家庭式太阳能发电系统的设计.doc
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1、编号:12321101本科毕业论文家庭式太阳能发电系统设计院 系:电子科学与工程系姓 名:学 号:专 业:年 级:指引教师:职 称:完毕日期:摘 要20世纪70年代后,太阳能光伏发电在世界范畴内受到高度注重并获得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能运用一种重要构成某些,并被以为是21世纪最具发展潜力一种发电方式。研究便于普及型家庭式太阳能发电系统对于缓和能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具备重要意义。一方面通过计算得出驻马店地区太阳能光伏方阵最佳倾角及相应斜面上历年逐月日均太阳能辐射量,然后再运用计算出有关太阳能数据进一步计算选出了该家庭式太阳能发电系统各重要设备参数和规格,同步对设备
2、参数进行了优化选取,选出了最佳光伏方阵和蓄电池容量,最后对系统整体造价、每日发电量、节约能源进行计算,阐明家庭式太阳能发电系统巨大社会效益。核心词:光伏发电;家庭式太阳能;太阳辐射;最佳倾角AbstractAfterthe 1970s,solar photovoltaicpower generationin the worldhas been attached toandmade considerable progress.Solar photovoltaic technologyastheutilization of solar energyis an importantpart ofand
3、 is considereda power generationofthetwenty-first centurythe most development potential.Research on photovoltaic solar power generation systemstoalleviate the energy crisis and reduce environmental pollution,andreduce the greenhouse effectis of great significance.In this paper,calculatedZhumadian ar
4、easolarphotovoltaic array,the optimum tilt angleandthecorrespondingslope on thecalendar yearmonthlyaverage dailysolarradiation,the useofsolardatafurther calculationtoelectamain device parametersofthesolar power systemand specifications ofthe equipmentparameterswere optimizedcheck,and then selecttheb
5、estof thePV array andbattery capacity,and final note of the enormous social benefits of home solar power system.Keywords:Photovoltaic;Homesolar;Solar radiation;The optimum tilt angle目 录1 绪论11.1 选题背景意义和价值11.2 太阳能光伏发电运用现状21.2.1 国外太阳能光伏发电运用状况21.2.2 国内太阳能光伏发电运用状况31.2.3 家庭式太阳能发电系统现状41.2.4 本设计研究内容42 家庭式太阳
6、能发电系统原理和构成62.1 家庭式太阳能发电系统原理62.2 家庭式太阳能发电系统构成62.2.1 太阳能电池方阵72.2.2 防反充二极管92.2.3 蓄电池组92.2.4 控制器102.2.5 逆变器103 家庭式太阳能发电系统设计123.1 家庭式太阳能发电系统整体设计环节123.2 光伏方阵最佳倾角计算133.3 家庭日用电负荷计算153.4 电池组件拟定163.5蓄电池容量拟定163.6 逆变器和控制器拟定173.7 太阳能组件安装设计173.8 家庭式太阳能发电系统效益分析193.8.1 系统投资预算193.8.2 系统经济效益203.8.3 系统社会效益214 总结与展望22参
7、照文献24道谢25附录261 绪论1.1选题背景意义和价值随着常规能源大量消耗,使得可再生能源越来越多受到21世纪人类关注。对能源资源消耗所引起气候变化等一系列问题,不但是对中华人民共和国提出挑战,也是对世界提出挑战,能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。太阳能之因此受到世界各国越来越多关注重要是由于其具备如下长处:(1)太阳历史寿命长,与人类历史(约30万年)相比,太阳具备很长寿命,因此对人类来讲,太阳能几乎是无限能源:(2)太阳是十分强大能源供应体,太阳光40min内赐予地球能量如果可以都为人类所运用话,预计就能满足全世界一年能源消耗;(3)太阳能不会导致环境污染、能源损失等社会问题;(4
