电气工程及其自动化毕业设计-家庭式太阳能供电系统的研究与设计.doc

1、.装订线 .毕 业 论 文家庭式太阳能供电系统的研究与设计院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气 3 班 届 次 2015 届 学生姓名 学 号 指导教师 i 目 录摘要 .IAbstract .II引言 .11 太阳能光伏发电的现状 .11.1 太阳能供电的背景与意义 .11.2 中国太阳能发电现状 .21.3 家庭式太阳能供电系统的现状 .32 太阳能发电系统 .32.1 太阳能发电方式简介 .32.2 太阳能光电转化的基本原理 .42.3 太阳能蓄电池 .52. 4 逆变器的基本工作原理 .52 .5 家庭式太阳能供电系统的基本组成 .63 主要构件的选择及应用 .83. 1 太阳能

2、电池板的选择 .83. 2 蓄电池的选择 .83. 3 防反冲二极管的选择 .93. 4 太阳能控制器的应用 .93. 5 逆变器的应用 .104 家庭式太阳能供电系统的设计 .124.1 家庭式太阳能供电系统整体设计步骤 .124.2 家庭式太阳能供电系统光伏组件的确定 .134.2.1 光伏方阵最佳倾角计算 .134.2.2 平均峰值日照时数 的计算 .140T4.2.3 负荷的计算 .154.2.4 计算方阵最佳方阵应输出电流 .154.2.5 计算太阳能电池板工作电压 .164.2.6 计算太阳能电池板的功率 .174.3 蓄电池组的容量确定 .174. 4 逆变器和控制器的确定 .1

3、85 计算机软件的应用及设计举例 .185. 1 RETScreen 数据库的应用 .185. 2 家庭式太阳能供电系统设计举例 .205. 3 应用 PVSYST 进行系统设计 .256 结论 .37ii 参考文献 .39致谢 .40iii ContentsAbstract .IIIntroduction.11 Status of solar photovoltaic power generation.11.1 Background and significance of solar-powered.11.2 Status of Chinese solar power.21.3 Status

4、 of Household Solar power generation system.32 Solar power generation system.32.1 Introduction of solar power generation.32.2 The basic principles of solar photovoltaic conversion.42.3 Solar Battery .52. 4 The basic principle of the inverter .52 .5 The basic composition of household solar power syst

5、em.63 Selection and Application of major components.83. 1 Select solar panels.83. 2 Battery Selection.83. 3 Anti-kickback diode selection .93. 4 The use of solar controllers.93. 5 Inverter Applications .104 The design of home solar power system.124.1 The steps of design Household Solar power generat

6、ion system.124.2 PV modules.134.2.1 Optimum tilt angle of PV modules .134.2.2 The Hours of the average peak sunshine .144.2.3 Load calculation.154.2.4 The best current of PV modules .154.2.5 The Voltage of PV modules.164.2.6 Calculating the average power of solar panels .174.3. Determine the capacit

7、y of the battery pack .174. 4 Inverter and controller select .185 Software application and Design Examples .185. 1 RETScreen database .185. 2 Design of Household Solar power generation system .205. 3 Using Pvsyst to design system.256 Conclusion .37iv References.39Acknowledgement .40I 家庭式太阳能供电系统的研究与设

8、计摘要：太阳能是最普遍的自然资源，亦是取之不尽的可再生清洁能源，它与化石能源相比，有很大优势。工业革命后人类生产生活方式发生巨大改变，对能源的需求越来越大。随着自然环境的恶化及化石能源开采难度不断增大，能源的可持续供应受到人类的重视，如何利用太阳用进入了人类的视野。本论文全面分析了当今世界太阳能发电的现状和国内状况，强调家庭式太阳能供电系统在我国及全世界发展的必要性。论文循序渐进的对太阳能供电系统的原理、主要构件的选择与应用、家庭式太阳能供电系统设计进行了全面阐述，并结合实际地域进行了系统设计举例。另外本论文应用了计算机软件RETScreen、NASA 数据库、 PVSYST 对太阳能供电系统

9、设计进行指导和模拟。关键词：太阳能；光伏发电系统；系统设计；太阳辐射；软件应用II Study and Design of Household Solar Power Generation SystemAbstract since the industrial revolution, the rapid development of the industry have brought great convenience to human life, but at the same time the need of energy is getting more. It will let us f

10、ace with a serious energy crisis. In fact, the use of oil and coal caused global climate get worse. So the new energy exploration and research has become a topic of common concern of all countries in the world. In many kinds of new energy, solar energy is the most primitive and inexhaustible. It is

