1、 1 光伏屋顶的软件模拟设计 论文摘要 随着常规能源的枯竭，太阳能的开发利用已成不可逆转的趋势，其中便涉及到太阳能光伏系统设计。光伏系统是将太阳能转化为电能的系统。 本文分为三个部分，第一部分针对太阳能光伏发电的原理和功能进行详细的阐述。第二部分详细介绍了光伏系统设计软件 PV SOL 的操作界面和使用方法。最后通过模拟实例 设计 了一套光伏系统方案。 关键词 ：太阳能，光伏系统， PV SOL 软件 Software Simulation Design for Photovoltaic Roof Abstract As the rountine energys running out, Th
2、e development and utilization of solar energy has become an irreversible trend, and it deals with the designation of PV system. Photovoltaic system is a power generation system that converts the solar energy to electric power. There are three parts in this paper: firstly, the detailed introduction t
3、o the theory and functions of PV system; secondly, the introduction to the usage of the PV system analysis software PV*SOL; finally, an simulation example is given to show how to use this software to design a PV system. Keywords: solar energy, PV system, PV*SOL 2 目录 论文摘要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . 错误 !
4、未定义书签。 目录 . 2 第一章 光伏系统研究 . 3 1.1 光伏系统的工作原理 . 3 1.2 光伏系统设计 . 5 1.3 并网光伏系统设计 . 11 1.4 光伏系统的硬件设计 . 12 1.5 太阳能光伏系统性能分析 . 12 1.6 光伏系统设计软件介绍 . 13 第二章 PV SOL 软件的使用 . 14 2.1 第一部分 Stand-Alone System 的设计 . 14 2.2 第二部分 Grid Connected System 的设计 . 26 第三章 利用 PV SOL 软件进行实例模拟设计 . 31 3.1 中山大学户用光伏建筑一体化示范系统简介 . 31 3.
5、1.1 光伏屋顶 . 31 3.1.2 光伏长廊 . 32 3.2 以下详细介绍光伏屋顶模拟设计及分析 . 33 3.3 结果分析与比较 . 36 3.4 总结 . 37 参考文献： . 38 致谢 . 39 3 第一章 光伏系统研究 1.1 光伏系统的工作原理 1、 工作原理：白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起 来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放
6、电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。 2、 光伏系统的组成 光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等设备组成。其各部分设备的作用是： 太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端 出现异号电荷的积累，即产生 “光生电压 “，这就是 “光生伏打效应 “。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非
7、晶硅太阳能电池三种。 蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是： a.自放电率低； b.使用寿命长； c.深放电能力强； d.充电效率高； e.少维护或免维护； f.工作温度4 范围宽； g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用 的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套 200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为 2VDC；配套 200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。 充放电控制器：是能自动防止蓄电池
8、过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。其工作原理如下： 图 2 逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太 阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成
9、本高，但可以适用于各种负载。 逆变器工作原理图如下： 5 图 3 逆变器保护功能： a、过载保护； b、短路保护； c、接反保护； d、欠压保护； e、过压保护； f、过热保护。 交流配电柜：其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。 1.2 光伏系统设计 光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计。 光伏系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需要的太阳电池组件和蓄电池数量。同时注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量的减少系统成本。 光伏系统硬件设计的主要目的是根据
10、实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型、支架设计 、逆变器的选择、电缆的选择、控制测量系统的设计、防雷设计和配电系统设计等。在进行系统设计的时候要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。 设计的基本原理 太阳能方阵设计的一个主要原则就是满足平均天气条件下负载的每日用电需求。因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳能方阵和蓄电池在天气条件有别于平均值的情况下协调工作。蓄电池在数天的恶劣气候条件下，其荷电状态将会降低很多。在太阳能方阵大小的设计中不要考虑尽可能快得6 给蓄电池充满电。如果这样，将会导致一个很大的太阳能方阵，使得系统成本过高。而在一年中的绝大部 分时间里太阳能方阵的发
11、电量会远远大于负载的使用量，从而造成太阳能方阵不必要的浪费。蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值的情况下给负载供电，在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下，太阳能方阵就会给蓄电池充电。 设计太阳能方阵要满足光照最差季节的需要。在进行太阳能方阵设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的太阳能方阵输出要等于全年负载需求的平均值。在那种情况下，太阳能方阵将提供负载所需要的所有能量。但这也意味着每年都有将近一半时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间处于亏电装状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。而在独立光 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
12、的运行费用也将大幅度增加。 太阳能方阵设计中较好的办法是使太阳能方阵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的充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。 如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值，这种情况下仍然按照最差情况考虑太阳能方阵大小，那么所设计的太阳能方阵在一年中的其他时候就会远远超过实际需要，成本高昂。这时候就 可以考虑使用带有备用电源的混合系统。但是对于很小的系统，安装混合系统的成本会很高；而在偏远地区，使用备用电源的操作和维护费用也很高，所以设计独立光伏系统的关键就是选择成本效益最好的方案。 2、蓄
13、电池设计： 我们需要引入一个不可或缺的参数：自给天数，即系统在没哟任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。 自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件即最大连续阴雨天数。 基本公式： 第一步，将每天负载所需要的用电量乘以根据 实际情况确定的自给天数就可7 以得到初步的蓄电池容量。 第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电
