豫北農村地區家用光伏發電系統研究

王文武 袁守彬

(長春工業大學電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

豫北農村地區家用光伏發電系統研究

王文武 袁守彬

(長春工業大學電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

本文介紹了太陽能極板發電的基本原理,并給出了相關模型。根據目前太陽能發電技術和市場應用情況,給出了太陽能發電計算、安裝的具體方案,包括蓄電池容量的選用和安裝、光伏電池板功率的選擇、具體安裝角度以及市場上常見的控制器型號和逆變器大小的選擇。本文提出了一套農村地區家用型光伏發電較為可行的設計安裝方案。

農村地區;光伏發電;控制器;逆變器

隨著人類日益增長的能源需求和對化石能源的過度開采,所引發的環境污染問題,地質問題和化石能源日益枯竭引起了人們的高度重視,促使人們加大對可再生能源的開發力度。太陽能可以安裝在建筑屋面、外墻或在設計時將光伏發電與建筑用電系統結合(BIPV),所以其推廣起來比風能發電有更大的優勢,本文以豫北農村地區單戶光伏發電項目為研究對象,介紹了家用型太陽能發電系統的設計思路及方案。

1 光伏電池光電轉換原理

光伏電池的工作原理是半導體P—N結的光生伏特效應［1］。當陽光照射半導體P一N結時,原子如果獲得足夠的能量便釋放電子,產生電子一空穴對,在勢磊電場的電場力作用下,電子被驅向N型區域,空穴被驅向P型區域,使得N型區有過剩的電子群,P型區域有過剩的空穴。于是,在PN結的附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分電場抵銷勢壘電場,其余部分使P型區帶正電,N型區帶負電,于是,就使N型區與P型區之間產生電動勢,即光生伏特電動勢,當接通外電路時便有電流輸出。硅由于含量豐富、加工技術成熟,因此光伏電池大多以硅半導體為原料。圖1是P一N結接觸型單晶硅光伏電池發電的基本原理。

圖1 光伏發電原理圖

若把光伏電池單體級聯,再并聯起來,組成光伏電池組件,便可獲得需要功率的電能。

2 光伏發電系統設計

2.1 光伏發電系統硬件組成結構如圖2：

圖2 家用型光伏發電系統結構圖

(1)光伏電池組：將光能轉化為電能。

(2)控制器：控制系統的工作情況包括最大功率點跟蹤、蓄電池的過充電保護、過放電保護和逆變器的工作狀態。

(3)蓄電池組：將電能存儲起來,經逆變器變換后供負載使用。

(4)逆變器：負責將直流電轉換為工頻交流,或者升降壓供直流負載使用。(5)負載、交流負載：如電視、空調、照明,直流負載。2.2豫北地區農村夏季家庭高峰用電量分析見表1 2.3光照條件

豫北地區地理位置北緯34。55′一36。22′年均太陽輻射量(4625.026～5020.026MJ/㎡),豫北地區按平均日照時長為10h［2］。

2.4 蓄電池的選擇

蓄電池是光伏發電系統中的重要的一環,是將光伏電池發出的光能存儲利用的裝置,對于系統連續運行有重要的作用,蓄電池的工作性能影響著整個光伏系統的正常運行。因此,選擇蓄電池時,不僅要考慮價格,更應考慮效率,安全性,循環次數和對環境的影響。

常見蓄電池對比見表2

綜合考慮各蓄電池的特性,本方案選用鉛酸蓄電池。

L為系統日耗電量,單位為Wh；D為天氣原因光伏系統無法工作的天數；DOD為蓄電池的最大放電深度,一般選取50%一80%；E1為系統的能量轉換效率,選取80%一90%；E2為電能傳輸過程中的損失量［3］。本設計選取L為4810Wh,D為3,DOD為50%,E1為80%,E2為5%。則由式(1)可計算出C=37973.68Wh。選擇額定電壓為12V的鉛酸蓄電池,串聯成電壓為48V的蓄電池組。電池的容量等于所需能量除以電池電壓：

可用32個12V100A.h的電池四塊串聯升壓到48V,然后四組并聯組供負載使用。

2.5 光伏電池的設計

表1 豫北地區農村夏季家庭高峰用電量分析

表2 常見蓄電池對比

由于家庭計算用電量L為4810Wh,光伏電池給蓄電池充一天滿足三天使用,當地平均日照時長T=10h,光伏電池的時均功率為：

為滿足功率需求可用五塊功率為300W,輸出電壓為48V的太陽能電池板并聯連接組成光伏電池組。

2.6 控制器的選擇

控制器與電池串聯,選用市面上通用的輸出電壓48V、輸出電流30A的控制器。

2.7 逆變器的選擇

按家庭用電需要系數取0.6［4］,則最大功率為4.81kWX0.6=2.88kW。選擇3kW逆變器能滿足使用,

2.8 光伏電池方陣的選用

根據計算得需要的光伏電池組功率為1443W,本方案選用1500W的光伏電池組,該電池組由5塊XG一300W型光伏電池板構成,光伏電池板尺寸為165099240(mm),則光伏電池方陣在屋面上占地面積為：S=15X0.992=14.88m2

2.9 電池的安裝角度的計算

《太陽能光伏發電系統設計施工與維護》規定：當地緯度為26。—40。時,傾角等于緯度加上5。～10。［5］。根據豫北地區緯度,傾角計算如下：Q傾=35。+7。=42。

由以上資料可得光伏電池安裝的傾角為42。。

3 結語

本文針對對豫北農村地區使用光伏發電的具體情況進行了研究,得出如下結論：

3.1 通過對家庭用電情況的分析,確定了選用蓄電池的容量及連接方式,光伏電池板的功率數量。

3.2 通過對本文數據的分析,選定了控制器,逆變器的型號,以及其連接方式和具體結構。

3.3 對豫北地區的農村光伏發電系統做了典型研究,有利于后期各個地區針對本地情況進行參考。

［1］楊金煥,于化從,葛亮.太陽能光伏發電應用技術［M］.北京:電子工業出版社,2009.

［2］劉曉迎,陳羅成,趙巧梅,等.豫北主要農作物光熱資源利用效率研究［J］.河南農業科學,2012,41(4):29一33.

［3］谷興龍,龐振沖,劉磊,等.家用小型光伏發電系統設計［J］.太陽能,2012,15(3):48一52.

［4］張妮妮.中國農戶生活用電消費研究［D］.中國農業大學,2011.

［5］李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與維護［M］.北京:人民郵電出版社,2010.

[欄目責任編輯 席曉劍]

Research on the Domestic Photovoltaic Power Generation System in Rural Areas of Northern Henan Province

Wang Wenwu Yuan Shoubin
(Changchun Vniversity of Technology,Changchun Jilin 130012)

This paper introduced the basic principles of electric power generation of solar energy plate,and gave a related model.According to the current solar power generation technology and its application in market,this paper put forward specific scheme on solar power generation calculation and installation,including the selection and installationof battery capacity,selection of photovoltaic panels power,the specific installation dip angle,selection of the common controller type and inverter size in the market.This paperproposeda set of feasible photovoltaic power generationdesignandinstallationplaninruralareas.

rural areas;Photovoltaic power generation;Controller;Inverter

TM615

A

1003一5168(2015)07一0147一3

2015一6一12

王文武(1989一),男,碩士,研究方向:電力系統,新能源發電,光伏發電。