1、渔船离网光伏发电系统设计课程设计渔船离网光伏发电系统设计课程设计参考文献 20第1章 项目研究背景分析1.1光伏发电系统概述太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，也叫光伏电池。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子一空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动（如图1-5所示），N区的空穴向P区
2、运动，P区的电子向N区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背光面有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。1.2 离网光伏发电系统结构及组成独立光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将太阳光昀光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能太阳能光伏发电系统设计施工与维护存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。太阳能电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可
3、以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用。1.3 独立光伏发电系统应用形式当前太阳能光伏发电主要应用领域如下：1.通信领域的应用。主要包括无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通信基站，广播、通信、无线寻呼电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。 2.公路、铁路、航运等交通领域的应用。如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。 3.石油、海洋、气象领域的应用
4、。如石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备，观测站电源系统等。4.农村和边远无电地区应用。在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决日常生活用电问题，如照明、电视、收录机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了手机、手电筒等随身小电器充电的问题，发电功率大多在及瓦到几百瓦。应用15kW的独立光伏发电系统或并网发电系统作为村庄、学校、医院、饭馆、旅社、商店等的供电系统。应用太阳能光伏水泵，解决了无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、
5、太阳能黑光灭虫灯等应用。5.太阳能光伏照明方面的应用。太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等：还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。6.大型光伏发电系统（电站）的应用。大型光伏发电系统（电站）是10kW200MW的地面独立或并网光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。7.太阳能光伏建筑一体化并网发电系统(BIPV)。BIPV将太阳能发电与建筑材料相结合，充分利用建筑的屋顶和外立面，使得大型建筑能实现电力自给、并网发电，这将是今后的一大发展方向。8.太阳能电子商品及玩具的应用。包括太
6、阳能收音机、太阳能钟、太阳帽、太阳能充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等。9.其他领域的应用。包括太阳能电动汽车，电动自行车，太阳能游艇，电池充电设备，太阳能汽车空调、换气扇、冷饮箱等；还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备供电，卫星、航天器、空间太阳能电站等。第二章 离网光伏发电系统及设计方法2.1 离网光伏发电系统结构2.1.1典型离网光伏发电系统离网光伏发电系统结构如下图2-1所示，主要包括光伏阵列、控制器、蓄电池、逆变器和负载。太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将太阳光昀光能直接转换成电能；并通过控制器把太阳能电池产生的电能存储于蓄电池中；当负载用电时，
7、蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。太阳能电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来。图2-1独立型太阳能光伏发电系统工作原理2.1.2离网光伏发电系统各部件功能太阳能电池组件（阵列）太阳能电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分。其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于推动负载工作。当发电容量较大时，就需要用多块电池组件串、并联后构成太阳能电池方阵。目前应用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太
