1、理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 1 中山大学硕士学位论文 光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 2 摘 要 近年来，太阳能光伏发电技术在国内外得到广泛的应用和快速的发展。其中，光伏系统的设计、评估与应用十分重要：光伏系统设计的优劣决定着光伏系统建成后运行的好坏；对光伏系统进行有效、科学的评估可以清楚地了解光伏系统的各方面性能，积累数据；而光伏系统的应用对推广光伏发电来说是必要的。本论文的主要工作就是围绕着太阳能光伏系统设计、 评估 和应用 进行 的 。本文可以分为理论部分和实验部分。 第一部分 为理论基
2、础部分。首先 论述 了 光伏 系统设计的原则和流程，对 目前光伏领域的热点问题 光伏建筑一体化 工程在 设计中需要考虑 的因素给出总结和分 析； 通过 实测 数据 的 采集和软件模拟，对自己设计的小型光伏系统进行分析和评估， 有效评价了光伏组件的发电量，得出的结论有助于评估其他类似的大型光伏系统；在国内首次详细地对光伏系统的经济效益分析进行理论说明以及案例解析 ，将国外生命周期成本 的方法引入。 国内在光伏系统设计和评估方面 ，尤其是经济性评估方面一直没有完整的理论基础 ，本部分的工作 一定程度上 弥补了这一空白。 第二部分 为实验部分，本部分论述了作者硕士期间的主要工作 研制开发一台 新型太
3、阳能电动车 并对其进行评估 ，详细说明其设计原理、 创新点、 评估方法、结果以及太阳能电动车未来的发展趋势。 提出在电动车每天运行 6070 公里的情况下，太阳能发电占 30以上的设计目标。 针对国内同类产品的不足，首次采用 太阳电池组件与车体 一体化 的 设计理念，使得 两者 更好地结合；首次采用的顶部双 层 抽屉式结构（已申请专利）有效增加了太阳电池组件数量 、提高了太阳能发电的比例； 设计并制作的透明高效太阳电池组件增加了美观性以及组件的发电效率； 通过 各种评估手段和方法分析太阳能电动车的运行效果，得出相关结论，并 达到设计前提出的目标。研制 的 新型 太阳能电动车采用了较多的新理念、
4、方法和手段，是至今为止国内在该领域的重要探索和创新。 最后，本文论述了太阳能电动车的发展趋势和前景。指出随着电动车技术和光伏技术的发展，通过合理的设计，太阳能电动车最终会得到广泛的应用。 关键词：光伏系统；设计和评估；太阳能电动车；一体化设计；经济效益分析 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 3 ABSTRACT Photovoltaic (PV) technology is wildly used and developing fast in both China and oversea recently. The design, evaluation and app
5、lication of PV systems are extremely critical: the effect of PV systems design influences the operational effect of the built systems; Effective and efficient evaluation of PV systems can make us know clearly the all-round performance of the systems and accumulate useful data; Application of PV syst
6、em is necessary for the promotion of PV. The thesis just mainly concentrates on the design, evaluation and application of PV system, and can be divided into theoretical and experimental part. The first part is theoretical part. It describes the principle and procedure of PV design, summaries and ana
7、lyzes the factors which should be took into consideration in Building Integrated Photovoltaic(BIPV) design. At this part, the author analyzed and assessed a small PV system designed by himself and came up with relative conclusions which would be useful for other PV systems design. Further more, it f
8、irstly shows a detailed theory and study case about economic analysis of PV system, introduces the method of Life Cycle Cost(LLC). The above job offsets the lack of complete theory on PV systems design and assessment in China， especially the economic analysis. The second part is experimental part. F
9、irst, it describes a new solar electric car that is designed by the author, gives a detailed explanation of the design principle, evaluation method, result and developing trend. It comes up with the aim: when the car run 60-70km per day, the ratio of PV should reach 30%. According to the disadvantag
