1、.太陽能光伏發電課程設計 課程名稱: 太陽能光伏發電課程設計 設計題目: 屋頂太陽能發電廠設計 班 級: 新能源 姓 名: 學 號: 小組成員：指導教師(簽名): 第一章 基本知識一發展歷史 .1二太陽能發電原理 .1三太陽能電池板結構說明 .2四太陽能電池板材料選型 . . 3五系統選定及介紹 .5第二章 可行性討論一系統實現的目標 . 13二根據目標進行選擇材料 .13 1.1 太陽電池組件（單晶硅太陽電池）.13 1.2蓄電池（金屬氫化物鎳蓄電池）. .14 1.3匯流箱 . . .14 1.3光伏控制器（太陽能控制器）. .15 1.4交流逆變器（光伏逆變器） . 16三優化系統結構

2、.18四問題的提出與解決 .19第三章 總結:第一章 基本知識一發展歷史早在1839年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）就發現，光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象后來被稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。 1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。20世紀70年代后，隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統的燃料能源正在一天天減少，對環境造成的危害日益突出，同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變

3、人類的能源結構，維持長遠的可持續發展，這之中太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦時，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×1012千瓦小時，相當于世界上能耗的40倍。正是由于太陽能的這些獨特優勢，20世紀80年代后，太陽能電池的種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規模也逐步擴大。20世紀90年代后，光伏發電快速發展，到2006年，世界上已經建成了10多座兆瓦級光伏發電系統，6個兆瓦級的聯網光伏電站。美國是最早制定

4、光伏發電的發展規劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規定了光伏發電上網電價，大大推動了光伏市場和產業發展，使德國成為繼日本之后世界光伏發電發展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發展計劃，并投巨資進行技術開發和加速工業化進程。世界光伏組件在1990年2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代后期，發展更加迅速，1999年光伏組件生產達到200兆瓦。商品化電池效率從10%13%提高到13%15%，生產規模從15兆瓦/年發展到525

5、兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行業調查表明，到2010年，光伏產業的年發展速度將保持在30%以上。年銷售額將從2004年的70億美金增加到2010年的300億美金。許多老牌的光伏制造公司也從原來的虧本轉為盈利。二太陽能光伏發電原理光伏發電是利用半導體材料光伏效應直接將太陽能轉換為電能的一種發電形式。光伏發電的基本原理如圖2-1所示。半導體材料組成的PN結兩側因多數載流子（N區中的電子和P區中的空穴）向對方的擴散而形成寬度很窄的空間電荷區W，建立自由電場Ei。它對兩邊多數載流子是勢壘，阻擋其繼續向對防擴散，但它對兩邊的少數載流

6、子（N區中的空穴和P區中的電子）卻其牽引作用，能把它們迅速拉到對方區域。穩定平衡時，少數載流子極少，難以構成電流和輸出電能。但是，當太陽能射到PN結時，以光子的形式與組成PN結的原子價電子碰撞，產生大量處于非平衡電子驅向N區，N區中的非平衡空穴驅向P區，從而使得N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴。這樣在PN結附近就形成于內建電場方向相反的光生電場Eph。光生電場除一部分抵消內建電場外，還使P型層帶正點，N型層帶負電，在N區和P區之間的薄層產生光生電動勢。當接通外部電路時，就會產生電流，輸出電能。當把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串聯的方式組合在一起構成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出足夠大

7、的電能。 圖1-1 光伏發電原理示意圖三太陽能電池板結構說明1.面板玻璃 其作用為保護發電主體(如電池片)，透光其選用是有要求的， （1）透光率必須高(一般91%以上);（2）超白鋼化處理。圖一 面板玻璃2.EVA膠膜 用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體(如電池片)，透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發電質量除了EVA本身的質量外，組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠，都會引起EVA提早老化，影響組件壽命。圖二 EVA膠膜3.電池片 主要作用就是發電，發電主體市場上主