8、阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。蓄电池蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器。当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。光伏控制器太阳能光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，其功能主要有：防止蓄电池过充电保护、防止蓄电池过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等
9、。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外控制器还有光控开关、时控开关等工作模式，以及充电状态、蓄电池电量等各种工作状态的显示功能。光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率和风光互补控制器等。交流逆变器交流逆变器是把太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载使用的设备。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能发电系统。2.2离网光伏发电系统分类离网光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直流混合光伏发电系统。而在直流光伏发电系统中又可分
10、为有蓄电池的系统和没有蓄电池的系统。2.2.1无蓄电池的直流光伏发电系统无蓄电池的直流光伏发电系统如图2-2所示。该系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。该系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能的利用效率。这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。图2-2无蓄电池的直流光伏发电系统图 图2-3有蓄电池的直流光伏发电系统2.2.2 有蓄电池的直流光伏发电系统有蓄电池的直流光伏发电系统如图2-3所示。
11、该系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄 电池以及直流负载等组成。有阳光时，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，小到太阳 能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。当 系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。2.2.3 交流及交、直流混合光伏发电系统交流及交、直流混合光伏发电系统如图2-4所示。与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。交、直流混合系统则既能为直流负载供电，也能为交流负载供电。图
12、2-4 交流和交、直流混合光伏发电系统2.2.4 市电互补型光伏发电系统所谓市电互补光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以大阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅，如图2-5所示。这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。我国大部分地区基本上全年都有三分之二以上的晴好天气，这样系统全年就有三分之二以上的时间用太阳能发电，剩余时间用市电补充能量。这种形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过渡性的好办法。这种形式的
13、原理与下面将要介绍的无逆流并网型光伏发电系统有相似之处，但还不能等同于并网应用。图2-5市电互补型光伏发电系统市电互补型光伏发电系统的应用举例。某市区路灯改造，如果将普通路灯全部换成太阳能路灯，一次性投资很大，无法实现。而如果将普通路灯加以改造，保持原市电供电线路和灯杆不动，更换节能型光源灯具，采用市电互补光伏发电的形式，用小容量的太阳能电池和蓄电池（仅够当天使用，也不考虑连续阴雨天数），就构成了市电互补型太阳能光伏路灯，投资减少一半以上，节能效果显著。2.3离网光伏发电系统容量设计所谓光伏发电系统容量是指发电系统中电池组件的功率值，用瓦或千瓦来表示。2.3.1离网光伏发电系统规划设计方法离网
14、光伏发电系统容量设计步骤如下图2-6所示。图2-6 离网光伏发电系统容量设计步骤在设计光伏发电系统时，应当根据负载的要求和当地太阳能资源及气象地理条件，依照能量守恒的原则，综合考虑下列各种因素和技术条件。2.3.2 离网光伏发电系统组件容量设计基本思路太阳能电池组件的设计原则是:太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。因为天气条件有低于和高于平均值的情况，因此，设计太阳能电池组件要满足光照最差、太阳能辐射量最小季节的需要。如果只按平均值去设计，势必造成全年三分之一多时间的光照最差季节蓄电池的连续亏电。蓄电池长时间处于亏电状态将造成蓄电池的极板硫酸盐化，使蓄电池的使用寿命和性能受到很大影
15、响，整个系统的后续运行费用也将大幅度增加。设计时也不能考虑为了给蓄电池尽可能快地充满电而将太阳能电池组件设计得过大，这样在一年中的绝大部分时间里太阳能电池的发电量会远远大于负载的用电量，造成太阳能电池组件的浪费和系统整体成本的过高。因此，太阳能电池组件设计的最好办法就是使太阳能电池组件能基本满足光照最差季节的需要，就是在光照最差的季节蓄电池也能够基本上天天充满电。在有些地区，最差季节的光照度远远低于全年平均值，如果还按最差情况设计太阳能 电池组件的功率，那么在一年中的其他时候发电量就会远远超过实际所需，造成浪费。这时只能考虑适当加大蓄电池的设计容量，增加电能储存，使蓄电池处于浅放电状态，弥补光
