独立光伏系统

毕业设计

1 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

能源是当今世界存在的保持发展的核心动力，随着社会生产的过大科技的发展、人口的增长等等，对能源的需求也不断增长，当今世界已经勉励着能源需求量成倍增长的挑战，全球范围内的能源危机也日益突出。现在的能源结构中人类所利用的煤、石油和天然气等化石能源，由于近百年来基本趋于稳定增长态势的消耗，总有一天将达到极限而面临枯竭。根据目前已探明的储量与年开采量的计算我国能源石油、天然气、煤的使用年限分别为15年、30年、81年世界的能源的使用年限也只有45年、61年、230年。不仅如此实话能源的大量使用还造成了全球的环境恶化。气候异常，臭氧层空洞扩大，酸雨频发，等等恶果。由于化石能源的消耗所产生的大量二氧化碳是导致地球温室效应的最主要原因，目前全世界每天产生的温室效应气体以亿顿记，如果不加以控制，气温持续走高，两极冰川融化，海平面上升，连人类生活的空间都将面临极大威胁。

因此，开发利用可再生的绿色能源一逐步减少和替代化石能源，保护好人类赖以生存的地球环境与生态，已经成为世界各国普遍关注的热点问题，对各种再生绿色能源发电技术的研究正在迅速发展。在目前所研究的替代能源中太阳能以取之不尽、用之不竭且无任何污染的独特优势，每年到达地球陆地表面的太阳辐射相当于燃烧1300000亿吨标准煤，而且分布广泛，可再生，不污染环境，成为国际上工人的理想替代能源。中国是个太阳能资源丰富的国家，除了四川盆地及其毗邻地区外，绝大多数地区拥有丰富的太阳能资源，陆地每年接受太阳辐射能量相当于燃烧17000亿吨标准煤。太阳能光伏大点技术也成为目前各国都在研究的重大课题。

由于太阳能光伏发电存在显著的优势，对此领域的研究和利用已经成为关系着人类社会发展的重大课题。这项集光电子半导体、电力电子、电化学、现代电力系统和现代控制理论等多门学科知识与一体的高新技术，在科技经进步、能源战略和环境保护领域都将发挥关键性的作用，对该技术展开深入研究必将为开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术提供更多的理论和现实依据

1

独立光伏系统设计

1.2 光伏发电系统概述

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，风能、水能、海洋能、生物质能等其他可再生能源都来自太阳能，现在所说的太阳能利用是指对太阳能的直接转化和利用。太阳能的转换方式基本上可以分为光-电转换、光-热转换和光-化学转换的三种方式。通过转换装置把太阳能转换成热能加以利用的属于太阳能热利用技术再利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电；通过转换装置把太阳能转换成电能加以利用的属于太阳能发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏打效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

太阳能光伏发电系统电源部分的基本结构单元包括：光伏电池阵列、蓄电池和控制器。

太阳能是一种辐射能，它必须借助能量转换器才能变换成为电能。这个能量转换叫做光伏电池。单体光伏电池是光伏电池的基本原件。在利用光伏发电的过程中，若用光伏电池供电则其输出功率太小，一般要将其串并联构成光伏电池组件，再将组件串并联构成光伏阵列来供电目前的光伏电池大致可分为硅光伏电池和化合物半导体光伏电池，用的最多的是主要是单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池。

蓄电池光伏发电系统的储能装置，起作用是将光伏电池转换出来的电能储存起来以便使用。与光伏电池方阵配套的蓄电池通常在浮充状态下工作，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的电能量比用电负载所需的电能量大的多蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与光伏电池匹配，要求电池工作寿命长而且维护简单。

控制器对系统各种信号采样分析，对系统各部的工作状态进行判断，并及时准确的发出指令进行系统调整，以保证整个系统的安全高效运行。在系统基本结构中，控制器的主要功能是对蓄电池的重放电控制。

1.3 国内外光伏发电系统现状及发展前景

太阳能光伏发电是可再生能源和新能源的重要组成部分，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电占有极其重要的地位。世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术非常重视，投入巨额资金进行研究开发。世界光伏产业从1997年到2001

2

毕业设计

年，5年的平均增长率达35.5%。2004年世界光伏电池组件的生产量达到1194MW，比2003年的744.26MW增长了60.46%。2005年全球安装太阳能电池组件1460MW比一年前增长了34%。其中德国安装了838我MW,比前一年增长了53%，占世界安装量的57%；日本安装了292MW，比前一年增长了14%。到2005年年末，全球累计安装太阳能电池组件容量比前一年增长了39%，达到了5GW.

国际上载光伏发电的研究与开发领域具有领先地位的主要是德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家。德国在2003年圆满完成了“10万屋顶发电计划”，2004年光伏发电总量达到601TWh。日本在第一次石油危机后，1974就制定了有名的“阳光计划”，载政府的大力支持下，日本光伏产业发展迅速。美国在1997年就提出了太阳能“百万屋顶计划”，准备2010年以前载100万座建筑上安装太阳能光伏发电系统。未来世界各国将进一步加大对光伏发电技术研究投入，表1.1是欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划。

表1.1欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划（GW）

欧洲 日本 美国 世界 2005年 2.1 1.5 1.0 5.45 2010年 3.0 4.8 2.1 12 2020年 41 30 36 125 2030年 200 205 200 920 我国于1958年开始研究太阳能电池，1959年第一块有实验价值的太阳能电池诞生。1971年太阳能电池首次成功应用于中国发射的东方红二号卫星上。1973年首次将太阳能电池用于地面——天津港的浮标上。我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在10KWp以下，价格昂贵。在80年代国家加大对光伏产业的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，使得我国太阳能电池的生产力猛增到4.5MWp/年，2004年我国太阳能电池的生产能力达到100MWp，实际产量42MWp累计装机容量65MWp，组件售价从80元/Wp降至30~40元/Wp。

