独立光伏PVsyst设计首发.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流独立光伏PVsyst设计首发.精品文档.家用独立光伏发电系统的优化设计XX（武汉工程大学，湖北 武汉 430200）摘要：针对目前我国城市建设过程中的实际情况，为使太阳能这一新能源更好的服务于城市电气化建设，以武汉城市地区为例，根据当地的气象、环境状况及具体负荷情况，进行家用独立光伏发电系统设计，对系统的光伏倾角、光伏电池板、蓄电池、控制器和逆变器进行了优化的设计与选择，在满足用户供电需求下，尽量减少初始投资，同时归纳了设计过程中应注意的事项。用专业的光伏系统设计软件PVSYST 对设计方案进行仿真，对其用户满足率、能量利用率、蓄电池工作状态

2、、经济效益及环境效益进行了详细的分析, 该系统年发电量1175KWh，用户满足率100%，能量利用率78.7%，平均每度电约3.3元，总运行期间共节约11.75吨煤，减少了24吨CO2排放。关键词：家用光伏发电系统；PVSYST仿真；用户；优化设计0 引 言光伏发电技术可直接将太阳光转换成电能,没有任何污染,有助于解决全球变暖的问题和我国的能源安全问题1。户用光伏发电系统又叫离网型光伏发电系统，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。具有功率小、安装方便、维护简单等特点。近年来,我国在太阳能光伏发电领域出现了日新月异的变化,光伏企业犹如雨后春笋般地呈

3、现.通过送电到乡等工程,光伏系统已经解决了许多边远地区人口的供电问题。随着传统化石能源的枯竭,太阳能光伏发电这一清洁、可再生的新型发电方式成为能源结构中重要的替代能源2。1 系统参数设定1.1环境参数设计用户面向沈阳周边农村地区， 武汉市的基本气候资料如表 1所示。设定此地区最长阴雨天为10d。表 1武汉（1971-2000）气候情况Table 1 Wuhans climate（1971-2000）参数平均温度（）最高温度（）极高温度（）最低温度（）极低温度（）降水天数（天）降水量（毫米）平均风速（米/秒）平均/月16.621.130.513.01.610.4105.71.831.2负载参数抽

4、取普通城市居民作为设计对象，将基本情况输入PVsyst。如图 1所示，其中我们为用户增加了5%的预期负荷留量：3040*0.05=152wh,放在other use中。其中具体负载为：18W白炽灯8个、5h/天，120W电视机/电脑共2个、3h/天，600Wh/天的冰箱一个，1000Wh/天的洗衣机一个，加上预留负荷152Wh共计3192Wh/天。图 1 用户每日消耗量Figure 1 consumers daily consumption 1.3 光伏组件参数非晶硅太阳电池是薄膜类太阳电池中最成熟,并已大规模生产的电池品种, 单条生产能力从1MW 提高到25MW30MW3。本设计中光伏板选用

5、非晶硅光伏电池板， 具体参数如下： 功率89W； 峰值电压17.3V； 峰值电流5.15A； 开路电压23.5V； 短路电流6.01A。铅酸免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。且8V 电池在节能减排、成本、安装空间等方面比2V 电池更有优势， 该光伏系统选用的蓄电池为密封式式免维护铅酸蓄电池，型号为8-CS-25PS， 具体参数如下： 标准电压8V； 标称容量681Ah。2 基于PVSYST的系统优化设计PVSYST是一款光伏系统设计辅助软件，用于指导光伏系统设计及对光伏系统进行发电量进行模拟计

6、算。PVSYST为建筑师、 工程师和研究人员的使用而设计，它包括详细的上下文相关帮助，解释了详细过程和使用的模型，能够从许多不同的来源导入气象数据4。输入相关参数后，系统能够进行模拟和计算，并给出相关的分析报告。2.1 光伏电池倾角查询相关地理信息后将武汉的经纬度、海拔、时区输入PVSYST，如图 2所示，然后连接NASA即可为武汉建立数据库。图 2武汉地理参数Figure 2 geographical parameters of Wuhan对于有均衡或非均衡负载的独立光伏系统,在计算最佳倾角时,可先计算出不同倾角下各月倾斜面上的辐射量占该倾角下全年总辐射量的比例以及各月负载耗电量占全年总耗电

