小型光伏发电系统毕业设计.docx
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小型光伏发电系统毕业设计
酒泉职业技术学院
毕业设计
2012级光伏材料加工与应用专业
题目:
酒泉地区小型独立光伏发电系统
(4KW)的设计
毕业时间:
二O一五年六月
*******
*******
班级:
12光伏2班
2014年6月20日
酒泉职业技术学院2015届各专业
毕业论文(设计)成绩评定表
姓名
班级
专业
指导教师第一次指导意见
年月日
指导教师第二次指导意见
年月日
指导教师第三次指导意见
年月日
指导教师评语及评分
成绩:
签字(盖章)年月日
答辩小组评价意见及评分
成绩:
签字(盖章)年月日
教学系毕业实践环节指导小组意见
签字(盖章)年月日
学院毕业实践环节指导委员会审核意见
签字(盖章)年月日
酒泉地区小型独立光伏发电系统(4KW)的设计
摘要:
酒泉地区新能源建设前景广阔。
风能光热资源充足,境内的瓜州、玉门素有“世界风库”和“世界风口”之称,风能资源总储量1.5亿千瓦,可开发量4000万千瓦以上,占全省储量的85%以上,可利用面积近1万平方公里,被国家批准为首个“千万千瓦级风电基地”。
国务院出台的《关于进一步支持甘肃经济社会发展的若干意见》,把酒泉列为全国重要的新能源基地。
太阳能资源丰富,光电理论储量近20亿千瓦,太阳能辐射量仅次于西藏地区,是全国最具开发潜力的光伏发电基地。
酒泉是太阳能最丰富区,太阳能资源开发潜力巨大,年平均日照在3000小时以上。
在酒泉19.2万平方公里的土地上,有5万平方公里属国家光热资源分布一类地区,每平方米全年的太阳辐射量在6300兆焦以上。
发展太阳能光伏发电系统也具有很高的可行性,首先能缓解我国目前的能源问题以及日益严重的环境问题,还能解决边远地区居民用电难,成本高的问题。
本论文将从小型独立发电系统的发电原理,系统设计原理,及其本身具有的优势结合其受众群体的所需考虑的各方面因素来设计适合家庭使用的小型系统。
通过理论与实际市场相结合的方法设计适合酒泉地区人民使用的优惠且使用的系统。
关键词:
新能源;小型;独立光伏发电;系统;优惠实用
一、甘肃省太阳能资源
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。
酒泉市位于甘肃省西北部,日照充足,光能资源丰富;夏季干热而较短促,冬季寒冷而较漫长,但春季升温迅速。
经度98.50,纬度39.71,年均温3.9℃~9.3℃,年日照总时数达3056.4小时,每年太阳日照时数>6h的天数在290天以上,日照百分率平均69%,十月份达78%之多;全区太阳能年辐射量在145.6~153.8千卡/平方厘米,酒泉、嘉峪关两地最低气温-20℃,连续阴雨天数3天,每平方米全年的太阳辐射量在6300兆焦以上。
图1酒泉地区1999~2008年太阳总辐射量MJ/m2
二、独立光伏发电系统概述
(一)独立光伏发电系统的概念
独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统,在必要时可以由泊机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。
从电力系统来说,kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。
图2独立光伏发电系统组成
(二)独立光伏发电系统的结构及工作原理
1.结构
通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统,也可叫做太阳能电池发电系统。
尽管太阳能光伏发电系统应用样式多种多样,应用规模跨度也很大,从小到不足一瓦的太阳能草坪灯,大到几百千瓦甚至几兆瓦的大型光伏发电站,但太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理基本相同。
其主要结构由太阳能电池组件(或方阵)、蓄电池(组)、光伏控制器、逆变器(在有需要输出交流电的情况下使用)以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。
图3独立型太阳能光伏发电系统工作原理
2.工作原理
太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后,在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。
直流或交流负载通过开关与控制器连接。
控制器负责保护蓄电池,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。
在交流光伏发电系统中,DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。
三、独立光伏发电系统的设计
(一)系统的设计原则、步骤和内容
1.系统设计原则
光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比(低成本)的原则。
做到既能保证光伏系统的长期可靠运行,充分满足负载的用电需要,同时又能使系统的配置最合理、最经济,特别是确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池的容量。
