太阳能光伏发电系统设计大赛策划方案

1、系统基本原理

系统一般由太阳电池组件组成的光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、逆变器、直流负载和交流负载等构成。

1）太阳能电池组件：是太阳能供电系统中的主要部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部件，其作用是将太阳的辐射能量转换为直流电能。工作原理是P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

2）控制器：对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。蓄电池的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

3) 蓄电池组：将光伏电池组件产生的电能储存起来，当太阳光照不足或负载需求大于光伏电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求。蓄电池组是太阳能光伏发电系统的储能部件，一般由一定数量的蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择需与光伏电池组件的容量相匹配。

4）离网型逆变器：离网发电系统的核心部件，负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。为了提高光伏发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，逆变器的性能指标非常重要。

2、主要组成部件介绍（太阳电池组件介绍、控制器介绍、蓄电池介绍、逆变器介绍）

太阳电池组件：太阳能电池组件是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池一般为硅电池，分单晶硅、多晶硅及非晶硅电池3种。

控制器：太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、500V . 控制器对整个系统实施过程控制，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿的功能。

蓄电池：太阳能蓄电池是“蓄电池”在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大,所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能,但由于其价格较高,仅适用于较为特殊的场合。

逆变器：逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。

3、太阳系统的具体实施地点和要求

具体实施地点：云南省西双版纳傣族自治州景洪市，东经100.8°，北纬22.02°的公路。

要求：给10个LED路灯（40W，48V直流）供电，每天工作10h。系统要求满足5个连续阴雨天使用。

4、太阳电池组件的设计，蓄电池组的设计，控制器的选型

从网上搜索到云南省西双版纳傣族自治州景洪市的情况如下：

可以看出，景洪市地区11月份的的峰值日照时数最小，为3.86 h，因此峰值日照时数取3.86h。设定系统的损耗修正系数为1.7，安全系数为1.8。

1）太阳电池组件（方阵）容量设计

太阳能电池的容量为：

可选用KLT200M型太阳能电池板，峰值功率为200W，峰值电压为35.2V，峰值电流为5.682A。

需要太阳电池组件的总数为：，取10块。

太阳电池组件串联数为：，取2。

太阳电池组件的并连数为：

可采用2块串联、5块并联的形式组成太阳电池方阵，总功率为2000W。

2）蓄电池组的设计

蓄电池容量为：

选用6-CNF-250固定型免维护铅酸蓄电池。

标准电压为12V，标称容量为120Ah (10小时率)。

蓄电池串连数：

蓄电池并连数：

所以蓄电池共采用12块，串4并3的形式，满足负载要求。

本工程中，如果按全年的平均峰值日照时数4.67来计算的话，可得到太阳能电池的容量约为1456.10W，这样的规模安装后可能当年的6－12月不能保证负载正常可靠的运转。

5、控制器的选型

系统选用DC48V光伏控制器额定电流计算，参考公式：I=P0/U，式中：

I——光伏控制器的控制电流，单位A；

P0——太阳电池组件的峰值功率，单位Wp；

U——蓄电池组的额定电压，单位V；

根据公式计算：I=2000/48=41.67(A),故可以选用1台SD4860光伏控制器。

SD4860光伏控制器技术参数如下：

6、设计的依据和原因

太阳能电池板的选择是为了在每一个LED路灯都装有电池板，能够整齐、美观；蓄电池的选择是为了使用尽量少的蓄电池；控制器的选择是根据太阳能电池组件的额定电流、额定电压等来选择，因为LED路灯是直流电源，所以不需要使用逆变器进行直流电变交流电。

第二篇：高效率的太阳能光伏发电系统设计及优化分析_第二章太阳能光伏发电系统及相关概念_1

第二章 太阳能光伏发电系统及相关概念

2.1 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成[9]。下面是各个组成部分的具体分析：

1）太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

2）太阳能控制器。太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。

3）逆变器。逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变 成220伏交流电，供给交流负载使用。

4）蓄电池(组)。蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来， 供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。

2.2 太阳能光伏发电系统的分类

光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置，根据光伏系统与电网的关系，可以分为独立于电网的光伏系统和并网系统。独立于电网的光伏系统，常用在远离电网的偏远地区。而在并网系统中，光伏发电系统代替电网提供有用功率，也把功率馈送会电网。直接把光伏电池与负载相连，中间不带储能装置，这类光伏系统叫直接耦合光伏系统，但这类系统在阴雨天和晚上的时候不能提供能量，所以通常中间要加入蓄电池。由于光伏系统受外界因素影响比较大，所以为获得额定功率输出，通常要加上控制器来调节、控制和保护系统功能。所以，光伏发电系统基本包括光伏电池板、电力电子变换装置、储能装置、控制器四大部分，如图2.1所示。储能装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。电力电子变换装置根据负载的不同分为两类[10]：(1)直流变换器，按照直流负载的要求供电。(2)逆变器，通常为工频逆变器，输出恒频、恒压的交流电。在并网光伏发电系统中还要有交流并网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负责对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。一般由一个控制器进行集中控制。

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图2.1 光伏电源系统的一般结构组成

Dig2.1 normal photovoltaic structure

根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。

2.2.1 独立光伏发电系统

图2.2为独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。

图2.2 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图

Dig2.2 off-grid photovoltaics system structure

2.2.2 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统如图2.3所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义：此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日