8、流的是晶體硅太陽電池片、薄膜太陽能電池片，兩者各有優劣晶體硅太陽能電池片,設備成本相對較低，但消耗及電池片成本很高，但光電轉換效率也高，在室外陽光下發電比較適宜薄膜太陽能電池，相對設備成本較高，但消耗和電池成本 很低，但光電轉化效率相對晶體硅電池片一半多點，但弱光效應非常好，在普通燈光下也能發電，如計算器上的太陽能電池。圖三 電池片4. 背板 作用，密封、絕緣、防水(一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化，大部分組件廠家都質保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關鍵就在與背板和硅膠是否能達到要求)。圖四 背板5.鋁合金邊框 起一定的密封、支撐作用。圖五 鋁合金邊框6.接線盒 保護整個發電系統

9、，起到電流中轉站的作用，如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串，防止燒壞整個系統接線盒中最關鍵的是二極管的選用，根據組件內電池片的類型不同，對應的二極管也不相同。圖六 接線盒7.有機硅膠 密封作用，用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代硅膠，國內普遍使用硅膠，工藝簡單，方便，易操作，而且成本很低。圖七 有機硅膠8.互連條 互連條也叫涂錫銅帶、涂錫帶，寬一些的互連條也叫匯流條，它是電池組件中電池片于電池片連接的專用引線。圖八 互連條四太陽能電池板材料選型太陽能電池可由各種不同的半導體材料制成，迄今使用最普遍的是硅。雖然硅 把陽光轉換為電力時效率并非最高的，但是

10、它卻是半導體市場的主導，因為硅半導 體發電的成本最低、發電量最大。制造太陽能模塊的硅有三種形式：單晶硅、多晶硅和非晶硅。(1)單晶硅太陽能電池單晶硅，是硅的單晶體。具有基本完整的點陣結構的晶體。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。單晶硅具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導電性 將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜

11、物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就硅片上形成P-N結。然后采用絲網印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單晶硅電池片四個角呈圓弧狀，表面沒有花紋。單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高的達到24%，這是所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，但制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。圖1-2 單晶硅太陽

12、能電池(2)多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池以多晶硅為基體材料的太陽能電池。多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少，其光電轉換效率約12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽能電池)。多晶硅電池片四個角為方角，表面有類似冰花一樣的花紋。從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些，材料制造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。從性能價格比來講，單晶硅太陽能電池還略好。圖1-2 多晶硅太陽能電池(3)非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅

13、薄膜太陽能電池是一種以非晶硅化合物為基本組成的薄膜太陽能電池，非晶硅太陽電池是1976年出現的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，電耗更低，它的主要優點是在弱光條件也能發電。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低，國際先進水平為10%左右，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減。圖1-3 非晶硅薄膜太陽能電池五系統選定及介紹光伏發電系統(PV System)是將太陽能轉換成電能的發電系統，利用的是光生伏特效應。光伏發電系統分為獨立太陽能光伏發電系統、并網太陽能光伏發電系統和分布式太陽能光伏發電系統。它的主要部件是太陽

14、能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點是可靠性高、使用壽命長、不污染環境、能獨立發電又能并網運行，受到各國企業組織的青睞，具有廣闊的發展前景。據智研咨詢統計:2012年全球光伏發電累計裝機達到97GW,2012年全球新增裝機30GW，中國新增裝機占全球總量的16%以上 ，隨著國家對清潔能源產業的大力扶持，我國光伏發電系統產業將迎來發展高峰期。是指利用光伏電池的光生伏打效應，將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統，包括光伏組件和配套部件(BOS)。系統形式主要有三種:1.獨立光伏發電系統(離網系統) 2.并網光伏發電系統 3.分布式光伏發電系統獨立光伏發電系統主要組成部分 圖1-4離網型

15、光伏發電系統離網光伏發電系統一般由太陽電池組件組成的光伏方陣、太陽能充放電控制器、蓄電池組、離網型逆變器、直流負載和交流負載等構成。光伏方陣在有光照的情況下將太陽能轉換為電能，通過太陽能充放電控制器給負載供電，同時給蓄電池組充電；在無光照時，通過太陽能充放電控制器由蓄電池組給直流負載供電，同時蓄電池還要直接給獨立逆變器供電，通過獨立逆變器逆變成交流電，給交流負載供電。組件作用：1. 太陽能電池組件：作用是將太陽能轉化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。2. 控制器：用于太陽能發電系統中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。3. 蓄電池：