协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系,在满足需要保证质量的前提下节省投资,达到最好的经济效益。
2.设计步骤和内容
太阳能光伏发电系统的设计步骤和内容如图4所示。
图4太阳能光伏发电系统设计内容与步骤
3.系统容量的设计
目标:
优化太阳能电池方阵容量和蓄电池组容量的相互关系,在保证独立光伏发电系统可靠工作的前提下,达到成本最低。
要求:
首先对当地的太阳能辐照资源、地理及气象数据有尽量详细的了解,一般要求掌握日平均太阳辐照量、月平均太阳辐照量和连续阴雨天数。
方法:
依据各部件的数理模型,采用计算机仿真,可以拟合出太阳能电池方阵每小时发电量、蓄电池组充电量和负载工作情况,并预测所需要的太阳能电池方阵及蓄电池组的容量。
通过数值分析法,可以解析太阳能电池方阵容量及蓄电池组容量之间存在的相互关系,然后在特定的供电可靠性要求下,根据成本最低化的原则,确定二者
各自的容量。
(二)蓄电池容量的设计
1.蓄电池容量的计算
在本章中,负载的总耗电量为4000w·h/d,选择的逆变器效率为90%,连续阴雨天数为4天,蓄电池的放电深度为70%,系统电压为48V。
蓄电池容量=
=
=530AH
通常,铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。
随着温度的降低,0℃时的容量大约下降到额定容量的90%.而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%.所以必须考虑蓄电池的环镜温度对其容量的影响。
酒泉地区全年最低气温大约为-4~-6℃,所以在此温度下,蓄电池的容量会下降10%左右。
蓄电池实际容量=
=
=590AH
每个蓄电池都有它的标称电压。
为了达到负载工作的标称电压,将蓄电池串连起来给负载供电,需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。
这里选用24v/200AH的铅酸蓄电池。
串联蓄电池数=
=
=2所以蓄电池串联数为2
并联蓄电池数=
=
=2.95≈3
综上所述:
使用江苏恒华公司生产的24V/200AH型铅酸蓄电池,蓄电池串联数2,并联3块,连接方式如图6所示。
图6蓄电池连接示意图
2.VRLA蓄电池性能改进
蓄电池的失效和寿命短是阻碍光伏发电系统推广的原因之一。
VRLA蓄电池用于光伏系统后寿命会逐渐缩短,影响其寿命的因素主要有:
充电时间受限,长期欠充电;小电流放电;过充电;温度等。
根据光伏发电系统光伏系统对蓄电池性能的特殊要求,结合上述影响蓄电池寿命的因素,在原VRLA蓄电池的基础上进行了一系列性能改进。
具体改进措施包含以下几方面:
(1)提高循环使用寿命。
为延长VRLA电池的循环使用寿命,板栅合金在板栅与活性物质界面形成的腐蚀层导电性应良好,板栅应具有抗蠕变性能。
电池设计采用紧装配,并适当提高装配压力。
(2)提高电池充电接受能力。
对VRLA电池来说,充电不足对电池的危害比过充电更严重,所以提高VRLA电池的充电接受能力尤其重要。
在负极铅膏配方中加入高稳定性的膨胀剂和导电性添加剂,提高了充电接受能力。
(3)提高过放电性能。
降低硫酸电解液的比重,并添加了特殊的电液添加剂,可以降低对极板的腐蚀,减少电液分层的产生,提高了电池的充电接受能力和过放电性能。
(4)采用专用安全阀。
对于高原地区,由于大气压较低,特别调整了安全阀压力值。
(三)太阳能电池组件及方阵的设计
1.光伏组件方阵设计需要考虑的问题
(1)设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。
(2)蓄电池长时间处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。
(3)在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电,这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响,整个系统的运行费用也将大幅度增加。
(4)太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需要,也就是要保证在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。
(5)由于光照最差季节的光照度大大低于平均值,这样设计的太阳电池组件在一年中的其他时候会远远超过实际需要,而且成本高昂。
2.太阳能电池组件(方阵)的方位角与倾斜角
由于太阳能光伏发电的发电量与太阳光的辐射强度、大气质量、地理位置等因素有直接的关系和影响,因此在设计太阳能光伏发电系统时,应考虑太阳辐射的方位角和倾斜角、峰值日照时数等。
太阳能电池组件(方阵)的方位角与倾斜角的选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。
所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。
对于太阳能光伏系统来说,方位角以正南为00,由南向东向北为负角度,由南向西向北为正角度。
方位角决定了阳光的入射方向,决定了各个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。