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照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。

图2.3 并网光伏发电系统

Dig2.3 in-gird photovoltaic system

2.2.3 混合型光伏发电系统

图2.4为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。

图2.4 混合型光伏发电系统

Dig2.4 Hybird photovoltaic system

2.3 太阳能光伏发电系统的应用

21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。太阳能作为一种新兴的绿色能源，具有储量大、寿命长、利用经济、清洁环保等特点，因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视。其中，将太阳能应用于发电系统更是人们研究的热点。

目前我国光伏发电系统的应用一方面以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农牧民(即目前我国三分之一的无电人口)提供最基本的生活用电；另一方面，通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统。此外，还将建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发

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电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。

2.3.1 户用小型光伏电站

户用光伏系统、小型光伏电站属于非并网光伏发电系统(独立系统)，多用于我国的广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正常，性能优良。例如，辽宁建昌县贫困无电山区已经安装了353套独立家用太阳能光伏电源系统，太阳能电池组件总功率可达22650W。此家用光伏电源系统包括直流系统和交流系统两大类。直流系统由太阳能电池组件及支架、控制器和蓄电池组3部分组成。交流系统比直流系统多一个逆变器，共由4部分组成。白天，太阳能电池组件接收太阳光照输出电能，然后经过防反充二极管向蓄电池组充电；夜晚，直流系统经过控制器将蓄电池组输出的直流电供直流讯方面，微波通讯中继站应用光伏电源达到以上，小型光伏电站有1300个。

2.3.2 屋顶光伏发电系统

随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划，“九五”和“十五”期间，我国国家科委也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。将太阳能光伏发电系统与建筑物相结合之所以备受世界的重视是因为它存在很大方面的优点：令不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要；令可以原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗；令降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑物的空调负荷，降低了空调的能耗；令取代和节约了昂贵的外饰材料(如玻璃幕墙等)，使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境；令舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电设施的不断电要求。20xx年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，中国政府对在奥运村及奥运场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研究，并在奥运场馆及奥运村中应用，降低了建筑能耗，提升了城市的整体形象。

当今，诸多城市积极利用小型太阳能光伏电源，于道路、公园、车站甚至家庭安装了太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯，造型新颖、美观大方、变化多样，而且经久耐用、融观赏性与实用性与一体，既不用拉电线、占用空间，还具有节能、环保，维护方便等优点，成为城市一道亮丽的风景线，为城市美化增添色彩。

2.3.3 大型并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋势，光伏系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是人类社会利用能源的一场革命。目前，在世界范围内，如美国、德国等发达国家已经开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系统，甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网光伏发电系统。我国的并网光伏发电系

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统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我国己在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的并网太阳能光伏电站yak，它在综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了太阳能光伏电站，电站总容量达1兆瓦，并网光伏电站的年发电能力约为100万KWh，相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约4.8吨，减排灰渣约101吨，减排二氧化碳约170余吨，减排二氧化硫约7.68吨，是真正的无污染的绿色能源。深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站建成后，成为目前亚洲和中国总容量第一的并网光伏电站，同时，也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一。填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白，将成为中国并网太阳能发电史上的里程碑。

2.4 本章小结

本章主要介绍并分析了太阳能光伏发电系统及相关概念，包括其系统组成及其分类，同时重点对我国目前的太阳能光伏发电系统的状况分类进行了说明，这包括对光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统的介绍，还包括了太阳能光伏发电系统的应用分析；通过这些分析，可见目前我国的光伏发电以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主的运作方式。

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第三章 光伏并网发电系统的设计及分析

与独立的光伏发电系统相比，并网发电系统有很多好处，首先不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由电网来接收太阳能所发出的全部电能，减少了功率损失；再有，省略了蓄电池作为储能环节，避免了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧电池而带来的间接污染。因此本章将对光伏并网发电系统的设计过程及设计方案进行分析

3.1 总体设计

本课题采用的是一种两级式的结构，如图3.1所示，前级DC/DC变换器作为MPPT控制器实现最大功率跟踪功能，后级为全桥逆变电路，产生与电网电压同频同相的电流，使整个装置的并网功率因数为1。二者通过直流母线DClink相连，控制上相互独立。DClink电压通过并网逆变级控制为恒定值，通过控制DClink电压产生并网电流给定值，并网电流的幅值大小反映了光伏电池输出功率大小。在全桥逆变器与电网间加入工频变压器隔离，这样整个系统就不会向电网输出直流分量，有时候工频变压器还起到升压的作用，这样使直流侧的输入电压具有更宽的范围。

图3.1 光伏并网发电系统

Dig3.1 in-gird photovoltaic system

DC/DC变换器采用了boost变换器，boost变换器以电感电流源的方式向负载放电，实现负载电压升高的目的。boost变换器的结构和控制较为简单，具有较高的效率，将光伏电池直接接到boost变换器的输入端，就可以进行光伏电池板的最大功率跟踪。在并网系统中，boost变换器做MPPT（最大功率点追踪）控制器是比较理想的选择，它是升压电路，这样光伏电池电压就可以低于电网侧的峰值电压，光伏组件的串联受到电压等级的限制，这样就使boost变换器输入端电压配置更加灵活[15-19]。

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