14、池供应商得到详细的有关蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用 80%放电深度；如果使用的是浅循环型蓄电池，推荐使用 50%，设计蓄电池容量的基本公式如下： 自 给 天 数 日 平 均 负 载蓄 电 池 容 量 最 大 放 电 深 度 （ 1） 下面我们介绍确定蓄电池串并联方法。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，我们将蓄电池串联起来给负载供电，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。 负 载 标 称 电 压串 联 蓄 电 池 数 蓄 电 池 标 称 电 压 （ 2） 对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容
15、量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度。 首先，我们考虑放电率对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。这样就会对我们的容量 设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是 10 个小时放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为 100 200 小时。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。光伏系统的平均放电率公式如下： 自 给 天 数
16、 负 载 工 作 时 间平 均 放 电 率 （ 小 时 ） 最 大 放 电 深 度 （ 3） 上式中的负载工作时间可以用下述方法估计：对于只有单个 负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数；对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工8 作时间的计算方法如下： 负 载 功 率 负 载 工 作 时 间加 权 平 均 负 载 工 作 时 间 负 载 功 率（ 4） 根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。 下面考虑温度对蓄电池容量的
17、影响。蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。通常，铅 酸蓄电池的容量是在 25C 时标定的。随着温度的降低， 0C 时的容量大约下降到额定容量的 90%，而在 -20C 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境温度对其容量的影响。 完整的蓄电池容量设计计算 考虑到以上所有的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式。 自 给 天 数 日 平 均 负 载蓄 电 池 容 量 最 大 允 许 放 电 深 度 温 度 修 正 因 子 （ 5） 3、下面对每个参数进行总结分析： 最大允许放电深度：一般而言，浅循环蓄电池的最大允许
18、放电深度为 50%，而深循环蓄电池的最大允许放电深度为 80%。如果在严寒地区， 就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正。设计时可以适当的减少这个值扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。例如，如果使用深循环电池，进行设计时，将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为 60%而不是 80%，这样既可以提高蓄电池的使用寿命，减少蓄电池系统的维护费用，同时又对系统初始成本不会有太大的冲击。根据实际情况可对此进行灵活处理。 温度修正系数：当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照 25C 标准情况算出来的容量值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载
19、的 用电需求。 指定放电率：指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。使用供应商提供的数据。可以选择适于设计系统的在指定放电率的合适蓄电9 池容量。如果在没有详细的有关容量 -放电率的资料的情况下，可以粗略的估计认为，在慢放电率（ C/100 到 C/300）的情况下，蓄电池的容量比标准状态多 30%。 当计算出了所需的蓄电池的容量后，下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量。实际应用中，要尽量减少并联数目。也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目。这样做的目的就是为了尽量减 少蓄电池之间的不平衡所造成的影响，因为一些并联的蓄电池在充放电的时候
20、可能会与之并联的蓄电池不平衡。 4、太阳能方阵设计 基本公式 太阳能方阵设计的基本思想就是满足年平均日负载对用电需求。 AHAH日 平 均 负 载 （ ）并 联 的 组 件 数 量 组 件 日 输 出 （ ） （ 6） VV系 统 电 压 （ ）串 联 组 件 数 量 组 件 电 压 （ ） （ 7） 太阳能方阵设计的修正 太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低。有必要对上述基本公式进行修正。 将太阳电池组件输出降低 10%，泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变 都会降低太阳电池组件的输出。通常的做法就是在计算的时候减少太阳电池组件的输出 10%来解决上述的不可预知和不可量化的因素
21、。 将负载增加 10%以应付蓄电池的库仑效应。在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说太阳能方阵产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失，我们用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。不同的蓄电池其库仑效率不同，通常可以认为有 5% 10%的损失，所以保守设计中有必要将太阳能方阵的功率增加 10%以抵消蓄电池的耗散损失。 完整的太阳能方阵设计计算 考虑到上述因素，必须修正简单的太阳能方阵设计公式，将每天的负载除以蓄电池的库伦效率，这样就增加了每天的负载，实际上给出了太阳能方阵需要的10 负载；将衰减因子乘以太阳电池组件
22、的日输出，这样就考虑了环境因素和组件自身衰减造成的太阳电池组件日输出的减少，给出了一个在实际情况下太阳电池组件输出的保守估计值。综合考虑以上因素，可以得到以下计算公式。 AHAH日 平 均 负 载 （ ）并 联 的 组 件 数 量 库 仑 效 率 组 件 日 输 出 （ ） 衰 减 因 子（ 8） VV系 统 电 压 （ ）串 联 组 件 数 量 组 件 电 压 （ ） （ 9） 利用上 述公式进行太阳能方阵的设计计算时，还要注意以下问题： 考虑季节变化对光伏系统输出的影响，逐月进行设计计算。根据太阳电池组件电池片的串联数量选择合适的太阳电池组件。 36 片太阳电池组件主要适用于高温环境应用：
23、 33 片串联的太阳电池组件适宜于在温和的气候环境下使用峰值小时数的方法估算出太阳电池组件的输出。因为太阳电池组件的输出在标准状态下标定的，但在实际使用中，日照条件以及太阳电池组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同，因此有必要找出一种可以利用太阳电池组件额定输出和气象数据来估算实际情况下太阳电池组件的方法，我 们可以使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的日输出。该方法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成同等的利用标准太阳辐射 1000W/m 照射的小时数。将该小时数乘以太阳电池组件的峰值输出就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数。使用峰值小时数方法存在一些确定，在峰值小时方法中做了一些简化，导致估算结果和实际情况有一定的偏差：首先，太阳电池组件输出的温度效应在该方法中被忽略。其次，在峰值小时方法中，利用了气象数据中测量的总太阳辐射，将其转换为峰值小时。实际上，在每天的清晨和黄昏，有一段时间因为辐射很低，太阳电池组件产 生的电压太小而无法供给负载或者给蓄电池充电，这将会导致估算偏大。 总的来说，在已知本地倾斜面上太阳能辐射数据的情况下，峰值小时估计方法是一种对太阳电池组件输出进行快速估算很有效的方法。 5、蓄电池和太阳能方阵设计的校核 校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不会过放电。 计算公式如下，但是如果自给天数很大，那么实际的每天放电深度可能相当小，不需要进行校核计算。