11、a kind of renewable energy, but also the primary energy. Solar energy is coming to the earth mainly as light and heat. Solar energy does not pollute the environment, does not need to transport, carry by light. So in a number of new energy, it is the cleanest. Among many ways of using solar energy, t

12、he solar photovoltaic power generation is the mainly way. In this thesis, household solar power generation system as the research center, every link of the Whole system is introduced with the analysis and choice. In addition,we also use the RETScreen、NASAs database、PVSYST to guidance and simulation

13、for the design of Household Solar power generation system.keywords: solar power; photovoltaic power generation system; system design; solar radiation; application of the software1 引言在地球环境污染和能源形势的变化日趋严峻的背景下，太阳能作为绿色能源越来越受到世界各国的重视。不论是从经济、社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从为世界上 2 0 亿无电人口和一些特殊用途解决现实的能源供

14、应出发，发展太阳能光伏发电均具有重大的现实意义，利用太阳能是人类未来的希望。家庭式太阳能发电系统是解决无电、缺电人口用电问题，改善能源结构的有效途径，具有强烈的紧迫性及战略意义。1 太阳能光伏发电的现状1.1 太阳能供电的背景与意义工业革命后人类生产生活方式发生巨大改变，如何获得能源成为人类所关心的问题,能源短缺直接制约着经济和社会的发展，能源的持续供应成为关注的焦点，各国相继开启可再生能源的开发的研究。地球环境污染和能源形势变的日趋严峻，人类迫切需要一种新型的清洁能源替代煤炭、石油、天然气组成的传统化石能源。太阳能这种绿色能源受到了世界各国的关注，利用太阳能发电也成为人类的研究重点。太阳能如

15、下强势的优点：(1）人类在地球生存的历史与太阳的寿命相比，太阳对人类来说是无限存在的，这种资源取之不尽用之不竭 (2）太阳发射出来的能量对于人类来说十分巨大，太阳光线四十分钟内给予地球的能量，若被人类全部利用，可供应世界一年的能源消耗。 （3）太阳能量的传递依靠太阳光，阳光对生物环境都没有危害，不存在浪费污染，只存在没有利用。 （4）有阳光的地方就可以利用太阳能，是一种最公平的自然资源。作为一种完全清洁的能源，在未来太阳能取代传统的化石能源，对人类发展的可持续性具有重大的意义。随着科研投入不断加大，相关技术的发展与成熟，现如今光伏发电技术可以应用在任何光照的条件下，为用户提供电能。当前研发不断

16、取得突破性的进展，制造工艺逐渐成熟，系统组件的制造成本不断降低，在不远的将来，太阳能发电将由现在的补充能源上升到最普及的替代能源。据国际能源署预测，到 2020 年，全球的总发电量中太阳能发电将占据 2%的份额。许多发达国家都在积极发展可再生能源利用的研究， 据统计仅光伏电池年产量平均增速已超过 40%，迅速“发酵”的国际光伏市场也带动了我国相关产业的快速发展。中国已经成为世界上最大的太阳能电池制造国，未来太阳能光伏发电将会在世界能源消耗占据重要地位，不但会替代常规的化石能源，而且会在世界能源供应中的占据主体地位。估预测到 2030 年，可再生能源的利用在总能源中比例将达到 30%，太阳能光伏

17、发电量占到2 世界总电力供应量的 10 %左右；预计到 2040 年，世界能耗中可再生能源的比重会占到50%左右，世界总电力中光伏发电的供给量达到 20%；21 世纪末期,可再生能源的供应在全球总能源结构中的比重将高达 80%左右，其中太阳能发电量将至少占据全球总能源的60%左右。这些数字足以勾画出太阳能光伏产业发展的美好前景，我国发展光伏产业在能源领域具有重要的战略地位。中国是世界上第二大电力消耗国，电能成为最重要的能源，电力短缺对中国经济发展的制约作用已十分明显，我国多个领域亟待进行节电改造。随着工业化的推进，中国人民生活条件的改善，我国电力需求量不断增大，如何保证电力充足供应得到中国政府

18、的高度重视，太阳能发电技术对改善我国的能源结构具有促进作用。现今生态环境不断恶化，传统能源开采难度也不断加大，广泛使用绿色能源可以减少二氧化碳及其它有毒气体的排放，防治大气污染温室效应，对保护生态环境及能源的充足供应都具有重要意义。因此，研究太阳能这种绿色能源的有效利用具有强烈的紧迫性及战略意义。1.2 中国太阳能发电现状我国太阳光年日照时数大于 2000 小时，资源量很丰富，年太阳能辐射总量大于 1389千瓦时每平方米的地区约占全国总面积的 2/3，具有太阳能利用的坚实基础。中国太阳能技术的研究比发达国家晚，我国在 1958 年开启了太阳电池的研究项目，其成果首次成功应用在 1971 年发射