8、)能量获取简朴直接,在使用现场就能从太阳光获得能量。1839年,法围科学家贝克雷尔(Bccquml)发现,光照能使半导体材料不同部位之间产生电位差,这种现象日后被称为“光生伏打效应”简称“光伏效应”。1954年,美国科学家恰宾和皮尔挫在美圈贝尔实验室初次制成了实用单晶硅太阳电池,诞生了将太阳光能转换为电能实用光伏发电技术。在太阳能有效运用当中,太阳能光电运用是近些年来发展最快,最具活力研究领域之,也是其中最受瞩目项目之一。太阳能光伏发电具备水电、火电、核电所不能比拟清洁性、安全性、普及性等长处。随着科学进步,光伏发电技术已可用于任何需要电力且有光照场合。据国际能源署预测,到,全球光伏发电量将占
9、总发电量2。近来5年,德国、西班牙、日本等许多国家都在勉励发展涉及太阳能光伏在内可再生能源,光伏电池产量年平均增长率超过40,迅速“发酵”国际市场也拉动了国内光伏产业发展。据记录,当前国内已经成为全球第一大光伏电池生产国,太阳能光伏发电在不远将来会占据世界能源消费重要席位,不但将代替某些常规能源,并且将成为世界能源供应主体。预测到2030年,可再生能源在总能源构造中将占到30以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中占比也将达到10以上;到2040年,可再生能源将占总能耗50以上,太阳能光伏发电将占总电力20以上;到2l世纪末,可再生能源在能源构造中将占到80以上,太阳能发电将占到60以上。这些
10、数字足以显示出太阳能光伏产业发展前景及其在能源领域重要战略地位1。中华人民共和国已成为继美国之后世界第二大电力消费大国,但电力对中华人民共和国经济发展制约作用已开始显现,国内数以百万计公司亟待进行节电改造。随着人们生活水平不断提高,社会经济活动和交流日益频繁与扩大,生活用电量不断增长,如何充分运用电力、节约电能、保障电力品质,已经成为国内亟待解决问题,运用太阳能光伏发电必然是最佳选取。随着太阳能光伏发电在人们生活中被逐渐结识和大量应用,广泛使用绿色能源对减少二氧化碳和其他有毒气体排放,防治大气污染,保护生态环境具备重要意义。因而,研究开发太阳能发电绿色能源具备强烈急迫性。1.2 太阳能光伏发电
11、运用现状1.2.1 国外太阳能光伏发电运用状况在化石能源日益稀缺背景下,各国均大力发展太阳能运用,其中日本、欧洲国家(德国)和美国等经济发达、能源消耗大国家起步较早,在技术和应用上都处在领先地位。由于太阳能发电成本较老式能源高,因而需要政府予以政策扶持。从20世纪90年代末开始,欧美、日本等国家纷纷实行“阳光筹划”,在太阳能发电价格、税收、发展基金等方面予以较大优惠,同步,在政府资助下,欧洲某些高水平研究机构也加大了太阳能运用研究。欧美、日本等国家还制定了长期能源发展战略,对太阳能发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶筹划”,筹划到将在100万个屋顶或建筑物其她也许部位安装
12、太阳能系统,涉及太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶筹划,其中,在太阳能运用领域领先德国联合政府在欧洲百万屋顶框架下于1998年10月提出了筹划在6年内安装10万套太阳能屋顶系统,总容量在300-500MW,每个屋顶约3-5KW。日本政府筹划目的是,到安装500MW屋顶光伏发电系统2。 在各国政府扶持下,世界太阳能电池产量迅速增长,1995-间,全球太阳能电池产量增长了17倍。,全球太阳能电池年产量达到了1650MW,合计装机发电容量超过5GW,其中,日本太阳能电池产量达到762MW,增长率为27%;欧洲产量增长48%,达到了464 M
13、W;美国增长12%,达到了156MW;世界其她地区增长96%,达到了274MW。咱们预测,全球太阳能电池年产量有望达到10400MW,较年产量增长6.3倍;整个行业销售收入有望在-间,从130亿美元提高至450亿美元,在将来5年内增长3.5倍。同步,受益于规模经济、生产效率和工艺水平提高,整个产业链成本均有望下降,行业利润率有望保持在较高水平上。到年末,欧洲合计安装29617.145 MW,占世界光伏发电装机总容量74.5%。以国家而论,世界最大光伏发电国家是德国,末装机容量高达17320 MW,占世界份额43.5%;西班牙和日本装机容量分别为3892 MW和3617.2 MW,占世界份额为9
14、.8%和9.1%;意大利、美国分居世界第四和第五位,占世界份额为8.8%和6.3%。从世界范畴来讲,光伏发电已经完毕了初期开发和示范阶段,当前正在向大批量生产和规模应用发展,从最早作为小功率电源发展到当前作为公共电力并网发电,其应用范畴也已遍及几乎所有用电领域。1.2.2 国内太阳能光伏发电运用状况国内1958年开始研究太阳电池,于1971年成功地初次应用于国内发射东方红二号卫星上,1973年开始将太阳电池用于地面一天津港航标灯。1979年开始用半导体工业次品硅生产单晶硅太阳电池,使太阳电池成本明显下降,打开了地面应用市场。当时太阳电池面积小,采用真空蒸镀银铝办法制作太阳电她电极。80年代中期
15、,引进国外太阳电池生产线或核心设备,使国内太阳电池生产能力达4.5MW。后,国内光伏产业有了突飞猛进发展,无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期,生产规模不断扩大,技术水平不断提高,公司竞争力不断增强。国内太阳能资源丰富,年日照时数不不大于小时,年太阳能辐射总量高于每平方米1389千瓦时一、二、三类地区约占全国总面积三分之二以上,具备太阳能运用良好础。国内地区辽阔,经济发展不平衡,西部地区尽管具备丰富电力资源,但是由于受到地理环境、交通和环保等因素制约,从经济角度考虑常规电力无法进入,使得这些地区经济和人们生活环境极其落后,国家西部大开发战
