家庭用分布式光伏发电系统的毕业设计

滁州职业技术学院机电工程系

毕 业 设 计

课 题：家庭用分布式光伏发电系统的设计 设计时间：＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 班 级：光伏材料的加工与应用 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 年 月 日

家庭用分布式光伏发电系统的设计

摘 要

将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。本次设计是家庭用分布式光伏发电系统设计，家庭用分布式光伏发电系统是指利用光伏发电技术，在家庭的屋顶或墙壁等场地建立发电系统，多余电量可以送入当地配电网中的发电方式。此次设计内容包括了对光伏发电系统的容量设计和光伏发电系统的配置设计，容量设计主要对光伏组件和蓄电池的容量进行设计与计算，确定光伏组件和蓄电池的数量，发电系统的配置设计时对光伏发电系统中的光伏组件型号、安装方式及配套设备与设施进行设计。本设计是为家用式光伏发电系统，具有节能，无污染运用方便等特点。

关键词：光生伏特效应 太阳能电池板 逆变器

致 谢

毕业设计已经接近了尾声，这也意味着我的大学生活就要结束了，学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。

首先，我要特别感谢我的指导老师朱山川老师。做设计的过程是艰辛的，但是在我的努力之下还是完成了。在这个过程中朱老师给了我很大的帮助，没有他的尽心指导和严格的要求，我也不会顺利完成这次设计。每次遇到难题，我最先做的就是向朱老师寻求帮助，而朱老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。朱老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，都给予了我悉心的指导。这一个星期以来，朱老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

其次，还要感谢这三年来教我知识的每位老师们，毕业论文能够顺利完成，你们也都有很大的功劳。

最后，我要向系部领导以及院部领导对我们的悉心领导，使我们在朝往正确的前进，以及给我们创造如此丰富多彩的校园生活。使我们度过了有意义的大学三年。再次，我由衷的表示感谢。谢谢你们。还有就是要向这三年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢谢。

写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新、生活的开始。希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想，永不放弃。

作者：曾凡兵 2014年11月5 日

目录

第一章 绪 论 .......................................................... 1

1.1 光伏发电技术的优势 ............................................. 1 1.2 光伏发电技术的运用 ............................................. 2 第二章 任务分析 ........................................................ 4 第三章 家庭用分布式光伏发电系统设计 .................................... 8

3.1 结构设计 ....................................................... 8 3.2 容量设计 ....................................................... 9 3.2 配置选型 ...................................................... 10 3.4 安装方式设安计 ................................................ 11 第四章 总结和展望 ..................................................... 16 参考文献 ............................................................... 17

插图清单

图图图图图图图

3-1 家用光伏发电系统

3-2 家庭式太阳能光伏发电系统的结构图 3-3 光伏组件的安装轴侧示意图 3-4 支架安装示意图 3-5 组件正面摆列图

3-6 光伏组件板正反面示意图 3-7 接线盒图

西安 上海 南京 合肥 杭州 南昌 福州 济南 郑州 武汉 长沙 广州 海口 南宁 成都 贵阳 昆明 拉萨 +14 +3 +5 +9 +3 +2 +4 +6 +7 +7 +6 -7 +12 +5 +2 +8 -8 -8 34.3 3.59 1295.85 1293.72 1328.09 1269.9 1183.01 1327.59 1216.77 1423.81 1351.72 1338.43 1153.51 1227.82 1402.72 1268.88 1053.63 1047.05 1439.12 2159.68 6

4665.1 4657.4 4781.2 4571.6 4258.8 4779.3 4380.4 5215.7 4866.2 4818.4 4152.6 4420.2 5049.8 4568 3793.1 3769.4 5180.8 7774.9 1313.19 0.9275 1388.12 0.9900 1440.43 1.0249 1348.37 0.9988 1254.38 0.9362 1390.4 0.8640 31.17 3.8 32.00 3.94 31.85 3.69 30.23 3.43 28.67 3.8 26.08 3.45 36.68 4.44 34.72 4.04 30.63 3.8 28.20 3.21 23.13 3.52 20.03 3.84 22.82 3.53 30.67 2.88 26.58 2.86 25.02 4.25 29.70 6.71 1262.39 0.8978 1621.62 1.0630 1476.02 1.0476 1389.74 0.9036 1175.00 0.8020 1287.84 0.8850 1369.76 0.8761 1291.09 0.8231 1044.71 0.7553 1037.72 0.8135 1554.60 0.9216 2448.64 1.0964

