PVsyst家用独立光伏发电系统的优化设计

《太阳能光伏发电原理与应用》

课程设计

课题名称：家用独立光伏发电系统的优化设计

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指导教师：刘国华

课题工作时间：至

武汉工程大学教务处

家用独立光伏发电系统的优化设计

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摘要：随着世界性的能源短缺问题的日益严重，开发和利用新能源是一种必然的趋势，而太阳能就是其中最好的能源之一，本文通过对太阳能组件工作的原理的学习和认识，选择相应的组件，设计一个位于武汉的独立的太阳能供电系统实现对指定的用电器进行供电，并采用PVsyst 这个软件对设计进行模拟仿真和计算，得出该系统年发电量为1110度电，可以满足该用户的需求，每度电价格为元。

关键词：能源短缺，太阳能组件，独立光伏发电系统，PVsyst

0引言：

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，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。现今国内外都在大力发展太阳能，比如建造大型太阳能发电基地，建设太阳能的公共设施，太阳能的建筑一体化等等。本文将对一个独立光伏系统进行设计，并且采用PVSYSTEM该软件进行模拟和优化设计，从而达到进一步了解光伏发电系统的目的。

1太阳能电池的基础知识

相关地理知识

整个地球经度每15度为一个时区，共24个时区，以格林威治天文台所在的子午线处为0时，该设计地点武汉位于北纬度东经度，处于第8时区。太阳能电池的安装参数

为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的参数是一

个十分重要的问题。

①方位角:太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。方位角＝（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）－12）×15＋（经度－116）。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。

②倾斜角：倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射

量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。

③阴影对发电量的影响一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。针对这种情况，我们要对理论计算值进行校正。通常，在方阵周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影。如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后，前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。有一个高为L1的竹竿，其南北方向的阴影长度为L2，太阳高度（仰角）为A，在方位角为B时，假设阴影的倍率为R，则：R ＝L2/L1 ＝ctgA×cosB。此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。例如方阵的上边缘的高度为h1，下边缘的高度为h2，则：方阵之间的距离a ＝（h1-h2）×R。当纬度较高时，方阵之间的距离加大，相应地设置场所的面积也会增加。对于有防积雪措施的方阵来说，其倾斜角度大，因此使方阵的高度增大，为避免阴影的影响，

相应地也会使方阵之间的距离加大。通常在排布方阵阵列时，应分别选取每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。具体的太阳电池方阵设计，在合理确定方位角与倾斜角的同时，还应进行全面的考虑，才能使方阵达到最佳状态。

独立光伏系统的组成部分和设计要求

目前在独立运行的光伏发电系统中，普遍采用的结构如图1所示，首先利用太阳能电池来收集太阳能，在经过DC/DC变换器给蓄电池充电，由于蓄电池的电压较低，往往无法满足逆变要求，因此还需要一个升压变压器，将直流电压升高，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1：独立光伏系统构成图

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，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公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Wp与太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

②DC/DC变换器的选择:转换效率要高，静态电流要小，可以更省电；输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；噪音要小，对手机的整体电路无干扰；功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计的更小巧；足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫。

③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，但应用较少；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、独立运行天数、安装地环境温度。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。这里我们将持续放电时间称为：独立运行天数，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。在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数。蓄电池容量=（日负载需求*独立运行天数）/（最大放电深度*容量修正系数）。

④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。2设计的具体方案

本次要求为一个独立的光伏发电系统来供给处于武汉一个基本的家庭用电。

各项参数的设置：

①确定武汉的天气状况：武汉处于北纬度，东经度，海拔为30M.第8时区.利用软件PVsyst自动导入天气状况,如图2所示。

图2：武汉天气情况的导入

②确定安装的角度：因为相对而言冬季的太阳辐射量低，所以该系统的安装角度以冬季为标准，利用软件自带的模拟检测，确定电池板安装的倾斜角为43度，方位角为0度能够达到最大辐射接收量。

③确定阴影遮盖损耗：由于本次设计为房屋建筑物顶端，预想为没有阴影遮盖

④系统的负载情况：

每日的用电消耗量：3040Wh/day

⑤确定系统参数：允许的缺电概率设置为%，最长自主供电天数,及最长连续阴雨天数设置为10天，电池电压为24V，软件自动计算出建议的容量为1403Ah，光伏功率为

⑥电池组件的选择：选用2V1370Ah的蓄电池（Fulmen所生产的TXE 1300/OPzS1200）,串联数=总电压/单个电池电压=24/2=12；并联数=总容量/单个电池容量=1403/1370=1。则总共用了12个电池容量为1370Ah，存储电量为。

⑦电池板的模块选择：由于该系统只是一般的家庭系统，按照经济适用的原则来看，选择非晶硅的电池板比较合适，经筛选选择由Solar Cells

生产的SMAL 436 50Wp12V的电池板，串并联计算方法与蓄电池计算方法基本相同，得出需要2个并联10个并联，总共20块电池板。阵列电压值为，电流值为，功率为。

⑧其他选择：为防短暂的供电不足，本系统还加入了备用发电机

将个部分设定好之后软件自动计算出其各项损耗，如图3所示

图3：该系统的损耗图像

设计结论：

经软件模拟仿真之后得到如下结果，如图4

图4：仿真结果图

图像说明该系统无论在那个月均可以满足用户的需求。但是相较而言能量利用率仅为，利用率较低。

经济评价：

本次设计投资如下

产品数量型号生产商单价总计

电池板2*10=20SMAL 436

50Wp12V Solar

Cells

100020000