根据2007年国家公布的《可再生能源中长期发展规划》，我国对光伏发电

的利用主要在如下三个方面的重点建设项目：一、在西部特别是西藏、青海、内

3

独立光伏系统设计

蒙古、新疆、宁夏、甘肃等偏远地区推广使用光伏发电系统或建设小型光伏电站，建设太阳能光伏发电约10万千万，解决100万户偏远地区农牧民生活用电问题。到2010年，偏远农村地区光伏发电总容量达到了15万千瓦，到2020年达到30万千瓦；二、在经济较发达的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施，到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量5万千瓦，到2020年，全国太阳能光伏电站总容量达到20万千瓦。

在国家的大力支持下，光伏发电技术在我国将会持续高速发展

4

毕业设计

2 系统总体框图及各部分简介 2.1 系统总体框图

太阳能光伏发电分为独立系统和并网系统本文着重介绍独立系统。独立光伏系统发电系统利用光伏电池和蓄电池构成独立的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，蓄电池进行补充，而当其输出的功率超出负载要求时，将电能储存于蓄电池中，而不会将电能回馈上电网以供其他客户端使用。独立光伏发电系统的组成与负载有关：如果只是直流负载，则仅需要对输出电压进行升降压处理即可与负载相连；如果还需带交流负载，就需要加入逆变单元图2.1为独立光伏系统发电系统结构框图。

光伏电池阵列 蓄电池 逆变器 交流负载 控制器

图2.1独立光伏发电系统结构框图

2.2 系统各部分简介

1、光伏电池板

太阳能电池组件也叫太阳能光伏组件，通常还简称为电池板或光伏组件。太阳能电池组件是把多个单体的太阳能电池片根据需要串并联起来，并通过专门的材料和专门的生产工艺进行封装后的产品。目前的太阳能光伏发电系统主要采用太阳能电池组件主要为晶体硅为主要材料，半导体硅的导电性介于导体和半导体之间。在半导体照射光后，由于其吸收光会激发出电子和空穴（正电荷），从而半导体中有电流流过，这个过程就称为光伏发电。

2、控制器

控制器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部

5

独立光伏系统设计

分。在小型光伏发电系统中，控制器主要用来保护蓄电池。在大型系统中，控制器担负着平衡光伏系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用，控制器可以单独使用也可以和逆变器合为一体。

控制器根据光伏系统不同其复杂程度有所差异，但其基本原理都相同图2.2是最基本的原理框图。该电路由太阳能电池组件、控制器、蓄电池和负载开关组成。开关1和开关2分别为充电器控制开关和放电开关。开关1能及时切断充电回路，使光伏组件停止向蓄电池供电，开关1还能按预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。当开关2闭合时，由蓄电池给负载供电，当蓄电池出现过放电时，开关2能及时切断充电回路，蓄电池停止向负载供电，当蓄电池再次充电并达到预先设定的恢复充电点时，开关2又能自动恢复供电，开关1和开关2可以有各种开关元件构成。

图2.2控制器原理框图

3、蓄电池

储能电池是独立光伏发电系统不可缺少的储存电能部件。其主要功能是存储光伏发电系统中的电能，并在日照不足、夜间以及应急状态时为负载供电

4、逆变器

将直流电能变换为交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的。电路成为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变器或逆变设备。太阳 能光伏系统中使用的逆变器是一种将太阳能电池所产生的直流电转换为交流电能的转换装置。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统交流电的电压、频率相一致，以满足为各种交流用电装置、设备供电及并网发电的需要。

6

毕业设计

3 独立光伏发电系统需考虑因素 3.1 日光辐射情况

太阳能光伏阵列的安装选址很大程度上手日照情况的影响，要选择地域空旷前后没有高遮拦物的地区安装，另外还要考虑一个地区长期气候情况：日照数、连续阴雨天数、空气情况等等都是影响太阳能光伏阵列光电转换效率的因素。

内蒙古呼和浩特市具有自然资源优势，内蒙古资源属于一类和二类地区，为我国太阳能资源丰富集区。我是太阳辐射强，日照时数多，大部分地区年日照市输在2800~3100小时，日照百分比率为56%，是全国除青藏高原外的又一高值区，适合大力推广光伏应用。此外我是周围有丰富的优质高纯硅矿资源属于世界优质的多晶硅生产原料。

呼和浩特市位于内蒙古自治区中西部，北纬39°35′～41°25′，东经110°31′～112°20′，海拔高度1100～2300米，土地总面积 17224.0 平方公里，属中温带半干旱大陆性季风气候区。冬季漫长而寒冷，春季干旱多风，夏季温热短促。春秋季气温变化剧烈，无霜期较短，气温年日较差大，雨热同季，积温有效性高，日照充足，降水量偏少，蒸发量大，气候干燥。年平均气温为3.0 ～7.4℃。全年无霜期为85～150天。年平均降水量在250～535mm之间。大部地区年日照时数在 2800～3100小时。表3.1为我国部分城市纬度及太阳能阵列最佳倾斜角度。

表3.1我国部分城市纬度及太阳能阵列最佳倾斜角度

城市 哈尔滨 长春 沈阳 北京 天津 呼和浩特 太原 乌鲁木齐 西宁 兰州 纬度/∮（度） 最佳倾角（度） 城市 45.68 43.90 41.77 39.80 39.10 40.78 37.78 43.78 36.75 36.05 ∮+3 ∮+1 ∮+1 ∮+4 ∮+5 ∮+3 ∮+5 ∮+12 ∮+1 ∮+8 杭州 南昌 福州 济南 郑州 武汉 长沙 广州 海口 南宁 纬度/∮（度） 最佳倾角（度） 30.23 28.67 26.08 36.68 34.72 30.63 28.20 23.13 20.03 22.82 ∮+3 ∮+2 ∮+4 ∮+6 ∮+7 ∮+7 ∮+6 ∮+7 ∮+12 ∮+5 7