在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。由上表可知，从我国太阳能资源分布情况来看，合肥位于三类地区，为中国太阳能资源中等类型地区，日辐射量3.3-4.1KW2h/m2.合肥纬度为31.850，则最佳倾角为40.850。本次设计家庭用分布式光伏发电系统在合肥，处于中纬度地带，为亚热带湿润季风气候。年平均气温在15℃-16℃之间，极端最低气温-20．6℃，极端最高气温38℃以上。年平均辐射量1269.90KWh/m2，年平均降水量在900-1000毫米之间。全年气温变化的特点是季风明显、四季分明、气候温和、雨量适中、春温多变、秋高气爽、梅雨显著、夏雨集中，总之气候条件优越，气候资源丰富。家庭居住为普通民房平顶。所以采用支架式安装方式。家庭用电为照明用电及普通电器。

1.根据实际情况，可知该用户全天用电情况，

表2—1 A用户负载情况及全天用电情况表 全天工负载名称 节能灯 彩色电视机 电风扇 微波炉 洗衣机

负载功率（W） 9 70 25 1200 150 数量 6盏 1台 1台 1台 1台 作时间（h） 5 4 4 0.5 1 同时率(%) 80 100 100 100 100 连续阴雨天 4天 2.根据该用户实际用电情况，该用户家用电器全部为交流负载，本次设

计为交流光伏发电系统。防雷方面，我们将太阳能电池板四周的铝合金框架与支架连接，支架均采用等电位联结。然后通过导线引用大地。这种防雷方式很适应本设计的家庭，即平顶房。至于备用电源，不再需要。因为该用户采用的是部分电器用电。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，实际使用时必须设法换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。

国家科技部最近发布的《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》提出“十二五”期间，要实现光伏技术的全面突破，促进太阳能发电的规模化应用，初步建立太阳能发电国家标准体系和技术产品检测平台，形成我国完整的太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运行维护等产业链技术服务体系[1]

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第三章 家庭用分布式光伏发电系统设计

3.1 结构设计

1.根据实际情况，该用户为平顶房，所有采用支架式安装方式，效果如下

图。

图 3-1 家用光伏发电系统

家庭光伏发电系统

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太阳能电池组件 控制器 逆变器 交流负载

电网系统

图3-2 家庭式太阳能光伏发电系统的结构图

系统配置框图

系统包括：○1太阳能电池、○2控制器、○3逆变器、○4蓄电池。 上图中光伏组件的功能是：

太阳能电池：通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 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。

蓄电池组：目前太阳能光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，太阳能光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。

逆变器：将太阳能电池所产生的直流电能转换成交流电的电压的转换装置。

3.2 容量设计

3.2.1 光伏组件容量设计

由统计表知普通家庭家用负载总功率约为1.488KW；每日耗电量L约为1.346kW2h 。

太阳能电池组件板的功率[2]

PA?L

?1?2?3T0

（3-3）

式中，L为负载每天总耗电量；T0为平均日照峰值日照时数；η1为蓄电池充电修正系数（0.80～0.90）；η2为组件损耗修正系数，通常可取0.9～0.95；η3为逆变器损耗修正系数，通常可取0.9～0.98。

由日耗电量1.346kW2h，可计算出该系统需要太阳能电池板的总功率约为PA=0.72KW，由此可以选择总功率为0.75KW的太阳能组件方阵，一般采用太阳能电池标准组件，通过串并联构成所需要功率的太阳能电池方阵。功率250W多晶太阳能电池组件，再用3块该太因，蓄电池容易损坏；容量太小，容易造成过放电，不能满足负载用电需要。

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3.2.2 蓄电池容量设计

在独立型家庭式太阳能光伏发电系统中，蓄电池是仅次于光伏组件的最重要部件，而且随着光伏组件价格的不断降低，蓄电池在总投资中的比例正在逐渐增加。所以，合理配置蓄电池容量十分重要：容量过大，不仅增加投资，而且会造成蓄电池充电不足，长期处于亏电状态，加上自放电等原蓄电池容量两个文献，蓄电池容量的计算可以根据用电负荷和连续阴雨天数来确定，实际计算可按式（3-4）：

C?SL?K

DOD??out（3-4）

式中，C－蓄电池容量, S－蓄电池供电支持的天数（一般取2.5～5.0d）,即连续阴雨天数，由表3-1可知，取4天； L－负载平均每天用电量,；DOD－蓄电池放电深度（一般取0.8）, ηout -从蓄电池到负荷的效率:ηout = Fo3Fi, Fo－交流配电电路效率（一般取0.95）,Fi－逆变器效率（一般取0.90～0.98）,K－蓄电池放电容量修正系数（一般取1.2）等于蓄电池Amp-hour效率的倒数。

根据系统要求计算日耗电量L=1.346kW2h，再根据式(3-4)，可算出蓄电池组的容量C值为9kW2h，选择12V的标称电压铅酸蓄电池单体，串联成24 V电池蓄电池组；根据电池组容量安时数等于所需瓦时除以电池组电压，得电池组的容量C′= C/24 = 375Ah，所以可选择4个12 V，200 Ah的密封免维护铅酸蓄电池先两两串联后再进行并联，即可接成满足需要的蓄电池组。