16、略,给这一地区经济发展注入了活力。正在实行“光明工程”解决了某些无电乡生活、办公、学校用电问题,使一大批农牧民结束了无电历史,改进了生活质量。随着国内对可再生能源扶持力度逐渐加大,国内太阳能光伏产业获得了很大进展。国内首座太阳能发电一体化建筑大厦在河北保定市正式投入运营,总装机容量可达0.3MW,相称于一种小型发电站,发出来电不但供大厦使用,还可直接并入电网。此座建筑大面积、多角度采用了太阳能发电技术,安装并网容量达0.3MW,不但能满足大楼群公共照明,并且可以并网发电。国内某些知名高校也成立太阳能光伏发电实验室,如河南省黄淮学院建成太阳能光伏发电实验室,充分运用学校建筑面积总装机量达到了2M
17、W,经升压变压后直接并与电网,实现电能互补运用。如除此之外,海南省也力求打造“光伏岛”等。到,中华人民共和国光伏电池产量达到8GW,成为全球第一大光伏制造基地,占全球50%产量,但国内光伏系统安装量仅约50MW,光伏系统累积装机容量仅约1 GW,相称于世界当年安装量0.5%和世界合计安装量2.2%。其中:农村电气化(涉及道路照明)合计装机容量400MW,通讯和工业应用300MW,光伏产品(路灯、草坪灯、都市景观、LED照明、交通信号等)30MW,并网光伏发电270MW。因此,国内太阳能光伏产业急需更更广泛推广应用。国家科技部近来发布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
18、光伏技术全面突破,增进太阳能发电规模化应用,初步建立太阳能发电国标体系和技术产品检测平台,形成国内完整太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运营维护等产业链技术服务体系3。发展改革委能源研究所副所长李俊峰以为,此后5-l0年内,国内光伏发电系统应用一方面还将以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供电问题,另一方面,要借鉴发达国家发展屋顶系统经验,在大中都市道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用。1.2.3 家庭式太阳能发电系统现状当前,国内家庭式太阳能光伏发电系统现阶段重要是用于无电、缺电人口通电。至底,已有大概75万套家庭式太阳能光伏发电系统进入顾客
19、家庭。在这些顾客之中,大多数都是牧区牧民家庭,这些家庭通电水平还比较低,普通只能满足基本照明需要。除此以外,尚有林区和农区农户和养蜂户以及无电公路道班、学校、商店等小单位以在使用家庭式太阳能光伏发电系统,尚有某些缺电地区城乡居民,也成为家庭式太阳能光伏发电系统顾客。如果这些家庭式太阳能光伏发电系统保有量按80%计,加上国家光明工程和送电到乡工程光伏电站,中华人民共和国当前至少有100万户家庭重要依托光伏发电系统解决基本生活照明用电3。 究竟,中华人民共和国光伏发电市场合计安装量达到70MW,其中约43%为农村电力建设方面应用,而全国大概尚有300万无电户,预计其中至少尚有150万户需要在此后十
20、年内采用光伏或风光互补发电系统来解决。由于居住条件限制,输电设备很难到达,她们中大多数只能采用分散供电方式,即采用家庭式太阳能光伏发电系统。而许多已经用上光伏系统顾客也将升级换代,提高用电水平。因而,研究家庭式太阳能发电系统有着很现实意义。1.2.4 本设计研究内容随着太阳能光伏发电价格不断下降及国家有关政策支持,国内太阳能光伏发电系统迎来了一种迅速发展时期,但是国内当前投入较大是大型并网光伏发电系统,对独立型小功率太阳能发电系统研究很少,特别是对完整家庭式太阳能系统研究设计更少,然而家庭式太阳能发电系统灵活性和经济性都大大优于大型并网发电系统,有助于广泛普及。现本人筹划设计一套完整功率约为2
21、KW普通家庭式太阳能发电系统,每天发电量约为8kW.h,能满足普通家庭顾客日惯用电需求,可以解决偏远地区顾客用电困难问题,更重要是它尚有较好社会效益。一套微型300W太阳能发电系统,每年大概发电量250kW.h,每年减少发电消耗原则煤100KG,减少向大气排放二氧化碳300KG,减少二氧化硫6.88KG,广泛推广必将产生巨大社会效益。此外该系统还可以有效地运用建筑屋顶,节约宝贵土地资源,太阳能发电阵列普通可安装在屋顶及墙面上直接吸取太阳能,发电同步又可以减少墙面及屋顶温度,减轻建筑空调负载,从而进一步减少了耗能。2 家庭式太阳能发电系统原理和构成2.1 家庭式太阳能发电系统原理太阳能光伏发电能
22、量转换器件是太阳能电池,又叫光伏电池。太阳能电池发电原理是光生伏特效应。当太阳光(或其她光)照射到太阳能电池上时,电池吸取光能,产生光生电子空穴对。在电池内建电场作用下,光生电子和空穴被分离,电池两端浮现异号电荷积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏特效应”。若在内建电场两侧引出电极并接上负载,则负载就有“光生电流”流过,从而获得功率输出。这样,太阳光能就直接变成了可以付诸实用电能。2.2 家庭式太阳能发电系统构成普通来说,家庭式太阳能光伏发电系统重要涉及太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和逆变器等某些。家庭式太阳能光伏发电系统构造如图2-1所示。太阳能电池组件控制器逆变器蓄电池交流负载直接供
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