16、照最差季节发电量的不足对蓄电池造成的伤害。有条件的地方还可以考虑采取风力发电与太阳能发电互相补充（简称风光互补）及市电互补等措施，达到系统整体综合成本效益的最佳。第三章 渔船光伏发电系统结构设计近年来，国内外对太阳能光伏发电技术在船舶中的应用研究以游艇和大型船舶为主，其光伏发电系统的应用方式一般采用独立型或并网型。近海渔船受船体结构和海洋环境影响，难以布置大面积的光伏阵列。因此，近海渔船光伏阵列布置策略和光伏系统主要部件参数设计方法，并以海南中型木质渔船为例，采用独立光伏发电技术设计发电系统作为渔船辅助供电设备以期寻找一种高效率、低成本的应用方案。3.1渔船光伏系统总体设计近海渔船独立光伏发电
17、系统主要由光伏方阵、光伏控制器、逆变器、蓄电池组及渔船用电负载等组成( 图1)图1 渔船独立光伏发电系统结构图太阳能电池组件根据渔船的可布置面积和负载用电量确定组件容量，在防腐支架上进行串并联组合后构成光伏方阵; 光伏控制器采用智能MPPT方式控制蓄电池组充放电; 逆变器实现直交流逆变功能; 蓄电池组作为储能单元; 渔船用电负载主要包括日常照明和通信设备等。当光照充足时，光伏阵列利用光生伏打效应将太阳能转换为电能，通过控制光伏控制器和逆变器为渔船用电负载供电，同时向蓄电池组充电。当光照不足或夜晚时，蓄电池组通过光伏控制器为渔船用电负载供电。3.2 渔船光伏光伏阵列布置目前，光伏阵列在船舶上的布
18、置以固定布置为主，主要分为水平布置和倾斜布置。近海渔船出海捕捞作业处于不断移动状态，经纬度的变化导致太阳能辐射量不断变化，复杂的海洋环境和渔船船体结构限制了光伏阵列的可布置面积，相对于陆地安装，渔船安装在安全可靠、面积最优化和经济实用等方面要求更高。将近海渔船固定作业区域分块，统计每块区域的平均日照量来估算该区域太阳能辐射量，在不影响渔船稳性和渔民生产作业的情况下合理布置与安装光伏阵列。第四章 渔船光伏发电系统容量设计与参数配置4.1 渔船负载用电量分析近海渔船常用辅助用电设备包括日常照明、安全指示灯、通信设备、生活用电设备等。根据不同负载的额定功率和每天使用时间计算每日渔船用电负载的总功率，
19、每日渔船负载耗电量是光伏阵列容量计算的重要参数。式中: P渔船用电负载的总功率，W; i渔船用电负载类型; Pi负载的额定功率，W; Ti负载的每天使用时间，h。ID每日渔船负载耗电量，Ah; P每日渔船用电负载的耗电量，Wh; Vz系统直流电压，V。4.2 渔船负载光伏阵列参数计算4.2.1 电池组件选型与配置原则(1)光伏组件应根据类型、峰值功率、转换效率、温度系数、组件尺寸、重量、功率辐照度特性等技术条件进行选择。(2)光伏组件依据太阳辐射量、气候特性、场地面积等因素，经技术经济比较确定。(3)太阳能辐射量较高、直射分量较大的场地宜采用晶体硅光伏电池或聚光光伏组件。(4)太阳能辐射量较低
20、、散射分量较大、环境温度较高的地区宜采用薄膜光伏组件。2.电池组件容量及串并联分析在前面章节中已经阐述过离网系统电池组件容量分析方法，再次我们重点分析电池组件串并联数分析。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的太阳能电池组件数。这些组件的并联输出电流就是系统负载所需要的电流。具体公式为：其中, 组件日平均发电量=组件峰值工作电流(A)峰值日照时数(h)。假设告知负载日耗电（KWh），如何计算负载日平均用电量（Ah）。再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
21、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蓄电池组的充电电压。具体公式为：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。例如，为工作电压12V的系统供电或充电的太阳能电池组件的峰值电压是1717.5V；为工作电压24V的系统供电或充电的峰值电压为3434.5V等。因此为方便计算用系统工作电压乘以1.43就是该组件或整个方阵的峰值电压近似值。4.2.2电池组件选配上面的公式只是一个理论的计算，在考虑到各种因素影响后，将相关系数纳入到上述公式中，才是一个设计和计算太阳能电池组件的完整公式。将负载日平均用电量除以蓄电池的充电效率，就增加了每天的负载用电量，实际上给
22、出了电池组件需要负担的真正负载；将电池组件的损耗系数乘以组件的日平均发电量，这样就考虑了环境因素和组件自身衰降造成的组件发电量的减少，有了一个符合实际应用情况下的太阳能电池发电量的保守估算值。综合考虑以上因素，得出计算公式如下： 在进行太阳能电池组件的设计与计算时，还要考虑季节变化对系统发电量的影响。因为在设计和计算得出组件容量时，一般都是以当地太阳能辐射资源的参数如峰值日照时数、年辐射总量等数据为参照数据，这些数据都是全年平均数据，参照这些数据计算出的结果，在春、夏、秋季一般都没有问题，冬季可能就会有点欠缺。因此在有条件时或设计比较重要的光伏发电系统时，最好以当地全年每个月的太阳能辐射资源参
23、数分别计算各个月的发电量，其中的最大值就是一年中所需要的电池组件的数量。例如，某地计算出冬季需要的太阳能组件数量是8块，但在夏季可能有5块就够了，为了保证该系统全年的正常运行，就只好按照冬季的数量确定系统的容量。计算举例1：某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压48V，用电量为每天150Ah，该地区最低的光照辐射是1月份，其倾斜面峰值日照时数是3.5h，选定125W太阳能电池组件，其主要参数：峰值功率125W、峰值工作电压34.2V、峰值工作电流3.65A，计算太阳能电池组件使用数量及太阳能电池方阵的组合设计。根据上述条件，并确定组件损耗系数为0.9，充