7、量的比例5。结合相关计算方法和武汉的气象资料，为了在保证冬季的发电量的同时平衡全年发电量，本次设计选取了38作为系统的倾角，0作为系统的方位角。2.2蓄电池和光伏板由于太阳辐射量随季节、气候等变化, 且蓄电池充电时最高只能到达额定容量, 放电时又要受放电深度的限制, 所以在一定范围内蓄电池容量也会影响光伏方阵的发电量, 在同样满足负载用电需要时可以有多种方阵和蓄电池容量的组合。最优化设计应从可靠性和经济性两方面进行综合考虑, 以确定既能满足负载用电要求, 又是成本最低的方阵和蓄电池容量组合6。对于可靠性指标, 国外大多采用负载缺电率(LOL P ) 来衡量7,8,9。一般户用光伏系统只要LOL

8、 P = 10- 2即可, 这样可以降低成本, 提高系统的经济性。选用蓄电池的标称电压为8V，光伏电池89W，依据PVSYST建议的蓄电池总容量和光伏电池总功率确定各自串并联数，蓄电池串联3并联2，总容量1362Ah，蓄能32.7KWh。光伏板串联2并联6，50时电压33.2V，输出的峰值电流30.3A，总功率1.1KW。系统自给天数设定为10天。2.3电路示意图、功率控制器及备用发电机如图 3所示，系统的基本电路包括了光伏电池、蓄电池、控制器、备用发电机、负载等。在光伏系统中采用最大功率点跟踪技术能够依据太阳辐射和环境温度的变化使光伏阵列输出最大功率10，但是考虑到我们采用的是固定安装所以系

9、统使用了普通的24V太阳能功率控制器，属于固定电压运行模式。考虑到可能存在少数月份的缺电，所以采用了一个1.5KW的备用发电器。图 3 电路图Figure 3 circuit2.4 逆变器的选择该用户总负载为794w， 由于负载的总容量大于逆变器总功率的80时， 逆变器会发热过度， 从而减少逆变器的使用寿命。所以选择的逆变器容量应大于992w， 系统选择24v 直流变220v 交流， 功率1000w的逆变器， 型号为K-1000W。3 系统性能分析3.1能量利用率和用户需求满足率从图 4可以看出系统的能量利用率是78.7%，用户需求满足率100%。从Error! Reference sourc

10、e not found.可以看出在二月份光伏系统发电量不足，由于设计时考虑的是全年的平均表现，2月份时武汉温度达到全年最低，日照时间较短，光伏系统的发电量受到了影响，但是备用发电机的存在满足了用户的需求。图 4 系统的能量利用率及用户需求满足率Figure 4 Systems performance ratio and solar fraction 表 2 结余及主要结果Table 2 balances and main results 表 3 电池运行和性能Table 3 Battery operation and performances3.2 蓄电池的工作状态如表 3所示，蓄电池在7-1

11、0月份电荷负载率为0.7左右，其余月份0.5左右，全年平均电压24.7V。3.3 系统经济性表 4 光伏系统成本Table 4 Photovoltaic system cost名称型号单价数量金额光伏板89W/15V15001218000铅酸蓄电池8V/681Ah30006+18（备用）72000功率控制器24V2001200逆变器24VDC/220VAC2701270备用发电机15KW600016000其他材料300合计96770如表 4所示，该系统预计运行25年，铅酸蓄电池在其间更换三次。25年内总投资96770，年发电量1175KWh，25年共计发电29375KWh，平均每度电约3.3元