独立光伏系统设计

3.2 系统的负载功率

本设计的负载为某家庭用电，负载电压为220V 功率见表3.2。

表3.2某家庭用电功率

电气名称 家用电冰箱 家用洗衣机 电水壶 电饭煲 吸尘器 电视机（34） 照明灯 裕量 合计 单位功率（W） 100 300 1200 500 400 200 8 500 数量 1 1 1 1 1 1 12 3296（W） 所耗功率 （W） 100 300 1200 500 400 200 96 500 负载日平均工作电流为3296220=15A 每个负载日预计工作15小时（9小时睡眠）日平均耗电量为15×15=225Ah 1、系统的输出电压

光伏发电系统所产生电量为直流电考虑负载用电是直流还是交流，是否加设逆变器。本设计的独立光伏系统为某家庭供电，所以输出电压为220V交流电 2、系统每日工作小时

家庭用电每日除晚上睡眠外（估算9小时）每天供电最多大约在15小时。 3、连续阴雨天气及系统连续供电时间

呼和浩特属中温带半干旱大陆性季风气候区，日照充足，降水量偏少，蒸发量大，气候干燥。预计连续阴雨天气最长不超过3天。系统蓄电池需连续供电至少三天。

8

毕业设计

4 蓄电池简介以及选用 4.1 蓄电池简介

蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。

蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响

4.2 铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池的工作过程就是通过电化学反应将电能转化为化学能，再将化学能转化为电能的过程，其化学反应过程如下：

充放电过程：PbSO4+2H2O+PbSO4???Pb+2H2SO+PbO2 (4-1)

9

独立光伏系统设计

铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是“双硫酸化理论”.该理论的含义为铅酸电池在放电后，两电极的活性物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物——硫酸铅：充电时又恢复为原来的铅和二氧化铅

4.3

铅酸蓄电池充电方法及寿命、

4.3.1 铅酸蓄电池充电方法

铅酸蓄电池充电方法有很多，目前较为常用的是以下几种。

1、恒流充电

恒流充电是指以恒定的电流给蓄电池充电，在蓄电池允许最大电流情况下，充电电流越大，充电时间就越短。

2、恒压充电

恒压充电是指以恒定的电压给蓄电池充电。恒压充电较容易实现，但初始电流很大，严重时可能损坏蓄电池，但随着蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。

3、阶段充电

为了克服恒流与恒压充电各自的缺点，提出了阶段充电。阶段充电包括两阶段充电和三阶段充电。两阶段充电是采用恒流和恒压相结合的快速充电方法，先以恒流充电至预定的电压值再改为恒压充电。三阶段充电则是在两阶段充电的基础上，再加上浮充充电阶段。蓄电池在浮充工作方式下，充放电循环次数减少， 浮充电流除了维持自放电外，还维持蓄电池内部的氧循环，这样就大大延长了蓄 电池的寿命。

4.3.2影响蓄电池使用寿命的参数

蓄电池有许多需要关注的特性，比如自放电特性，使用寿命及其运行方式等，这些都作为选择光伏蓄电池的考虑因素，但对于光伏系统而言，更重要的是蓄电池的充电电流及其端电压等影响蓄电池使用寿命的参数，下面将分别介绍这几个参数对蓄电池的影响。 1、充电电流

当蓄电池的充电电流过大时，有大量的气体析出，这些气体将对极板上的活

10

毕业设计

性物质产生冲击，从而造成活性物质的脱落。并且电流过大会引起蓄电池内部水分解为氧和氢，并很可能在蓄电池内无法实现气体的再结合，从而使蓄电池内部压力增大，气体溢出，电解液减少，从而导致蓄电池干枯。 2、放电电流

放电电流过大会也会导致蓄电池的寿命降低，这是由于在大的电流和高硫酸浓度下，均会促使正极活性物质Pb0:松散脱落。而过小的放电电流则会形成蓄电池电解液的酸分层。 3、充电电压

充电电压过大，会产生较大热量，随着蓄电池电解液温度的增高，一方面使蓄电池能充电电流越变变越大，跟过大电流一样，导致电极的活性物质脱落;另一方面导致其内阻减小，从而充电电流会进一步加大，使蓄电池产生的热量增多，热量的增加使蓄电池电解液温度再升高，这样就形成了温度和充电电流相互促进，从而将形成“热失控”现象的产生，使蓄电池变形、开裂而失效，只需几个小时就会损坏整个电池。而过低的充电电压将使蓄电池不能得到足够的充电，造成“欠充”，若蓄电池经常工作在“欠充”情况下，蓄电池内部容易形成酸分层化，使极板底部腐蚀化，会使蓄电池的利用率大大减低，不仅增加成本，更重要的是使蓄电池的容量难以得到恢复，在相同的负载下，会加大其放电深度。 4、放电终止电压

蓄电池根据放电速度不同，终止电压值也不同，大电流放电时规定较低的终止电压，反之小电流放电则规定较高的终止电压。其实低于规定的终止电压并不能获得较大的输出容量，相反会导致蓄电池的过放电，使蓄电池中的活性物质因为膨胀产生应力，会造成极板弯曲或活性物质脱落，从而影响其寿命，因此对于过充和过放情况要加以控制。

4.4 铅酸蓄电池充电电路

UC3906可构成双电平浮充充电器，充电过程可以分为三个充电状态，分别是大电流恒流充电状态、过充电状态和浮充电状态。如图4.1所示，输入电源开通时，蓄电池电压很低，充电器以很小的电流给蓄电池充电。当蓄电池电压升高到启动电压VT时，以IMAX恒流充电;蓄电池电压继续升高，当电压达到V12

11

独立光伏系统设计

(V12=0.95?VOC)，进入了过充电状态;蓄电池电压达到过充电压时，充电电流逐渐减小，减小到IOCT (IOCT=IMAX10 )时，进入了浮充电状态。在浮充电状态时，

蓄电池放电，蓄电池电压随之下降，当蓄电池电压低于V31 (V31=0.9?VF)时，充电器又进入第一种充电状态，大电流恒流充电状态。

图4.1充电状态图

实际充电电路设计原理图如图4.2所示，

12

毕业设计

灯示指源电

图理原路电电充2.4图

13

独立光伏系统设计

充电的技术参数主要有过充电压VOC、浮充电压VF、最大充电电流IMAX,过充电终止电流IOCT、启动电压VT以及涓流IT，不同品牌的铅酸蓄电池充电的技术参数是不一样的，在充电的技术参数确定的情况下，根据以下公式，就能确定图2.9中的RA,RB,RC,RD,RT和RS，令RMUS=RA+RB,RX?RC?RDRC?RD，