19、的“东方红二号”卫星上，1973 年我国自产的太阳电池开始在港口面航标灯上应用。1979 年我国开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池，使得太阳电池制造成本降低，并首次打开了应用的市场。当时生产的太阳电池面积较小，其电极采用的是真空蒸镀银铝的制作方法。到 80 年代中后期，中国开始引进国外太阳电池生产线和关键技术设备，当时我国太阳电池产能达 4.5MW。 21 世纪以后，中国对新能源的重视程度加大，随着投入的增加，在该领域技术不断的进步，我国在光伏发电方面开始培养了一大批的科研人员从事新能源发展和推广。中国与发达国家的差距在一步步的缩小，到 21 世纪，国内光伏发电市场呈现加速发展趋势，年

20、增长速度在 20%左右，中国光伏产业的发展已具有初步规模，已广泛应用到国内生产生活的多个领域，如通信、交通、家庭生活用电等多个领域，其在航标灯塔、铁路公路等信号系统、微波中继站、高山气象站、边防哨卡独立电源、偏远山区等地域分散型用电领域都可发挥独特作用。 我国政府目出台一系列扶持光伏发电发展的优惠政策，在太阳能光伏发电的相关方面先后制定了发展的策略，并制定了相应法律法规。为太阳能发电技术的发展营造了积极的国内环境。我国是世界上最大的发展中国家，地域辽阔，电网范围不可能覆盖到全部区域，我国有 8 亿人口在农村，很多偏远的农村地区还用不到电，生活水平低下，生活极不方便。至目前资料显示，中国仍存在二

21、万个无电村、多达上千无电的岛屿，至少 2300 万的居民缺少的电能供应，太阳能发电项目要优先服务处于无电、缺点的用户，家庭式太阳能发3 电系统的普及对我国改善民生，提高国民生活质量具有重要意义。为区域协调发展，为促进人民生活水平的提高，我国启动了“西部省区无电乡村通电计划” 。主要由小型风力发电、光伏发电这两种途径解决西部地区七个省份无电乡村的用电问题。2010 至 2020 年将继续推广，预计太阳能发电系统的安装量将达到 100MW。中国政府的大力支持对太阳能发电领域快速发展起了很大的推动作用。1.3 家庭式太阳能供电系统的现状现阶段家庭式太阳能光伏发电系统主要解决用于无电、缺电地区的用电问

22、题。在这些用户中，大多数都是偏远山区、牧区、移动性的养蜂户、林区单位，这些单位一般只需满足最基本的照明等生活用电需求，很适合用家庭式太阳能供电系统解决用电问题。家庭式太阳能光伏发电系统，若在无电、缺电地区以 80%的保有量计算，加上国家推广的“光明工程” 、 “送电到乡工程”投资建设的大中型的光伏电站，能解决一百万户家庭的生活用电问题。资料显示，2010 年底，太阳能发电累计安装容量达到 70MW，农村地区的电力建设占到 43%，而我国仍有三百万户家庭处于无电可用的状态，今后我们要采用太阳能或风光互补发电系统来解决 150 万户家庭的用电问题。由于偏远山区受地域的限制，输配电设备很难架设，只能

23、采用分散式的供电方式，即应用家庭式太阳能光伏发电系统。随着用户需求的不断提高，现有太阳能发电系统也亟需升级换代。因此，发展家庭式太阳能供电系统对我国有很现实的意义。2 太阳能发电系统2.1 太阳能发电方式简介太阳能发电有两种利用方式：光-热-电转换方式和光-电直接转换方式。光-热-电转换方式：收集太阳辐射的热能发电。通过太阳能集热器吸收太阳辐的射热能转换成蒸气的动能，由蒸汽推动发电机发电。前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发电原理相似。这种发电方式的有很大的缺点，效率低成本高，只适用于小规模的特殊场合，不能大规模利用。光-电直接转换：将太阳辐射能直接转换为电能，即光电效应。光电转换的基本装置是太阳能电池，它是一种半导体光电二极管，只要有光照到光电二极管上时，利用光电效应，就可以把太阳的光能转变成电能，产生电动势。太阳能电池方阵就是由许多个电池串联或并联起来，以产生较大的功率。目前利用太阳能电池板发电被广泛应用，完全利用太阳能为一户家庭供电，已经得以实现并成熟应用。