倾斜角是地平面与太阳能电池组件之间的夹角。
倾斜角为00时表示太阳能电池组件为水平设置,倾斜角为900时表示太阳能电池组件为垂直设置。
(1)太阳能电池方位角的选择
太阳能电池的方位角一般选择正南方向,以使太阳能电池单位容量的发电量最大。
只要在正南±200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,这样有利于冬季多发电。
根据酒泉地区气候及地理条件,确定太阳能电池方位角为南偏西50~100
(2)太阳能电池倾斜角的确定
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的倾斜角。
一般取当地纬度或加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。
以下为根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角:
纬度为00~250时,倾斜角等于纬度;
纬度为260~400时,倾斜角等于纬度加上50~100;
纬度为410~550时,倾斜角等于纬度加上100~150;
纬度为550以上时,倾斜角等于纬度加上150~200。
酒泉经度98.50,纬度39.71,确定该地区太阳能电池安装倾角为44.80
四、设备的选型
(一)太阳能电池组件的选择
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。
本设计采用金敏品牌JM190M型号的光伏组件,其具体参数如下:
·最大功率:
190W
·重量:
16kg
·峰值工作电压:
36.5V
·峰值工作电流:
5.11A
·开路电压:
44.5V
·短路电流:
5.52A
·最大系统电压:
1000V
·产品认证:
TUV
·电池数量:
72
·外形尺寸:
1580*808*50
·额定工作温度:
45℃±2℃
图7组件尺寸图
表2酒泉市太阳能资源数据表
城市
纬度
最佳倾角
平均峰值日照时数(h)
水平面年平均辐射量
斜面年辐射量
斜面修正系数Kop
kWh/m2
kJ/cm2
kWh/m2(平均)
酒泉
39.710
44.80
5.45
1678.29
604.19
1988.74
1.1559
根据公式可以计算出:
串联电池组件数=
组件串联数=
≈2
补充的蓄电池容量(Ah)=安全系数×负载日平均耗电量(Ah)×最大连续阴雨天数
补充的蓄电池容量=1.2×(4000/48)×4=400AH
并联电池组件数=
组件平均日发电量(Ah)=选定组件峰值工作电流(A)×峰值日照时数(h)×倾斜面修正系数×组件衰降损耗修正系数
组件并联数=
≈17(两段阴雨天数最短间隔时间选3天)
电池组件(方阵)总功率(w)=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率(w)
电池方阵功率=190×2×17=6460W
电池方阵面积:
1.58×0.808×2×17≈43.4m2
通过计算,需要组件2串17并,共34块。
连接方式如图所示:
图8组件串并联图
(二)直流接线箱的选型
直流接线箱也叫直流配电箱,小型太阳能光伏发电系统一般不用直流接线箱,直流接线箱主要用于中、大型太阳能光伏发电系统中,用于把太阳能电池组件方阵的多路输出电缆集中输入、分组连接,不仅使连线井然有序,而且便于分组检查、维护,当太阳能电池方阵局部发生故障时,可以局部分离检修,不影响整体发电系统的连续工作。
图3.4.1所示是直流接线箱的电路图(单路)。
图9直流接线箱电路示意图(单路)
本设计选用无锡市友好电子技术有限公司生产的汇流箱,其具体参数如下表3所示:
表3汇流箱参数
电气参数与外形尺寸
光伏阵列电压范围
200~1000VDC
光伏阵列输入列数
≤24
每路输入最大电流
20A
环境温度
-40~+85℃
环境湿度
0~99%
通信接口
RS485
防护等级
IP54、IP65
宽*高*深
630*450*180
重量
15kg
本汇流箱带有防雷功能,因此防雷系统不需要另行设计。
图10汇流箱实物图
(三)光伏控制器的选型
光伏控制器要根据系统功率、系统直流工作电压、电池方阵输入路数、蓄电池组数、负载状况及用户的特殊要求等确定光伏控制器的类型。
一般小功率光伏发电系统采用单路脉冲宽度调制型控制器,大功率光伏发电系统采用多路输入型控制器或带有通信功能和远程监测控制功能的智能控制器。
控制器选择时要特别注意其最大工作电流必须同时大于太阳能电池组件或方阵的短路电流和负载的最大工作电流。
本系统采用单路并联型充放电控制器:
图11单路并联型充放电控制器原理图
并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输出端,当蓄电池电压大于“充满切离电压”时,开关器件T1导通,同时二极管D1截止,则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放,不再对蓄电池进行充电,从而保证蓄电池不会出现过充电,起到“过充电保护”作用。
D1为防“反充电二极管”,只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时,D1才能导通,反之D1截止,从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电,起到“放反向充电保护”作用。