己知VREF=2.3V, ID是通过RC的电流，取值范围是50μA到100μA 公式如下:

RC=

VREFID (4-2)

IDRSUM=(VF?VREF)RSUM (4-3)

(4-4)

VT) (4-5)

RD=VREF

(VOC?VF)VREFRA=(RSUM?RX)(I?RB=RSUM?RA (4-6)

RS=0.25VIMAX (4-7)

ITRT=

(VIN?VT?2.5V) (4-8)

IMAX和IOCT分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和电流检

测电阻RS决定。VF 、VOC的值则由内部参考电压VREF和外部电阻RA、RB、RC组成的网络来决定。其中由RA、RB和RC组成的电阻分压网络可用来检测充电电池的电压。此外，该电路还可通过与精确的参考电压（VREF）相比较来确定浮充电压、过充电压和涓流充电的阈值电压。为防止蓄电池的输出电流流入充电器，应在串联调整管与输出端之间串入一只二极管。同时为了避免输入电源中断后蓄电池通过分压电阻RC放电，设计时将RC通过电源指示晶体管（7脚）连接到地。 4.5 蓄电池容量计算

对蓄电池组容量的计算，蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能

14

毕业设计

储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

因此，蓄电池的容量C计算公式为：

C?A?QL?NL?TODOD (4-9)

式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；

QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数；

TO为温度修正系数，一般在

0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下

取1.2；

DOD放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。

本设计采用免维护铅酸蓄电池，依照第三章所列呼和浩特地区各类因素，所以本设计蓄电池容量C为（QL=225 Ah NL=3d TO=1.2 DOD=0.75）

C=1.2×225×3×1.2/0.75=1296Ah

4.6 蓄电池选用

能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，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。因此本设计采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。

当确定了所需要的电池容量后，就要进行蓄电池的串并联设计。下面介绍蓄电池的串并联计算方法。为了达到系统的工作电压，就需要把蓄电池串联起来给

15

独立光伏系统设计

负载供电，需要串联的蓄电池个数就是系统工作电压除以所选蓄电池的标称电压。需要并联的蓄电池就是蓄电池组的总容量除以电池的标称容量。

公式如下：

蓄电池串联数=系统工作电压蓄电池标称电压蓄电池标称容量 （4-10） （4-11）

蓄电池并联数=蓄电池总容量蓄电池品牌众多有沈阳松下、日本汤浅、美国艾佩斯、美国冠军、德国赛能等品牌，表4.6为美国艾佩斯品牌蓄电池的型号、标准电压容量等。

表4.1美国艾佩斯蓄电池电压、容量

型号 MODEL GB-38-12 GB-65-12 GB-100-12 GB-150-12 GB-200-12 标准电压 (V) 12 12 12 12 12 容量 (Ah) 38 65 100 150 200 内阻 mΩ ≤7.3 ≤6.1 ≤4.4 ≤3.5 ≤3.4 长 197 350 329 483 522 外形尺寸（mm） 宽 高 总高 166 175 182 166 175 179 172 214 238 170 241 241 240 219 244 参考重量 （KG） 12.5 20.5 30.5 43.5 60 本设计电池选用美国艾佩斯电池型号为UD-100-12的免维护铅酸蓄电池，结合逆变电路输入48V电池容量1296Ah，

蓄电池串联数=4812=4个

蓄电池并联组数=1296100=12.96≈13组 蓄电池组总块数=4×13=52个

根据以上结果共需要美国艾佩斯电池型号为UD-100-12的免维护铅酸蓄电池52块，其中没4块串联后13串并联

16

毕业设计

5 太阳能电池板

5.1 太阳能电池板简介及原理

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中储存起来或者推动负载工作

太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000W／m2；太阳能电池温度T=25℃；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“WP”

太阳能电池是以半导体P-N结上接受太阳光照产生光生伏打效应为基础，直接将光能转换成电能的一种半导体器件。所谓光生伏打效应是指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生出这种效应，但在半导体中，光能转换为电能的效率是最高的。

如图5.1所示，在本征半导体硅或锗中添加磷原子，磷原子结构最外层有5个价电子，4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，并是每掺入1个磷原子就会可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴数目是基本不变的。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子，空穴则为少数载流子，这种半导体简称n型半导体，如图 5.2所示。在硅或锗中掺入少量的如硼等3价元素，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子占据晶格上的某些位置，如图5.3所示。与n型半导体正好相反，多数载流子为空穴，少数载流子为电子，参与导电的主要是空穴，这种半导体简称P型半导体。

17

独立光伏系统设计

图5.1N型半导体

图5.2 P型半导体

太阳电池发电原理是半导体p-n结的光生伏打效应，所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当P型材料和n型材料相接，将在晶体中P型和n型材料之间形成界面，即一个p-n结。如果光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，以致产生

18

毕业设计

电子一空穴对。界面层附近的电子和空穴

在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正点的n区和空穴向带负电的P去运动，通过界面层的电荷分离，将在P区和n区之间产生一个向外的可测电压。通过光照在界面层长生的电子一空穴对越多，电流越大，界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流越大，实现过程原理如图5.3、5.4、5.5所示。

