豫北农村地区家用光伏发电系统研究

王文武 袁守彬

(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林 长春 130012)

豫北农村地区家用光伏发电系统研究

王文武 袁守彬

(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林 长春 130012)

本文介绍了太阳能极板发电的基本原理,并给出了相关模型。根据目前太阳能发电技术和市场应用情况,给出了太阳能发电计算、安装的具体方案,包括蓄电池容量的选用和安装、光伏电池板功率的选择、具体安装角度以及市场上常见的控制器型号和逆变器大小的选择。本文提出了一套农村地区家用型光伏发电较为可行的设计安装方案。

农村地区;光伏发电;控制器;逆变器

随着人类日益增长的能源需求和对化石能源的过度开采,所引发的环境污染问题,地质问题和化石能源日益枯竭引起了人们的高度重视,促使人们加大对可再生能源的开发力度。太阳能可以安装在建筑屋面、外墙或在设计时将光伏发电与建筑用电系统结合(BIPV),所以其推广起来比风能发电有更大的优势,本文以豫北农村地区单户光伏发电项目为研究对象,介绍了家用型太阳能发电系统的设计思路及方案。

1 光伏电池光电转换原理

光伏电池的工作原理是半导体P—N结的光生伏特效应［1］。当阳光照射半导体P一N结时,原子如果获得足够的能量便释放电子,产生电子一空穴对,在势磊电场的电场力作用下,电子被驱向N型区域,空穴被驱向P型区域,使得N型区有过剩的电子群,P型区域有过剩的空穴。于是,在PN结的附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分电场抵销势垒电场,其余部分使P型区带正电,N型区带负电,于是,就使N型区与P型区之间产生电动势,即光生伏特电动势,当接通外电路时便有电流输出。硅由于含量丰富、加工技术成熟,因此光伏电池大多以硅半导体为原料。图1是P一N结接触型单晶硅光伏电池发电的基本原理。

图1 光伏发电原理图

若把光伏电池单体级联,再并联起来,组成光伏电池组件,便可获得需要功率的电能。

2 光伏发电系统设计

2.1 光伏发电系统硬件组成结构如图2：

图2 家用型光伏发电系统结构图

(1)光伏电池组：将光能转化为电能。

(2)控制器：控制系统的工作情况包括最大功率点跟踪、蓄电池的过充电保护、过放电保护和逆变器的工作状态。

(3)蓄电池组：将电能存储起来,经逆变器变换后供负载使用。

(4)逆变器：负责将直流电转换为工频交流,或者升降压供直流负载使用。(5)负载、交流负载：如电视、空调、照明,直流负载。2.2豫北地区农村夏季家庭高峰用电量分析见表1 2.3光照条件

豫北地区地理位置北纬34。55′一36。22′年均太阳辐射量(4625.026～5020.026MJ/㎡),豫北地区按平均日照时长为10h［2］。

2.4 蓄电池的选择

蓄电池是光伏发电系统中的重要的一环,是将光伏电池发出的光能存储利用的装置,对于系统连续运行有重要的作用,蓄电池的工作性能影响着整个光伏系统的正常运行。因此,选择蓄电池时,不仅要考虑价格,更应考虑效率,安全性,循环次数和对环境的影响。

常见蓄电池对比见表2

综合考虑各蓄电池的特性,本方案选用铅酸蓄电池。

L为系统日耗电量,单位为Wh；D为天气原因光伏系统无法工作的天数；DOD为蓄电池的最大放电深度,一般选取50%一80%；E1为系统的能量转换效率,选取80%一90%；E2为电能传输过程中的损失量［3］。本设计选取L为4810Wh,D为3,DOD为50%,E1为80%,E2为5%。则由式(1)可计算出C=37973.68Wh。选择额定电压为12V的铅酸蓄电池,串联成电压为48V的蓄电池组。电池的容量等于所需能量除以电池电压：

可用32个12V100A.h的电池四块串联升压到48V,然后四组并联组供负载使用。

2.5 光伏电池的设计

表1 豫北地区农村夏季家庭高峰用电量分析

表2 常见蓄电池对比

由于家庭计算用电量L为4810Wh,光伏电池给蓄电池充一天满足三天使用,当地平均日照时长T=10h,光伏电池的时均功率为：

为满足功率需求可用五块功率为300W,输出电压为48V的太阳能电池板并联连接组成光伏电池组。

2.6 控制器的选择

控制器与电池串联,选用市面上通用的输出电压48V、输出电流30A的控制器。

2.7 逆变器的选择

按家庭用电需要系数取0.6［4］,则最大功率为4.81kWX0.6=2.88kW。选择3kW逆变器能满足使用,

2.8 光伏电池方阵的选用

根据计算得需要的光伏电池组功率为1443W,本方案选用1500W的光伏电池组,该电池组由5块XG一300W型光伏电池板构成,光伏电池板尺寸为165099240(mm),则光伏电池方阵在屋面上占地面积为：S=15X0.992=14.88m2

2.9 电池的安装角度的计算

《太阳能光伏发电系统设计施工与维护》规定：当地纬度为26。—40。时,倾角等于纬度加上5。～10。［5］。根据豫北地区纬度,倾角计算如下：Q倾=35。+7。=42。

由以上资料可得光伏电池安装的倾角为42。。

3 结语

本文针对对豫北农村地区使用光伏发电的具体情况进行了研究,得出如下结论：

3.1 通过对家庭用电情况的分析,确定了选用蓄电池的容量及连接方式,光伏电池板的功率数量。

3.2 通过对本文数据的分析,选定了控制器,逆变器的型号,以及其连接方式和具体结构。

3.3 对豫北地区的农村光伏发电系统做了典型研究,有利于后期各个地区针对本地情况进行参考。

［1］杨金焕,于化从,葛亮.太阳能光伏发电应用技术［M］.北京:电子工业出版社,2009.

［2］刘晓迎,陈罗成,赵巧梅,等.豫北主要农作物光热资源利用效率研究［J］.河南农业科学,2012,41(4):29一33.

［3］谷兴龙,庞振冲,刘磊,等.家用小型光伏发电系统设计［J］.太阳能,2012,15(3):48一52.

［4］张妮妮.中国农户生活用电消费研究［D］.中国农业大学,2011.

［5］李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护［M］.北京:人民邮电出版社,2010.

[栏目责任编辑 席晓剑]

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,硕士,研究方向:电力系统,新能源发电,光伏发电。