10、es of the similar products in China, integrating design idea is initially used to make a better combination of the solar modules and the electric car. Double layer structure (patented) which is firstly used effectively increases the total power of solar cells and the ratio of solar energy. Whats mor
11、e, many kinds of evaluation 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 4 methods are used to assess the performance of the car and come to some conclusions. The new solar electric car, which was made by some new ideas and analyzed by comprehensive method, is an important study on this area in China till now. Fin
12、ally, the thesis introduces the developing trend and perspective of solar electric car, and forecasts the solar electric car will be wildly used with the development of PV and electric car technology. Keywords: PV systems; Design and evaluation; Solar electric car; Integrating design； Economic effec
13、t analysis 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 5 目 录 中文摘要 英文摘要 目录 第 1 章 绪论 1 1.1 太阳能光伏系统的组成和基本原理 2 1.2 光伏产业现状与发展趋势 3 1.3硕士论文的主要工作 4 第 2 章 太阳能光伏 系统的优化设计与技术、经济评估 5 2.1光伏系统的设计和评估的重要性 5 2.2光伏系统设计的基本原则和流程 8 2.3 光伏系统设计详细说明 9 2.4 光伏建筑一体化系统和工程的设计 12 2.5 光伏系统设计软件 17 2.6 通过不同方法评价光伏组件输出 19 2.7 系统经济效益的分析 24 2.8 光伏系统的
14、性能分析 43 第 3 章 新型太阳能电动车的设计 48 3.1 太阳能电动车发展现状 48 3.2 新型太阳能电动车一体化设计原理和模式 52 3.3 用于新型太阳能电动车的太阳电池和组件 57 3.4 新型太阳能电动车其他部件的设计 67 第 4 章 新型太阳能电动车的性能分析和评估 80 4.1软件模拟评估 80 4.2 实测数据 87 第 5 章 太阳能电动车的发展前景 93 5.1 太阳能电动车的发展趋势 93 5.2 太阳能电动车的发展前景 95 结束语 96 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 6 参考文献 100 攻读硕士学位期间发表的论文与专利 106
15、 附录： Sunpower 透明组件测试报告 107 致 谢 111 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 7 第 1 章 绪论 面对世界能源与环境危机的加剧，大力发展洁净、可再生能源成为世界各国能源发展 的 战略。因此，开发洁净、可再生清洁能源已成为二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一。太阳能是地球上 的 清洁可再生能源， 充分开发 利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，其中阳光发电备受瞩目。利用太阳能 发电远期将大规模应用，近期可解决特殊应用领域的需要 1-2。全球能源专家们预测，到 2030 年光伏发电在世界总发电量中将占到 5-20
16、。进入 90 年 代后，随着常规发电方式成本的上升和人们对环境保护的日益重视， 世界各国都投入了巨资来研究太阳能光电转换技术，一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划，如美国“百万屋顶计划”（ 1997-2010 年）、德国提出 10 万太阳屋顶计划（ 1998-2003）、日本“阳光屋顶计划”等等。在世界范 围内，太阳能光热、光电利用已经形成了新兴产业，而且方兴 未艾。在太阳电池研究和产业方面，欧美、日本、澳大利亚等发达国家 领先，在发展中国家印度的光电利用像软件产业一样值得称道。尤其值得注意的是 像英国石油（ BP）这样的 一些国际著名石油公司 也大规模地加大对 太阳电池产业 的投资 3。 多
17、年来，我国政府也非常重视太阳能等可再生洁净能源的利用，在西部地区通过光明工程、乡乡通等一系列行动推广太阳能利用，解决了无电地区的用电问题。 随着我国的经济高速发展，缺电、燃料供应紧张日益困扰我国的经济 。我国政府正在 新能源利用方面推出一系 列新的举措 4，如已经出台的“中华人民共和国可再生能源 法”、国家“十五”攻关、国家 863 等重大、重点项目都加大了太阳能研究的投入力度。 2004 年 3 月 26 日 ，国家总理温家宝特地视察了我国最大的太阳 电池生产厂 无锡尚德太阳能电力有限公司。温总理指出，在可再生能源中，太阳能发电的技术含量最高、最有发展前途。希望无锡尚德加快培育发展光伏产业链