3.2 配置选型

1.太阳能电池组件：选用选安徽省旭腾光伏有限公司的STP6-250单晶硅系列太阳能电池组件，该组件采用6*15，共计90块每块电压为0.5V，功率为2.8W的太阳能电池板串联，电压45V，功率块进行并联。性能优势：高透光率的刚性玻璃，提高光的穿透性和组件的机械强度，组件玻璃具有自清洁能力，降低灰尘及其他影响组件发电效率的机率；对所有组件进行功率和电流分档，以提高系统整体性能和组件的寿命；防水接线盒和集成旁路二极管，以减少太阳能电池组件因表面被遮挡造成的热斑效应从而引起的组件损伤；通过多项国际认证和测试IEC, Tuv, CE, ISO，提供五年的产品质量保证和10-25年的产品功率保证。工作参数指标：最大功率 250W；工作电流 5.88A；工作电压 17.2V；系统电压 12V；开路电压 21V；短路电流 6.5A；电池数量 90只。如图3-6 光伏组件板正反面示意图。

2.蓄电池电池组：选用中国合肥赛能信息工程有限公司的铅酸电池，选择容量为200Ah的12V电池，两两串联后再进行并联。工作参数指标：电压：12 V；型号：SNT12-200 ；化学类型：免维护； 电液量：标准 L；外型尺寸：480*170*240

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mm；额定容量：200Ah ；重量：59KG。由此知防反充二极管的耐压值可 取35V。

3.控制器：本设计采用太阳能组件短路电流是6.5A。使用3块太阳能电板的总共短路电流为6.5A33=19.5A。控制器通常控制的是一块太阳能组件，而本设计中有较大功率用电器，所以考虑多路输出。我们可选择24 V 60A的控制器。所以我们可以选用中国北京普泰日盛的功率控制器。性能优势：可根据不同的使用环境调整参数，最大效率的进行光-电能量转换；淘汰了传统控制器落后的技术，采用了全新的硬件技术；采用真正的多级PWM充电模式，有效延长蓄电池寿命；具有过充、过放、过热、电子短路、过载保护，防反接等完善的保护功能；温度适应范围（-25℃--55℃），并自带温度补偿程序，令控制器在充放电控制中自动适应当前温度,有效保护蓄电池。工作参数指标：额定电压DC12V/24V/48V/220V，过充电压14.4V、32/24V，过放电压11.1V、32/24V,负载能力40A/60A/80A/100A/120A。

4.逆变器：在选型是要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量，并参考下面公式：

逆变器的功率=阻性负载功率3（1.2～1.5）+感性负载功率3（5～7） 根据数据,逆变器的=031.5+(9W35h30.8+70W34h+1200W30.5h+150W) 36=6000W.由此我们选用中国北京普泰日盛的中等功率逆变器。型号PIC-2KM,性能优势：逆变器核心元器件全部为美国原装进口，安全、稳定、可靠；标准工频纯正弦波输出，适用于任何负载；抗冲击能力强，150%过载可工作20s，最大程度避免客户在使用不当的时造成设备损坏；输入、输出回路完全隔离，确保用户安全使用；完善的保护功能：自动稳压、过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护、过热保护、直流端防反接保护等,温度适应范围（-25℃--55℃）。型号PIC-1KW～5KW,工作参数指标：额定功率：1KW～5KW；输入电压：DC12V/24V/48V；输出电压：AC220V/110V；输出频率：50HZ±0.05Hz；逆变效率：90%。

5.电表的选型 ：每个电表都有他能承受的电流。所以电表的选型要先把功率换成电流值。本次设计家庭的电流=总功率÷系统电压=720W÷21V=34.29A。所以选用上海大华测控设备厂DDS879单相电表40A.该电表单相电子式电能表采用专用集成电路，外围元件少，具有结构简单，可靠性高，功耗低，寿命长等特点，可用于计量额定频率为50Hz的单相交流有功电能。选用两个，一个用来记录系统发电容量的；另一个用来记录从电网用电量。 3.4 安装方式设安计

本次设计地点选定的是合肥，由表2-2 我国主要城市的辐射参数表2-2可知，合肥地区位于北纬为31.850，倾斜角=纬度+90.所以太阳能电池组件最佳倾角为41o，；比较理想的安装位置是将太阳能电池板直接安装在屋顶上，依据屋顶的倾角合理安排，依托不锈钢支架安装太阳能电池板。[3]

一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。

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因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。通常，在电池组件周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的围会存在阴影，因此在选择铺设太阳能组件的地方时应尽量避开阴影。

光伏阵列的方位角是阵列的垂直与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度。由资料可知，合肥一天中复核的峰值时刻是12点，经度1170.所以由下列公式可以计算出方位角。

方位角??一天之中负荷的峰值时刻（24小时制）?12??15?（经度?116?） =?12?12??15?(117??116?)