16、作用是對蓄電池組的充放電進行保護;蓄電池組用于存儲電能;逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽電池組件無法工作時，由蓄電池組供電給負載工作。蓄電池的工作方式可分為循環使用和浮充使用兩種。經常處于頻繁的充放電工作狀態，即循環使用;經常處于充電狀態則為浮充使用，能彌補蓄電池因自放電而造成的容量損失。4. 逆變器：將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。第二章 可行性討論一系統實現的目標離網型光伏發電系統實現了在偏遠地區或經常停電地區作為應急發電設備，在陰雨天保證負

17、載的使用，無枯竭危險；絕對干凈（無污染，除蓄電池外）；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發電；能源質量高；獲取能源花費的時間短；供電系統工作可靠。 二根據目標進行選擇材料1.1太陽電池組件（單晶硅太陽電池）（1）負載日功耗QL（Wh）計算。 1）主要依據：要求建設一座光伏電池組件裝機容量為1MW的獨立光伏電站；當地年輻射量為6782.3MJ/m2。 2）計算公式為：QL=PKOPHL/（5618A×365） P=1000kWP HL=6782.3MJ/m2式中：A為安全系數，取1.2；KOP為最佳輻射系數，取1.1；HL為水平面尚年太陽總輻射量（kJ/m2）；P為光伏電池功率。于

18、是有： QL=1000 kWP×1.1×6782.3MJ/m2/（5618×1.2×365）=3032kWh（2）光伏組件設計。 1）太陽能電池組件總功率為1000kWP。選用300WP太陽能電池組件。其主要參數為：額定峰值功率340WP；額定峰值電壓34V；額定峰值電流10A。設計發電系統的額定直流電壓220V。連續陰雨天數7天。2）太陽能電池組件串并聯數的確定。電池組件串聯數=（系統工作電壓×1.43）/組件峰值工作電壓。 =（220×1.43）/34=10塊電池組件并聯數=光伏電池方陣功率/（太陽能電池組件串聯數×組件

19、峰值功率） =1000000WP/（10×300）=334塊電池組件實際數=10×334=3334塊。電池組件實際總功率=3334×300=1000.2kW。2蓄電池選用48V/1200Ah的蓄電池。電池總量=（負載日耗電量（Wh）/系統直流電壓（V）×連續陰雨天數/（逆變器效率×蓄電池放電深度） =（3032000/220）×7/（0.9×0.7）=31.31Ah蓄電池并聯數=蓄電池總量/蓄電池標稱容量 =31.31Ah/1200Ah=128塊蓄電池串聯數=系統工作電壓/蓄電池標稱電壓 =220/48=5塊蓄電池總塊數=1

20、28×5=640塊1.3匯流箱本次設計方案為，每個發電單元中的11塊太陽能電池組件順次串聯組成一個發電單元，再將8個發電單元接入一個匯流箱內。選用陽光電源公司的8輸入匯流箱，型號為PVS-8, 共需38個。圖2-1 匯流箱匯流箱參數如下表：表2-1匯流箱參數最大光伏陣列電壓 1000Vdc最大光伏陣列并聯輸入路數8每路熔絲額定電流（可更換）10A/15A環境溫度 -25+60環境濕度 099%寬*高*深670*600*210mm重量 27kg1.4光伏控制器（太陽能控制器）本次設計方案為：先用12-24V型號為SC1224-25A的太陽能光伏控制器控制當發電單元，再用型號為SC500

21、-2600A的太陽能光伏控制器控制SC1224-25A的太陽能光伏控制器。（1）SC1224-25A太陽能光伏控制器參數：太陽能板功率（WP） 300充電電壓（V） 24充電電流（A） 12.5太陽能板組數（路） 1過充保護（V） 13.7V/27.4V欠壓保護（V） 10.5V-11V/21V-22V空載電流（A） 20mA工作環境溫度 35-85RH（無結露）/-10-50溫度補償 （-4mv/） 工作海拔高度(M) 5000保護類型 過充、過放、過載、短路保護；防反接、防反充、防雷功能顯示方式 LCD屏幕顯示+LED燈顯示工作狀態防護等級 IP22冷卻方式 鋁板散熱（2）SC500-26