18、，促进我国太阳能技术的发展，提高国际竞争能力。 太阳能等可再生能源 作为我国后续战略能源得 ，到了高度的 重视。随着我国能源政策的调整，太阳能光电行业面临一个前所未有好的发展机 遇。上海、无锡、广州、深圳、宁波、保定等地都将太阳电池的生产、应用作为一个重点理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 8 高技术产业加速发展。可以预计，太阳能产业将如信息产业一样在本世纪得到惊人的发展。 1.1 光伏发电系统的构成和基本原理 太阳能光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到 1 2w的太阳能灯，大到兆瓦级的太阳能光伏电站，其应用形式也多种多样，在家用、交通、通讯、空间应用
19、等诸多领域都能得到广泛的应用，但是其组成结构和工作原理基本相同。 图 1-1 太阳能光伏应用的各种形式 图 1 2 太阳能光伏系统结构图 一般说来，一个完整的太阳能光伏系统包括如下主要组成部件：光伏组件、控 制器、逆变器（交流负载）、蓄电池以及其他的相关的电力器件如电缆、 交直流控制柜等 5。 理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 9 上 图是一个典型的供应直流负载的太阳能光伏系统图。其中包含了太阳能光伏系统中的几个主要部件： PV 方阵 由光伏组件按照系统需求串并联而成，在太阳光照下将太阳能转换成电能输出，它是光伏系统的产能部件。 蓄电池 它将 PV 方阵产生的电能储存
20、起来，当光照不足或者负载需要的电能大于太阳电池发出的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是光伏系统的储能部件 。目前在太阳能光伏系统常用的蓄电池是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统通常采用的是深放电阀控式密封铅酸蓄电池，深放电吸液式铅酸蓄电池等。 控制器 它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制以及按照负载的电源需求控制光伏阵列以及蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的控制部分。目前随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传 统的控制部分、 逆变器以及监测系统集成的趋势，如 AES 公司的 SPP 和 SMD 系列的控制器就集成了上述三种功能。 逆变器 在光伏发电系统中，如果使用的
21、负载含有交流负载，那么还要使用逆变器设备，将光 伏电池板产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。 太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是太阳能光伏阵列产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者是在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏而言，系统还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。 太阳能光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异都如上所述。对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同 。 1.2 光伏产业情况及其趋势 从应 用规模上讲，对于大型的光伏电站而言，
22、有规模越来越大的趋势，因为规模越大越能产生规模效益，降低单位发电成本。光伏阵列的峰值功率规模都在兆瓦级，如德国的慕尼黑国际展览中心的光伏工程，系统规模为 2MW，荷理工学院硕士论文：光伏系统优化设计与新型太阳能电动车的研制 10 兰阿姆士特丹的园艺展览会光伏工程，光伏阵列的峰值功率达到 2.3MW。对于一般的电器应用，如家电产品的应用，则朝着小型便携的方向发展。 太阳 电池用于计算器、手表 的供电 已有很多年的历史，手提式太阳能组件的出现又加宽了 太阳能光伏在便携式 电器 中 使用的范畴，如收音机、 CD 播放器、便携式电脑 、手机充电器、照相机 以及供应急与野营 者使用的太阳能 手 提灯 等
23、 。 从应用形式上讲，并网发电系统，尤其是与建筑结合的并网发电系统，是将来光伏发展的主要方向。 90 年代后，随着常规发电方式成本上升和人们对环境保护的日益重视，一些国家纷纷实施推广太阳能屋顶计划，进一步提出了 “建筑物产生能源 ”的新概念 6-7。光伏发电与建筑物集成化成为热门课题，并在政府的支持下得到了长足的发展。如日本从 1994 年即开始推广民用住宅屋顶光伏工程，从 1994-1999 年的 6 年间累计实施 3.3 万件，功率共计 121MWP。美国太阳能百万屋顶计划 (Million Solar Roofs Initiative)，准备在 2010 年以前，在 100万座建筑物上安
24、装太阳能系统， 光伏系统总安装容量达 3025MW。欧盟各国也有相应的发展计划，如德国的 10 万屋顶计划等。光伏并网发电增长的速度越来越快，在整个光伏工业中所占的比例也越来越高。 从应用地域来讲，传统的光伏应用主要是 在偏远无电地区，以解决无电地区的用电问题，比如，偏远山村的照明用电，游牧民的用电以及一些远离电网的通讯基站供电，太阳能水泵等。但是随着并网发电，尤其是与建筑结合的并网发 电系统的迅速发展，光伏发电进入城市开始了大规模应用的新 阶段，并已经 得到飞速的发展 8。太阳能光伏产业发达国家如日本，欧洲和美国的光伏产业发展 的历程来已经说明了这一点。 而且我们要认识到只有在发达地区，尤其是在城市中大面积推广使用光伏发电系统才能够真正的促进光伏产业的发展。 1.3 硕士论文的主要工作 本文的研究主要集中在光伏系统的设计、分析、评估以及应用方面。通过理论分析、实验以及案例分析给出光伏系统设计和评估的方法和结论，通过制作、设计新型太阳能电动车并对其运行和性能进行详细的评估得出相应的数据和结果。具体如下： 1、 研究了太阳能 光伏系统的设计 和 评估 的方法。 包括典型光伏系统的设计和评