图5.3太阳能半导体晶片

图5.4太阳能受光后空穴和电子移动

图5.5晶片受光后电流输出方向

19

独立光伏系统设计

太阳能电池理想等效电路如图5.6所示，由恒流发生器、二极管和负载电阻组成。IPh是太阳能电池受光辐射而产生的光电流，它的值正比于太阳能电池的面积和入射光的辐射强度。Ish为暗电流，是太阳能电池在无光照情况下，通过P-N结的电流。IL是太阳能电池输出负载电流，UOC则是太阳能电池输出开路时测得的电压值。考虑到太阳能电池内阻，太阳能电池实际等效电路图如图5.7所示RS为串联阻、电池边缘漏电阻以及P型区和N型区各种导电膜的电阻等。另外，等效电路还应包括由P-N结形成的结电容和其它分布电容，但由于太阳能电池是直流设备，没有高频电阻，一般小于1Ω，主要由电极导体电阻、扩散层横向电阻、基体材料电阻和前后电极与基体材料的接触电阻等组成。RSh为旁路电阻，一般为几千欧姆，主要包括P-N结内漏电交流分量，因此这些电容可以忽略不计。通过以上定义，可以列出太阳能电池等效电路中各变量的方程式如下:其中，IO为太阳能电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流; ISC为电池的短路电流; UD为二极管的端电压;q为电子电荷，1.6x10?19C； k为玻尔兹曼常数，0.86x10-4eV/K ; T为绝对温度;A为P-N结的曲线常数。

图5.6太阳能电池理想等效电路

20

毕业设计

图5.1.2太阳能电池实际等效电路

5.2 太阳能电池组件的基本要求

1、能够提供足够的机械强度，是太阳能电池组件能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动等产生的应力，能够经得住冰雹的冲击力；

2、具有良好的密封性，能够防风、防水、隔绝大气条件下对太阳能电池的腐蚀；

3、具有良好的电绝缘性； 4、抗紫外线辐射能力强；

5、工作电压和输出功率按不同的要求设计，可以提供多种接线方式，满足不同的电压、电流和功率要求；

6、因太阳能电池片的串、并联组合引起的效率损失小； 7、太阳能电池片间连接可靠；

8、工作寿命长，要求太阳能电池组件在自然条件下能使用20年以上； 9、在满足前述条件下，封装成本尽可能低。

5.3 太阳能电池组件的分类

太阳能电池组件的分类比较多，根据太阳能电池片的类型不同可分为晶体硅(单、多晶硅)太阳能电池组件、非晶硅薄膜太阳能电池组件及砷化镓电池组件等；按照封装材料和多工艺的不同可分为环氧树脂封装电池板和层压封装电池组件。按照用的不同可分为普通型太阳能组件和建材型太阳能电池组件。其中建材型太阳能电池组件又分为单面玻璃透光型电池组件、双面夹胶玻璃电池组件和双面中空玻璃电池组件。用晶体硅太阳能电池片制作的电池组件应用占到了市场份

21

独立光伏系统设计

额的85%以上。

5.4 太阳能组件的性能参数

太阳能组件的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率

1、短路电流（ISC）：当将太阳能电池组件的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是组件的短路电流

2、开路电压（USC）:当太阳能电池组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压就是开路电压

3、峰值电流（Im）:峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电组件输出最大功率是的电流。

4、峰值电压（Um）:峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率是的电压。

5、峰值功率（Pm）：峰值功率也叫最大工作功率或最佳工作功率峰值功率是指太阳能电池组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率（测量标准为欧洲委员会101号标准，其条件是辐照度1KW/m2、光谱AM1.5测试温度25℃）。

6、填充因子（FF）：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值FF=Pm/(ISC×Uoc)。填充因子是评价太阳能组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高。太阳能电池组件的光转换率越高。填充因子系数一般在0.5~0.8之间，也可用百分数表示。

7、转换效率（η）：转换效率是指太阳能电池组件受光照时的最大输出功率与照射到组件上的太阳能量的功率比值。

既：??pm(A?pin)，其中Pin =1000W/m2=1000MW/cm2

5.5

太阳能电池板计算及选用

计算太阳能电池组件的基本方法是用负载平均每天所消耗的电池容量（Ah）除以选定的电池组件在一天中的平均发电量（Ah），就算出了整个系统需要并联

22

毕业设计

的太阳能电池组件数量。这些组件的并联输出电流就是系统负载所需电流。

将系统的工作电压除以太阳能电池组件的峰值工作电压，就可以算出太阳能电池组件的串联数量。这些电池组件串联后就可以产生系统负载所需要的工作电压或许电池组的充电电压。

上面的计算完全是理想状态的影响太阳能组件发电的相关因素主要有两点。

1、太阳能组件的功率衰减。在光伏发电系统实际应用中太阳能电池组件的输出功率会因为各种外界因素而降低。例如灰尘、组件自身功率衰减、线路的损耗等。在交流系统中还考虑交流逆变器的转换效率因素。因此，设计是要按照电池组件衰减效率损失10%来计算，逆变器转化效率也按10%计算，这些实际都是光伏发电系统所考虑的安全系数

2、蓄电池充放电损耗。在蓄电池的充放电过程中，太阳能电池产生的电流在转化储存过程中会因为发热、电解水蒸发而产生一定损耗，也就是说蓄电池的充电效率根据电池的不同一般只有90%-95%因此设计时，要将电池组件的功率增加5%-10%，以抵消损失。

在考虑到各种因素后计算太阳能组件公式如下： 并联数=

负载日平均用电量日发电量?充电效率系数系统工作电压?组件损耗系数?逆变器效率系数 （5-1）

串联数=

?系数（1.43）组件峰值工作电压 （5-2）

电池总功率=组件串联数×组件并联数×选定组件峰值输出功率 （5-2） 其中日发电量=组件峰值电流×峰值日照数。呼和浩特市峰值日照数见表5.1；系数=1.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值本设计选用华微科技生产的阳能电池板规格100W 12V见表5.2

23

独立光伏系统设计

表5.1各城市峰值日照时数资料

城市 呼和浩特 北京 沈阳 天津 斜面日均辐射量（KJ/m2） 20075 18035 16563 16722 峰值日照时数（h） 5.576835 5.010123 4.601201 4.645371 表5.2华微科技太阳能电池板 规格 50W 12V 60W 12V 80W 12V 100W 12V 150W 12V 200W 24V 250W 24V 功率 （W） 50 60 80 100 150 200 250 工作电流（A） 2.87 3.45 4.60 5.75 8.64 5.73 7.16 工作电压（V） 17.4 17.4 17.4 17.4 17.4 34.9 34.9 重量（含框架）(KG) 5.0 6.0 8.5 9.17 14 18 25 尺寸 （mm） 690*540*30 760*670*30 1200*540*30 1140*670*30 1008*992*30 1580*808*50 1956*992*50 使用寿命（年） 25~30 25~30 25~30 25~30 25~30 25~30 25~30 其基本参数见表5.3