22、00A太陽能光伏控制器參數：太陽能板功率（WP） 1300000充電電壓（V） 500充電電流（A） 2600太陽能板組數（路） 1過充保護（V） 570.8欠壓保護（V） 437.5-458.3空載電流（A） =416。6mA工作環境溫度 35-85RH（無結露）/-10-50溫度補償 （-4mv/） 工作海拔高度(M) 5000保護類型 過充、過放、過載、短路保護；防反接、防反充、防雷功能顯示方式 LCD屏幕顯示+LED燈顯示工作狀態防護等級 IP22冷卻方式 鋁板散熱1.4交流逆變器（光伏逆變器）本次設計電站容量較大，發電系統的容量達到了 1MW，所以選用較大的大型逆變器，型號為SG10

23、00KS。SG1000KS為定制產品，內部由兩個型號為SG500MX容量達500kW的逆變器 組成，并包含有一臺交流配電柜，配備自用電輸出端口。產品參數如下表: 表2-2 逆變器參數直流輸入參數最大直流輸入功率（cosp=1)3000kW最大直流電流1200A最大直流輸入電壓DC1000VMPPT電壓范圍DC500-DC820直流輸入路數8交流輸出參數額定輸出功率1000kW最大輸出功率1200kVA額定電網電壓三相AC315V (2路）允許電網電壓范圍 AC250-AC362V (可設置）額定電網頻率 50Hz允許電網頻率47-52Hz (可設置）功率因數調節0.9 (超前）0.9 (滯后）

24、總電流諧波畸變率 <3°% (額定功率）電網類型IT電網（三相三線）直流分量<5%額定電流隔離變壓器（有/無）無轉換效率最大效率98.7%歐洲效率 98.5%圖2-4 交流逆變器三優化系統結構設計發電系統的額定直流電壓110kV。1太陽能電池組件串并聯數的確定。電池組件串聯數=（系統工作電壓×1.43）/組件峰值工作電壓。 =（110000×1.43）/120000=4627塊電池組件并聯數=光伏電池方陣功率/（太陽能電池組件串聯數*組件峰值功率） =1000000WP/（2×300）=1塊電池組件實際數=1×4627=4627塊。

25、電池組件實際總功率=4627×300=1388.1kW。2蓄電池選用24V/1200Ah的蓄電池。電池總量=（負載日耗電量（Wh）/系統直流電壓（V）*連續陰雨天數/（逆變器效率*蓄電池放電深度） =（3032000/110000）×7/（0.9×0.7）=306.26Ah蓄電池并聯數=蓄電池總量/蓄電池標稱容量 =306.26Ah/1200Ah=1塊蓄電池串聯數=系統工作電壓/蓄電池標稱電壓 =110000/24=4584塊蓄電池總塊數=4584×1=4584塊蓄電池電流由6400A降到了50A，減小了128倍，電流損耗減小了1600倍。3.降壓變壓器

26、因為系統電壓升高到110kV，不能直接給負載供電，需要加一臺變壓器。根據以上條件，選用SF10-63000/110型變壓器。型號參數如下：1. 電壓組合及分接范圍：高壓110kV±2×2.5,低壓220V。2. 空載損耗（kW）39.1，負載損耗（kW）221，空載電流（）0.2，阻抗電壓10.5，運輸重量（t）54.6，總重（t）65.5，外形尺寸：長x寬x高(mm) 5830x4520x5885。圖2-5 優化后系統結構四問題的提出與解決。1.如果蓄電池發生故障該怎么解決？表4-1 蓄電池外觀故障及解決方法故障現象故障原因故障后果解決方法電池殼裂痕或碎裂運輸或撞擊損壞電池液干涸或接地故障更換損壞的蓄電池電池端子上有腐蝕制造過程殘留的電解液或電池端子密封不嚴滲透的電解液腐蝕了端子增大了接觸電阻，連接部位發熱并加大電壓降拆下連接線，清潔連接面再安裝，并涂保護油脂，滲透嚴重時必須更換蓄電池電池端子上有熔化的油脂痕跡因為連接松動或接觸面有污物造成接觸不良，使連接處發熱輸出電壓下降，使用時間縮短，端子損壞重新擰緊松動處，清除連接處污物后再連接電池殼發熱膨脹因為高溫環境、過大浮充電壓或充電電流，或上述故障的組合，