统的安装调试太阳能光伏发电系统的安装调试 (2)光伏电池方阵支架的设计施工)光伏电池方阵支架的设计施工 屋顶类支架的设计施工屋顶类支架的设计施工 对于斜面屋顶:设计与屋顶斜面平行的支架,支架的高对于斜面屋顶:设计与屋顶斜面平行的支架,支架的高度离屋顶面度离屋顶面10cm左右,以利通风散热;或根据最佳倾斜角左右,以利通风散热;或根据最佳倾斜角角度设计支架,以满足电池组件的太阳能最大接收量。角度设计支架,以满足电池组件的太阳能最大接收量。平面屋顶:一般要设计成三角形支架,支架倾斜面角度平面屋顶:一般要设计成三角形支架,支架倾斜面角度为太阳能电池的最
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