表5.3华微100W太阳能电池板基本参数

品名： 材料： 封装材料 边框： 规格： 华微太阳能电池板 单晶硅 光伏钢化玻璃(防冰雹) 铝合金边框 100W/12V 峰值电流： 5.56A 开路电压： 21.24V 短路电流： 6.11A 使用寿命: 25-30年 外观尺寸： 1050*835*35MM 产品重量： 10kg 包装重量： 25kg 标称功率： 100W 峰值电压： 18V 根据以上选型并计算日平均用电量在500Ah以下，组件损耗系数为0.9，充电效率系数为0.9逆变器效率系数根据第六章逆变器选择效率系数为0.85；

电池组件并联组数=电池组件串联数=

2255.5?5.5?0.9?0.9?0.8518=10.8≈11(组)

48?1.43=3.81≈4（个）

电池组件总功率=11×4×4400=9600W

根据上述计算本设计选用华微100W/12V电池板44块，4块串联11串并联。

24

毕业设计

6 逆变器简介及选用

6.1 逆变器简介

将直流电能变换成为交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的电路被称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变太阳能光伏系统中使用逆变器或是一种将太阳能电池所产生的直流电能转换为交流电能的装置。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统交流电的电压、频率相一致以满足为各种交流用电装置、设备供电及并网发电的需要。 6.2 独立逆变器工作原理

如图6.1由如入电路、输出电路、主逆变开关电路、控制电路、辅助电路和保护电路等构成。 1、输入电路

输入电路的主要作用就是为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压。

2、主逆变电路

主逆变电路是逆变电路的核心，它的主要作用是通过半导体开关器件的导通和关断完成逆变的功能。 3、输入电路

输出电路主要是对主逆变电路输出的交流电波形、频率、电压、电流的幅值相位等进行修正、补偿、调理，使之能满足要求 4、控制电路

控制电路主要是为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变器开关器件的导通与关断，配合主逆变电路完成你变功能 5、辅助电路

辅助电路主要是将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。辅助电压。辅助电流还包含了多种检测电路 6、保护电路

25

独立光伏系统设计

保护电路主要包括输入过压、欠压保护、输出电压、欠压保护，过载保护，过流和短路保护、过热保护等。

DC入 输入电路 DC 主逆变电路 AC 输出电路 AC出 辅助电路 控制电路 保护电路 图6.1逆变器的基本电路构成

以图6.2的单项桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。图中S1~S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时u0为负其波形图如图6.3所示。这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。

图6.2逆变电路 图6.3逆变波形

当负载为电阻时，负载电流i0和电压u0的波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感时，i0相位滞后于u0，两者波形的形状也不同，图5-1b就是阻感负载时的i0波形。设t1时刻以前s1、s4导通，u0和i0均为正。在t1时刻断开s1、s4，同时合上s2、s3则u0的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流方

26

毕业设计

向不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经s2负载和s3流回正极，负载电感中存储的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零，之后i0才反向并逐渐增大。s2、s3断开s1、s4闭合时情况类似。

逆变器工作原理是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的。单项逆变器的基本电路有推挽式、半桥式和全桥式三种，虽然电路结构不同，但工作原理类似。电路中都是用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性的对功率器发出开关脉冲控制信号，控制各个功率器件轮流导通和关断，在经过变压器耦合电路升压或降压后，整形滤波输出符合要求的交流电。

三种逆变电路相比较，推挽式的逆变电路变压器效率低，带感性负载能力较差，不适合直流电压过高场所。半桥式逆变电路结构简单，由于两只串联电容器的作用，不会产生磁偏或直流分量，非常适合后级带动变压器负载。当该电路工作在工频（50hz或60hz）时，需要较大的电容容量，是电路成本上升，因此该电路适合用于高频逆变器电路中。

全桥式逆变电路原理如图6.4所示。该电路由四只功率开关和变压器等组成。该电路克服了推挽式逆变电路的缺点，功率开关管V1、V4和V2、V3相反V1、V3V3和V2、V4轮流导通，使负载两端得到交流电能。图A中的V1~V4。当开关V1、V3断开，V2、接通时，电流流过V1、V3负载上的电压极性使左正右负;当开关V1、

V4接通时电流流过V2和V4，负载上的电压极性相反。若两组开关V1、V3和V2、V4以某一频率交替切换工作时，负载上便可得到这一频率的交变电压 。

27

独立光伏系统设计

图6.4全桥式逆变原理图

6.3 光伏逆变器的主要参数

1、额定输出电压

光伏逆变器在规定的输入直流电压允许的波动范围内，应能输出额定的电压值。

2、负载功率因数

负载功率因数的大小表示了逆变器带感性负载能力，在正弦波条件下负载功率因数为0.7~0.9

3、额定输出电流和额定输出容量

额定输出电流表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流，单位为A；额定输出容量是指当输出功率因数为1（即纯电阻性负载）时，逆变器额定输出电压和额定输出电流的乘积。

4、额定输出效率

额定输出效率是指在规定的工作条件下，输出功率与输入功率的比，通常在70%以上逆变器的效率会随着负载的效率变化而改变，当负载率低于20%和高于80%时效率要低一些。标准规格的逆变器规定逆变器的输出功率在大于等于额定

28

毕业设计

功率的75%时，效率应大于等于80%

5、过载能力是要求逆变器在特定的输出功率条件下能持续工作一定时间，其标准如下。

错误！未找到引用源。输入电压与输出功率为额定值时，逆变器应连续可靠工作4h以上。

错误！未找到引用源。输入电压与输出功率为额定值的125%时，逆变器应连续可靠工作1min以上。

错误！未找到引用源。输入电压与输出功率为额定值的150%时，逆变器应连续可靠工作10s以上。

6、额定直流输入电压

额定直流输入电压是指光伏发电系统中输出逆变器的直流电压，小功率逆变器输入电压一般为12V 、24V，中大功率逆变器输入电压有24V、48V、110V、220V和500V等