所以光伏阵列以南为基准，向西偏10 。

安装过程中，首先要先固定支架，支架的角度及固定见图3-4支架安装示意图。由计算已经知道了合肥的方位角为向西偏转10。然后把组件摆设在支架上，如图3-5组件正面摆列图及图3-3光伏组件的安装轴侧示意图。安装完毕后即可进行布线。

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=1?

支架效果图

图3-3 光伏组件的安装轴侧示意图

图3-4 支架安装示意图

支架的安装98cm54cm

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图3-5 组件正面摆列

接线盒

安装孔电线1650mm1650mm800mm888mm

938mm透气孔

992mmA图992mmA图 光伏组件正面图B图

B图 光伏组件背面图旁路二极管图3-6 光伏组件板正反面示意图

电缆锁紧

14 接线盒

图3-7 接线盒图

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第四章 总结和展望

家庭式分布式光伏发电具有多项优点：充分利用太阳能资源，无需开采、运输；太阳能属于清洁能源，利用太阳能发电在减少燃煤的同时，减少碳粉尘、二氧化碳、二氧化硫等污染物排放。使用家庭分布式光伏发电时电压稳定，在自足供电享受国家补贴的同时，还能够卖给国家电网。

年发电量=当地年辐射总量（KW2h/㎡)3光伏方阵面积（㎡)3电池组件转换效率3修正系数。其中光伏组件转换效率为单晶14%。修正系数K=0.830.8230.9530.8530.9=0.48。根据以上设计与计算结果可知；当地年辐射总量为1348.37KW2h/㎡，光伏方阵面积=1.65030.99233㎡=4.9㎡，则年发电量P=1348.3734.9314%30.48=443.99KW2h

去年7月，国务院出台了《关于促进光伏产业健康发展若干意见》，支持和鼓励企业、机构、社区和家庭安装这一新能源，并且对分布式光伏发电实行电量补贴政策。目前合肥上网电价是0.3599元/度，国家补贴标准是0.359元/度，按这样计算，家庭发电卖给供电企业，电价是0.7189元/度，比正常的电价0.5653/度，高出了0.1536元/度。

国家财政补贴0.45元/度+ 市级补贴0.25元，其中家庭式光伏电站用户还可获得每瓦3元的一次性投资补贴。合肥市补贴政策：0.45元＋0.25元=0.7元.本系统选用750W电池组件。所以可以获得一次性补贴75033=2250元。

年补贴金额=443.9930.7=310.793元

其中自家一年可用电1.3463365=491.29 KW2h，故每年还需要向国家电网用电所需费用（491.29－443.99）30.3599=17元；每年获得补贴 310.793－17=307.793元。每年节省省下来的电费491.2930.3599=176.81元。所以每年获利307.793+176.81=484.6元。

根据采购预期估算，本家庭分布式光伏发电系统需要15000元。计算可知，（30000－2250）÷484.6=15年。系统的总寿命是25年，剩下的是就是自己的电了，可以免费使用电了。

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参考文献

[1]杨德仁，汪雷．第十届中国太阳能光伏会议论文集迎接光伏发电新时代[D] ．浙江：浙江大学出版社，2008-9-[1]1．

[2]廖东进,黄健华.光伏发电系统集成与设计.北京在:化学工业出版社,2013 -8-1. [3] 刘树民，宏伟．太阳能光伏发电系统的设计与施工[D] ．北京：科学出版社，2006-4-1．

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答辩须知：

1、毕业设计须经指导教师认真审阅签名后，提交答辩委员会进行答辩资格审核。

2、学生要准备毕业设计答辩提纲，介绍毕业设计的主要内容及有关情况。时间为10—15分钟。

3、答辩教师提问及学生回答15—20分钟。 4、答辩以公开方式进行，允许其他学生旁听。 5、答辩结束，答辩小组应为每位答辩学生写出不少于100字的评语，并给予等级评定（优秀、良好、中等、及格、不及格）；对于评定成绩有异议的学生，由答辩委员会作出处理，或组织二次答辩。

6、答辩工作结束，答辩委员会根据答辩小组的意见，正式给学生确定成绩和等级。

毕业设计成绩表 毕业设计说明书及有关图纸、必要文档（40%） 评语： 评定等级：答辩发言 （25%） 答辩提问 （35%） 答辩教师签名 ＿＿＿ 答辩委员会签名： 年 月 日

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