24、电效率系数也为0.9。因该系统是直流系统，所以不考虑逆变器的转换效率系数。=15根据以上计算数据，采用就高不就低的原则，确定电池组件并联数是15路，串联数是2块。也就是说，每2块电池组件串联连接，15串电池组件再并联连接，共需要125W电池组件30块构成电池方阵，连接示意图如图4-3所示。该电池方阵总功率=152125W=3750W。图4-3 太阳能电池方阵串并联示意图计算举例2：在上述案例中，提供不同组件型号，其组件串联数、并联数、总功率如下表4-4所示。表4-4 组件规格配置型号功率峰值电压峰值电流串联数并联数总功率W110034.2V2.92 A21938002125W34.2V3.65
25、A2153750318017.1V10.53453600424534.2V7.16283920530034.2V8.77263600从上表可以看出，采用功率为180W或300W的电池组件最经济，具体要视电池组件摆放位置决定，一般来讲，采用组件的数量越少越好。4.3 渔船负载蓄电池容量设计离网运行光伏发电系统，一般都要配置蓄电池组作为储能装置。蓄电池的作用是将太电池方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，以供晚间或阴雨天时负载使用。蓄电池容量是指其蓄电的能力，通常用该蓄电池放电至终了电压所放出的电量大小来度。铅蓄电池的使用容量是在一定的工作条件下所放出的电量，铅蓄电池使用容量与厂家造质量及电池工作
26、条件有关。确定离网光伏系统蓄电池容量最佳值，必须综合考虑太阳电方阵发电量、负荷容量及直交变换装置（逆变器）的效率等。蓄电池容量的计算方法有种，一般可通过下式求出。C蓄电池容量，kWh（Ah）；D最长无日期间用电时数，h；F蓄电池放电效率的修正系数，（通常取1.05）；PO平均负荷容量，kW；为蓄电池的维修保养率，（通常取0.8）；U为蓄电池的放电深度（通常取0.5）；为包括逆变器等交流回路的损耗率（通常取0.70.8）。上式可简化为：C3.75DP0这就是由平均负荷容量和最长连续无日照时间（用电使用时间）求出蓄电池容量的简计算公式。应当注意到，无日照时间取多长为恰当。若取得过长，计算出的蓄电池
27、容量大，不必要地加大投资。而且，若蓄电池容量增大，必须使太阳电池的容量相应加大，使者容量相匹配才合适；否则相对的蓄电池充电速率减小，蓄电池总是充不满也会影响使用命，因为蓄电池在接近满充电的状态下使用较好。因此，过长预估无日照时间以为安全，实际并不恰当。一般地说，取3倍于太阳电池出力的蓄电池出力认为是比较适当的。由于蓄电池容量一般以安时数表示，故蓄电池容量应该为：为蓄电池容量，A；V为光伏系统的电压等级（系统电压），通常为12V、24V、48V、110V或220V。第五章 渔船负载实例设计本设计以在海南省近海区域内使用广泛的中型木质渔船为对象。该类渔船船长在20 50 m 之间，动力在29 4
28、294 kW 不等，多在水深40 100 m的海区内进行捕捞作业。光伏电池阵列水平安装在渔船驾驶楼顶部，蓄电池组和控制机柜安装在渔船内部。选取多个南海比较典型的海域渔场以及海口、三亚港口进行太阳能辐射资源分析，利用Meteonorm6 0 软件分析这些区域的气象数据，根据渔船负载用电量，完成系统主要部件的设计。51 固定作业区域太阳能资源分析通过Meteonorm6 0 软件获取多个南海比较典型的海域渔场以及海口、三亚港口的气象数据，按经纬度对这些区域分块，统计每块区域的平均日照量来估算该区域太阳能辐射量( 表1) 。将各区域的平均峰值日照小时数相加后取其平均值约为4.8h/d。表1 海南省典
29、型海域渔场及重要港口太阳辐射强度分布52渔船负载用电量计算海南中型木质渔船辅助用电设备包括通讯、卫星定位、夜间照明和安全指示灯、自动识别系统( AIS) 、生活用电设备等，负载用电量见表2。系统的直、交流负载日耗电量分别为1.86 kWh和0.6 kWh。由于系统在直交流转换过程中逆变器存在电能损耗，一般取逆变器的转换效率为90%，故渔船负载的日耗电量约为2 53 kW。5.3 光伏系统部件选型与参数计算5.3.1光伏方阵容量设计考虑到渔船直流负载电压等级及减少线路电能损耗，选定系统的直流电压为24 V; 系统选择英利公司的YL220C-24b 型单晶硅太阳能电池组件，其太阳能转换效率达到17
30、 1%，具有较高的抗风、抗腐蚀、抗盐雾等性能，适合在海洋环境下使用，其峰值功率220 W、峰值电流8 94 A、峰值电压24 6 V。根据公式( 3) 和公式( 4) 计算可知，系统的光伏阵列由1 块组件串联和4 块组件并联封装后构成。光伏方阵的总功率是选定的太阳能电池组件的串联数、并联数和峰值功率的乘积，因此该系统光伏方阵的总功率为0 88 kW。在平均峰值日照小时数为4 8 h 的情况下，忽略各种电能损失，该光伏阵列一天的预计发电量约为4 22 kWh，能满足渔船负载用电需求。5.3.2蓄电池容量设计渔船易受到海上极端恶劣天气的影响，为保证船上通信、导航等重要负载的用电需求，取自给天数为7
31、 d。考虑光伏方阵的功率、负载容量和逆变器转换效率等因素，根据公式( 5) 计算，得到蓄电池容量为1937 09 Ah。系统选取南都电源公司的GFM-1000E 型阀控式密封铅酸蓄电池，其额定电压2V， 10 h 放电率的额定容量为1 000 Ah。因此系统需要2 块并联和12 块串联的该型号蓄电池。5.3.3 控制器及逆变器选型根据系统的直流电压、总功率、太阳能电池组件以及蓄电池组数等选择爱庞德公司的I-P-MSCDC24V-50A 太阳能控制器，采用智能MPPT 充电模式，具有较高过欠压及温升保护功能。由系统直流电压和交流负载类型选择太阳宇公司的YYLW-24 V/3 KW 型逆变器，采用纯正弦波电压输出，具有完善的高低压、短路和过载等保护。