7、额定直流输入电流

额定直流输入电流是指太阳能光伏发电系统为逆变器提供的额定直流工作电流。

8、额定只留输入范围

光伏逆变器直流输入的电压允许在额定直流输入电压的90%~120%范围变化，而不影响输出电压的变化

6.4 逆变器的选用

根据负载功率为3.3KW，本设计应选取逆变器的容量为4KW、输入电压为DC48V、输出电压为AC220V。下表为比尔特牌正弦波逆变器参数

表6.4 BERT-P-4000W正弦波逆变器参数

输入电压: 输出波形: 连续输出功率: 满载工作效率: 净重: 12V/24V/48V 纯正弦波 4000W >85% 9.7KG 输出电压: 输出谐波含量: 峰值功率: 外观尺寸: 外壳材料:

AC100-120V AC220-240V <3% 8000W 435*199*146 镁铝合金 29

独立光伏系统设计

7 防雷设计 7.1雷电的产生

雷电是一种常见的大气放电现象。在夏天的午后或傍晚，地面的热空 气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反符号的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000--20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。

一次雷击或者一次云闪所释放出的能量大约在300千瓦以上，如果把这些能 量全部利用起来，可供一个普通家庭使用2个月以上。由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场 和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害

7.2 雷电种类及危害

1、直击雷破坏

当雷电直接击在建筑物上，强大的雷电流使建（构）筑物受热汽化膨胀， 从而产生很大的机械力，导致建筑物燃烧或爆炸。另外，当雷电击中接闪器，电流沿引下线向大地泻放时，这时对地电位升高，有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”，从而造成火灾或人身伤亡。

2、感应雷破坏

感应雷破坏也称为二次破坏。它分为静电感应雷和电磁感应雷两种。由于雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。

（1）静电感应雷

30

毕业设计

带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱了），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击。 易燃易爆场所、计算机及其场地的防静电问题，应特别重视。

（2）电磁感应雷

雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了，对用电设备造成极大危害。因此，避雷针引下线通体要有良好的导电性，接地体一定要处于低阻抗状态。

（3）雷电波引入的破坏

当雷电接近架空管线时，高压冲击波会沿架空管线侵入室内，造成高电流引入，这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故。如果附近有可燃物，容易酿成火灾。

7.3 太阳能光伏发电系统的防雷和设计要求

1、太阳能光伏发电系统或发电站建设地址选择，要尽量避免放置在容易遭受雷击的位置和场所。

2、尽量避免避雷针的投影落在太阳能电池组件上。

3、根据现场状况，可采用避雷针、避雷带和避雷网等不同的防护措施对直击雷防护，减少雷击概率。并应尽量采用多根均匀布置的引入地下。多根引下线的分流作用可降低引下线的引线降压，减少侧击危险，并使引下线泄流产生的磁场强度减小

4、为防止雷电感应，要将整个光伏系统的所有金属物，包括电池组件外框、设备、机箱机柜外壳、金属线管等与联合接地体等电位连接，并做到可自独立接地。

5、在系统回路上逐渐和装置防雷器件，实行多级保护，使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流。一般在光伏发电系统直流线路部分采用直流电源防雷器，在逆变后的交流线路部分，使用交流电防雷器。

31

独立光伏系统设计

7.4 避雷针保护范围计算及选用

避雷针的保护作用是吸引雷电击于自身，并使雷电流泄入大地，为了使雷电流顺利泄入大地，要求避雷针应有良好的接地装置。另外，当强大的电流通过避雷针流入大地时，必然在避雷针上或接地装置上产生幅值很高的过电压。为了防止避雷针与被保护物之间的间隙击穿，他们之间应保持一定距离。

单根避雷针的保护范围如图7.3，避雷针的保护高度假定为h，在被保护物高度hx水平面上，其保护半径rx为

当hx≥h时，rx=（h-hx）ph

22当hx＜h时，rx=（1.5h-2hx）ph

式中Ph为高度修正系数，当h≤30m时，ph=1；当30m＜h≤120m时

ph=5.5h。

本设计太阳能电池板设于房顶，假定别墅屋顶高6m，长15m，宽10m，避

雷针高20m，rx=（1.5h-2hx）ph=18m。所以本设计选用一根20m高的避雷针。

hhahhx

32

1.5h rx 毕业设计

图7.3单只避雷针保护范围

8 交流配电柜设计 8.1 配电柜简介及分类

太阳能光伏发电系统的交流配电柜与普通的交流配电柜大同小异。也要配置总电源开关，并根据交流负载设置分路开关。面板上要配电压表、电流表，用于检测逆变器的输出单项或三相交流电的工作电压和工作电流的等。

太阳能光伏发电系统的交流配电柜中一般都接有防雷器，用来保护防雷装置，用来保护交流负载或交流电遭雷电破坏。防雷器一般接在总开关之后如图8.1。

图8.2配电柜防雷接线图

1、一级配电设备，统称为动力配电中心。它们集中安装在企业的变电站，把电能同地点的下级配电设备。这一级设备紧靠降压变压器，要求较高，输出电路容量也较大。

2、二级配电设备，是动力配电柜和电动机控制中心的统称。动力配电柜使用在负荷比较分散、回路较少的场合；电动机控制中心用于负荷集中、回路较多的场合。它们把上一级配电设备某一电路的电能分配给就近的负荷。这级设备应对负荷提供保护、监视和控制。

33

独立光伏系统设计

3、末级配电设备总称为照明动力配电箱远离供电中心，是分散的小容量配电设备。 按结构特征和用途分类：

（1）固定面板式开关柜，常称开关板或配电屏。它是一种有面板遮拦的开启式开关柜，正面有防护作用，背面和侧面仍能触及带电部分，防护等级低，只能用于对供电连续性和可靠性要求较低的工矿企业，作变电室集中供电用。