开关器件T2为蓄电池放电开关,当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时,T2关断,起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。
同时,当蓄电池电压小于“过放电压”时,T2也关断,进行“过放电保护”。
D2为“防反接二极管”,当蓄电池极性接反时,D2导通使蓄电池通过D2短路放电,产生很大电流快速将保险丝BX烧断,起到“防蓄电池反接保护”作用。
检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测,当电压大于“充满切离电压”时使T1导通进行“过充电保护”;当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放电保护”。
根据上面的设计中,组件需要并联17组,所以系统的短路电流为
Ioc=5.52×17=93.84A
选择合肥赛光电源科技有限公司生产的SSCP-48-100A型号的控制器。
表4所选控制器参数
型号
SSCP-48-100A
光伏组件总额定功率
4.8kw
额定充电电流
100A
蓄电池组额定电压
48V
最大充电电流
≤125A
蓄电池过充电压点
57.6V
蓄电池过充电压恢复点
52.0V
蓄电池过放电压点
42.0V
蓄电池过放电压恢复点
50.0V
静态损耗电流
≤100mA
使用环境温度
-20℃~+50℃
使用海拔
≤2000m
防护等级
IP20
设备外形尺寸
355×380×150
设备净重
8.0KG
图12控制器外壳
(四)光伏逆变器的选型
光伏逆变器选型时一般是跟据光伏发电系统设计确定的直流电压来选择逆变器的直流输入电压,根据负载的类型确定逆变器的功率和相数,根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。
逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率,负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。
在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。
在独立光伏发电系统中,系统电压的选择应根据负载的要求而定。
选用湖北雷特斯科技有限公司生产的TLS-4KVA型逆变器,其技术参数如下:
表5所选逆变器参数
型号
TLS-4KVA
额定功率
4000W
电池电压
48V
最大放电电流
20A
输出电流
18A
充电电流
按电池容量的10%计
瞬时最大功率
150%技术指标,10秒
输出电压
220VAC±3%
输出频率
50Hz±0.05Hz
空载电源
≤0.8ADC
波形失真率(THD)
≤5%(线性负载)
逆变效率
≥90%
工作环境温度
-10℃~60℃
工作环境海拔
《1000米
图13逆变器
综上所述,本系统需要的设备如下列表所示:
表6本系统所需的设备数量及价格
设备名称
数量
单价
合计
蓄电池
6
¥750/节
¥4500
组件
6460w
¥4.3/w
¥27778
直流接线箱
1台
¥2300/台
¥2300
控制器
1台
¥1350/台
¥1350
逆变器
1台
¥4460/台
¥4460
其它(电缆等)
——
——
¥15000
工程总投资:
¥55388
五、系统连接图
图14独立光伏发电结构连接系统示意图
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
致谢
作为一个大专生的毕业设计,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,在这里衷心感谢指导老师的督促指导,以及一起学习的同学们的支持,让我按时完成了这次毕业设计。
在毕业论文设计过程中,我遇到了许许多多的困难。
在此我要感谢我的指导老师董鋆刚老师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导,他的治学严谨和科学研究的精神是我永远学习的榜样,并将积极影响我今后的学习和工作,我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题。
同时感谢大学三年传授我们专业知识的所有老师,谢谢你们呕心沥血的教导。
还有谢谢我周围的同窗朋友,他们给了我无数的关心和鼓励,也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。
如果没有他们的帮助,此次毕业论文的完成将变得困难。
他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。
同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振,取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。
最后,感谢生我养我的父母。
谢谢他们给了我无私的爱,为我求学所付出的巨大牺牲和努力。
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