太阳能光伏发电系统设计及运行分析

河北工业大学硕士学位论文太阳能光伏发电系统设计及运行分析姓名：靳志会申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：姚芳2010-12河北工业大学硕士学位论文i太阳能光伏发电系统设计及运行分析摘要太阳能作为一种绿色、可再生能源，越来越广泛地受到各国政府的关注，太阳能光伏发电技术也逐渐成为国内外研究的热点。太阳能光伏电站的设计方案直接影响到电站的运行性能，电站的运行性能也从很大程度上反映着电站设计方案存在的问题。因此，太阳能光伏电站的设计及运行分析具有非常重要的意义。本文主要研究了关于太阳能光伏发电系统的两方面内容：一方面，阐述、剖析了太阳能光伏发电系统设计的内容及程序。在此基础上，改进了太阳能电池组件的选型方法；提出光伏阵列昀佳倾角优化设计方法；开发了基于LabVIEW图形化语言的阵列间距计算软件，提高了计算准确性；针对薄膜阵列高电压、小电流的特点，设计了薄膜光伏阵列专用防雷汇流箱；提出经验性的逆变器选型方法。为了阐明不同光伏发电系统设计的要点和方法，介绍了两个代表性光伏发电工程案例。另一方面，对国内外典型太阳能光伏电站的运行性能进行了分析。发现：薄膜组件和晶硅组件的发电量特点及年际变化趋势；并发现：光伏发电系统效率和组件的放置方向无关。关键词：光伏发电系统，优化设计，运行分析太阳能光伏发电系统设计及运行分析iiOnSolarPVSystemDesignandRunningAnalysisABSTRACTSolarenergy,akindofgreenandrenewableenergyresources,ismorewidelyconcernedbythegovernmentsathomeandabroad.Solarphotovoltaicpowergenerationtechnologieshavegraduallybecomehotissues.ThedesignofPVsystemimpactsonsystemperformancedirectly.Andtheperformanceofitresponsesdesignproblemstoalargeextent.Therefore,bothPVsystemdesignandrunninganalysisareofgreatimportance.ThisarticlemainlyresearchonPVgenerationsystemsofthetwoaspectsofcontents：Onetheonehand，thispaperexpoundsthecontentandprocedureofPVsystemdesign.Basedonthis,someworkisdoneasfollow.Thewaytochoosesolarmodulesisimproved.Theoptimummethodoftheoptimumtiltedangleforthephotovoltaicarrayisproposed.BasedonlabVIEWlanguage,arrayspacingsoftwareisdevelopedsothathighercalculatingaccuracycanbeachieved.ThelightningprotectionPVcombinerisspeciallydesignedtothethinfilmmodulePVsystemwithhighvoltageandlowcurrent.Thewaytochooseinverterisproposedempirically.ToelaboratePVgeneratingsystemsmoreclearly,twotypicalcasesofelectricpowerprojectsareintroduced.theotherhand,theperformanceanalysisofPVgenerationsystemisintroduced.Boththecharacteristicofgeneratedenergyandvariabilitytrendofitarefoundforthethinfilmmodulesandthecrystallinesiliconmodules.AnditisfoundthatPVefficiencyisindependentofthedirectionofpanels.KEYWORDS:PVsystem,optimaldesign,runninganalysis河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭[1]。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源[2]。常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。过量排放CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.5～4.5℃,昀严重的后果是海平面上升25～145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构[3]。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。针对以上情况，开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的[3]。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为昀为理想的可再生能源和无污染能源[4]。§1-1我国的太阳能资源情况我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2·a，中值为586kJ／cm2·a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区昀大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ／cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量昀小，其中尤以四川盆地昀差，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6太阳能光伏发电系统设计及运行分析2天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。我国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部[5]；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：一类地区全年日照时数为3200～3300小时，辐射量在670～837x104kJ／cm2·a。相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。这是我国太阳能资源昀丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。特别是西藏，地势高，太阳光的透明度也好，太阳辐射总量昀高值达921kJ／cm2·a，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉萨是世界著名的阳光城。二类地区全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670x104kJ／cm2·a，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。三类地区全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在502～586x104kJ／cm2·a，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量[6]。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。四类地区全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502x104kJ／cm2·a。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。五类地区全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在335～419x104kJ／cm2·a。相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源昀少的地区。一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总量高于586kJ／cm2·a，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值[7]。§1-2太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式太阳能电池发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等，因此，无论从近期还是远期，无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度来考虑，太阳能电池发电都极具吸引力。目前，太阳能电池发电系统大规模应用的唯一障碍是其成本高，预计到21世纪中叶，太阳能电池发电的成本将会下降到同常规能源发电相当。届时，太阳能电池发电将成为人类电力的重要来源之一。河北工业大学硕士学位论文3目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为昀终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于生产太阳能电池的原料——硅储量十分丰富、太阳电池转换效率不断提高、生产成本不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。由于太阳光资源具有分散性，而且随处可得，太阳能电池发电系统特别适合于作为独立的电源使用，例如边远地区村庄或户用供电系统、太阳能电池照明系统,太阳能电池水泵系统以及大部分的通信电源系统等都属此类。太阳能电池发电系统还可以同其它发电