12、。3.4 环保效益每度电耗煤0.4Kg，25年内总产电29375KWh，节约了11.75吨煤。光伏系统在当地每发电1kWh,相当于减少CO2的数量。分析了中国电厂燃料结构,进行计算,得出了中国的CO2排放指数为0.814kg/kWh11。该系统25年间将减少约24吨CO2排放，对环境保护有一定的正面作用。4. 结语本次课程设计结合武汉的实际情况，以PVSYST为平台完成了独立型家用光伏发电系统的模拟设计，对基于PVSYST的工程设计做了一定的归纳和实践。在蓄电池的设计中充分考虑了针对武汉气候的自给需求，同时备用发电机的采用使用户全年的需求得到了100%保障。系统包括12个89W/15V的ASI

13、-TM 89非晶硅电池板，倾角38，方位角0；24个8V/681Ah的PVS Block 12V 1 PVS 70密封式铅酸蓄电池，其中18个用于后续运行的更换；一个24V的CP太阳能功率控制器；一个24V直流转220V交流的TJ-24-2000H交流逆变器；一个15KW的STC-15柴油发电机。系统总成本96770元，年发电1175KWh，折合约3.3元/度。从系统结果的分析可以看出电池组件的效率损耗和转换损耗以及充电损耗占系统能量损耗的大部分，系统几乎能完全满足用户的需求。在经济方面，电池方面的投资较大，使得最后的光伏电价较高，但是考虑到政府的相关政策和相当好的环境效益，该系统在城镇地区依

14、然有一定的可行性。参考文献1 张耀明. 中国太阳能光伏发电产业的现状与前景J. 能源研究与利用,2007,(1):1-6.2 朱伟钢,林燕梅,周蕾,等. 太阳能光伏发电在中国的应用J. 现代电力,2007,24(5):19-23.3 赵红英,杨继强,谷士彬,等. 非晶硅太阳电池边绝缘设备研究J. 资源节约与环保,2011,(5):56-57.4 “A powerful software for your photovoltaic systems”(2011-2012), OL. Available: (June 13, 2012).5 顾超,崔容强. 独立光伏系统最佳倾角计算新方法J. 电源技

15、术,2005,29(1):31-34.6 杨金焕,汪征浤,陈中华,等. 负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计J. 太阳能学报,1999,(1):93-99.7 Tsalides Ph. ,Thanailakis A. Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systemsJ. Solar Cells,1986,18:115- 1278 Klein SA, Beckman WA. Loss-of-load probab

16、ilities for stand-alone photovoltaic systemsJ. Solar Energy, 1987, 39499- 5129 Groumpos P, Papa Georgiou G. An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systemsJ. Solar Energy, 1987, 5341- 35110 Leyva, R. Rovira i Virgili. MPPT of photovoltaic systems using extremum - seeking controlJ

17、. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2012,42(1): 249-258.11 杨金焕.光伏系统减排CO2潜力的分析C. 第十届中国太阳能光伏会议论文集.2008:845-849.Design and Optimization on Independent Household Photovoltaic Power Generation SystemXX(Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430200)Abstract: Aiming at the actual si

18、tuation of the new urban construction of our country, the stand-alone PV power system taking Wuhan urban areas as an example was designed according to the local weather and environment conditions and specific load conditions in order to make solar energy better serve the rural electrification constr

19、uction. Under the condition of satisfying the user demand on photovoltaic power supply, dip Angle, photovoltaic panels, storage battery, controller and inverter were designed and chosen optimally to reduce the initial investment, and the matters needing attention were summarized. The author used the

20、 professional photovoltaic system design software PVSYST to simulate the design scheme, detailed analyzed the user meet rate, energy utilization rate, storage battery condition, economic benefits and environmental benefits to verify the feasibility, The system output 1175KWh for annual energy, user-

21、satisfaction rate reach 100%, energy utilization is 78.7%, average about ￥3.3 per unit, 11.75 tons of coal would be saved during the running, reduces 24 tons of CO2 emissions.Key words: household photovoltaic power generation system; PVSYST simulation; consumer; system optimization design; 指导教师评分评价内

22、容具 体 要 求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字：教研室主任签字： 年 月 日 答辩记录记录人（签字）： 年 月 日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）： 年 月 日课程设计总评成绩：（指导教师评分80%+答辩成绩20%）