（2）防护式（即封闭式）开关柜，指除安装面外，其它所有侧面都被封闭起来的一种低压开关柜。这种柜子的开关、保护和监测控制等电气元件，均安装在一个用钢或绝缘材料制成的封闭外壳内，可靠墙或离墙安装。柜内每条回路之间可以不加隔离措施，也可以采用接地的金属板或绝缘板进行隔离。通常门与主开关操作有机械连锁。另外还有防护式台型开关柜（即控制台），面板上装有控制、测量、信号等电器。防护式开关柜主要用作工艺现场的配电装置。

（3）抽屉式开关柜。这类开关柜采用钢板制成封闭外壳，进出线回路的电器元件都安装在可抽出的抽屉中，构成能完成某一类供电任务的功能单元。功能单元与母线或电缆之间，用接地的金属板或塑料制成的功能板隔开，形成母线、功能单元和电缆三个区域。每个功能单元之间也有隔离措施。抽屉式开关柜有较高的可靠性、安全性和互换性，是比较先进的开关柜，目前生产的开关柜，多数是抽屉式开关柜。它们适用于要求供电可靠性较高的工矿企业、高层建筑，作为集中控制的配电中心。

（4）动力、照明配电控制箱。多为封闭式垂直安装。因使用场合不同，外壳防护等级也不同。它们主要作为工矿企业生产现场的配电装置 8.2 配电柜设计

根据家庭用电的需要，配电柜大致需要5条线路如图8.2。配电柜有总断路器控制，各自线路上也设置断路器和空气开关来控制线路的开通与关断。

34

毕业设计

开关厨房开关卧室电度表总开关开关卫生间开关客厅开关备用

图8.2交流配电柜示意图

根据基本设计要求使用梅兰日兰家庭配电箱见表8.1。

表8.1梅兰日兰家庭配电箱

总开关 分路开关 底座（mm） 面板（mm） DZ47LE-63(63A)，承受功率极限为12000W 共10路每路开关分别为16A 305×185×81 334×211×85 该配电箱总开关带有漏电保护，电气出现漏电活人出现触电，开关会在0.2秒内断开。有预备线路供以后扩充，所以适合家庭使用。电度表上海华立电度表 5~20A见表8.2

表8.2上海华立电度表参数

规格型号: 电压: 电流: 电表常数（ imp/kWh ）: 准确度等级: 绝 缘 电 压 ：

DDS237-1 220 V 5(20A) 3200 1.0 级 2.0级 ≥ 2000VAC 35

独立光伏系统设计

9发展与展望 9．1 价格估算

本设计元器件清单如下表9.1

表9.1各器件价格清单

器件 太阳能电池组件 蓄电池 逆变器 避雷针 配电柜 总计 单价（元） 1100 1000 2800 800 200 数量（个） 44 52 1 1 1 99800元 总价（元） 44000 52000 2800 800 200 9.2对光伏系统应用的展望

太阳能光伏电源系统，在我国的应用有着得天独厚的条件，首先我国地域辽阔，经济发展不平衡，西部地区尽管具有丰富的电力资源，但是由于受到地理环境、交通等因素制约，从经济角度考虑常规电力不易进入，使得这些地区人们的生活环境极其恶劣。国家的西部经济大开发政策，给这一地区的经济发展注入了活力。在西部实施的“光明工程”也解决了一些无电乡生活、办公、学校用电问题，使部分的农牧民结束无电生活的历史，改善了生活条件。然而在中国的西部游牧半游牧的广大农牧民还有几百万，户用光伏系统市场潜力很大。

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。并网发电系统，是光伏技术进步的重要标志。自90年代以来，国外发达国家掀起了发展屋顶并网光伏系统的高潮，屋顶并网光伏系统充分考虑到日光的分散性特点，将太阳电池安装在现成的屋顶之上，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，而备受各国重时视 9.3不足

户用光伏系统由于其功率小、灵活多样、安装方便等特点，适于在广大无电地区的农牧民和游牧民族生活用电、通信供电电源等采用。现在诚实光伏发电与建筑的完美结合，构成的屋顶户用光伏并网发电系统，更是前景诱人，市场广阔。本设计还存在具体制造及建筑等等许多不足日后会加紧学习弥补。

36

独立光伏系统设计

9发展与展望 9．1 价格估算

本设计元器件清单如下表9.1

表9.1各器件价格清单

器件 太阳能电池组件 蓄电池 逆变器 避雷针 配电柜 总计 单价（元） 1100 1000 2800 800 200 数量（个） 44 52 1 1 1 99800元 总价（元） 44000 52000 2800 800 200 9.2对光伏系统应用的展望

太阳能光伏电源系统，在我国的应用有着得天独厚的条件，首先我国地域辽阔，经济发展不平衡，西部地区尽管具有丰富的电力资源，但是由于受到地理环境、交通等因素制约，从经济角度考虑常规电力不易进入，使得这些地区人们的生活环境极其恶劣。国家的西部经济大开发政策，给这一地区的经济发展注入了活力。在西部实施的“光明工程”也解决了一些无电乡生活、办公、学校用电问题，使部分的农牧民结束无电生活的历史，改善了生活条件。然而在中国的西部游牧半游牧的广大农牧民还有几百万，户用光伏系统市场潜力很大。

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。并网发电系统，是光伏技术进步的重要标志。自90年代以来，国外发达国家掀起了发展屋顶并网光伏系统的高潮，屋顶并网光伏系统充分考虑到日光的分散性特点，将太阳电池安装在现成的屋顶之上，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，而备受各国重时视 9.3不足

户用光伏系统由于其功率小、灵活多样、安装方便等特点，适于在广大无电地区的农牧民和游牧民族生活用电、通信供电电源等采用。现在诚实光伏发电与建筑的完美结合，构成的屋顶户用光伏并网发电系统，更是前景诱人，市场广阔。本设计还存在具体制造及建筑等等许多不足日后会加紧学习弥补。

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0pir.html