家用光伏电站设计课件.pptx

1、汇报人：代用名项目三：家用光伏电站设计3.6 任务实施Central task 3.6.5 逆变器的选型逆变器的选型天津中德应用技术大学家用光伏电站设计目录目录任务提出任务提出任务解析任务解析光伏阵列光伏阵列离网逆变器离网逆变器1234支架系统支架系统576任务实施任务实施应用案例应用案例 3.1 任务提出Put forward the task家用光伏电站设计天津中德应用技术大学 家用光伏发电系统是指主要供给无电或缺电的家庭、小单位等所使用的小型离网独立光伏发电系统。由于其具有灵活多样、功率小、安装方便的特点，既不占用额外土地，又有显著的减排生态效益。本项目设计一套家用独立光伏发电系统，地点

2、为山西省太原市郊区。如图1-1所示，该用户离公共电网较远，设计光伏发电系统安装在居民屋顶上，能够实现白天发电储能，供用户自用。图1-1 屋顶光伏电站效果图天津中德应用技术大学2任务解析任务解析3.2 任务解析Task analysis天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 家用光伏发电系统由光伏阵列、控制器、蓄电池、逆变器和交流负载等构成。对于家用光伏发电系统的设计，主要是根据用电设备，计算光伏阵列容量、蓄电池容量和配套电气设备的选型。设计时需要对用电设备进行细致的了解。客户计划装机规模、投资额度、资金来源，安装现场周围环境、安装面积、有否遮挡物以及对负载功率、供电方式、使用要求等情况进行方案设

3、计和实施时也是必须考虑的要素。图1-2 家用系统结构框图计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）作为流体力学的一个分支，是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘学科。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。CFD属于现代模拟仿真技术，其基本特征是数值模拟和计算机设计与实验，即利用计算机来模拟仿真实际的流体流动，通过拟实验来得出相应理论，并将理论运用于实际的工程领域中。第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用 CFD从基本物理定理

4、出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，已在科学研究和工程技术中产生了巨大的影响，是目前国际上一个热门的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学、化工处理、涡轮机设计、半导体设计、板矧式换热器设计等诸多工程领域。其中，空调系统设计就是CFD技术应用的重要领域之一。第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用概述第一节CFD在汽车工程领域的应用始于20世纪60 年代，当时主要用于发动机进气及缸内混合气流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力学数值模拟仿真等。随着计算机技术的发展和数值

5、计算方法的成熟，CFD在汽车工业得到了广泛应用，各大汽车制造厂商无不借助CFD软件所具有的成本低、速度快、资料完备、具有模拟真实条件和理想条件的能力，且不受气候条件和地区因素等影响的优点，来加快新产品的开发速度，降低开发成本。CFD在汽车领域的应用空气动力学性能研究车内空调气流组织分析车内热环境分析风窗玻璃除霜性能研究发动机燃烧过程分 析进排气歧管气流模 拟油泵内部流场模拟燃料电池内部流场模拟发动机舱热环境分 析发动机冷却系统模拟第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法一、客车空调系统数值模拟仿真的意义客车车室内部的空气品质是衡量乘坐舒适性的一个重要指标。车内空气质量的优劣和

6、热舒适性的好坏，不仅直接影响乘客的乘坐感受，还影响乘员的身体健康。车内空气环境研究的重点是对空气分布的研究，只有掌握了车内空气流速、温度、湿度、洁净度等的时空分布，才能准确地对车内空气品质进行预测和评价。传统的汽车空调系统试验（主要指轿车）利用样机或实车在风洞或环境模拟实验室内完成，既费时又耗资巨大，且对不同方案试验很不方便，极大影响了新产品的开发周期。第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法一、客车空调系统数值模拟仿真的意义利用数值方法可以基本解决设计阶段方案对比问题。模拟车内空气的时空分布的优点是 (1)成本低，投入人力、物

7、力少 (2)速度快 可以在较短的时间内研究多种不同方案，并选出最优方案，节约时间；(3)数据完整 能够提供整个计算域内所有的相关变量，而采用试验方法要想获得完 整的结果几乎不可能;(4)可以模拟真实条件 避免了模型试验只能采取相似模型试验的不足，具有全尺寸模拟等。与轿车相比，客车载客量大，车室空间狭小，在舒适性评价方面对车内空 气质量优劣和热舒适性的好坏要求更高。因此，进行空调客车的车内空气分布 和空气品质的数值模拟研究，进而指导产品设计就具有十分重要的意义。第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法二、CFD的研究进展及CFD软

8、件20世纪 80年代初，英国 CHAM公司首先推出了以 SIMPLE算法为基础的商业化 CFD软件PHOENICS，随后更多的商业化 CFD软件被不断推出。在航空、航天、汽车等工业领域，利用 CFD 进行的反复设计、分析、优化已成为标准步骤和重要手段。1933 年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维黏性流体偏微分方程，CFD由此诞生。CFD的发展始于20世纪50年代，最初主要应用于航天和汽车工业，并带动了所有与流体力学有关的其他行业蓬勃发展。自20 世纪 60年代以来，CFD在紊流模型、网格技术、数值算法、可视化和并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来革命性变化。目前，国际上常见

9、的商业化 CFD 通用软件有：FLOTRAN、CFX、FLUENT、NUMECA、PHOENICS、STAR-CD 等。第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法二、CFD的研究进展及CFD软件第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用 1.FLUENTFLUENT 是当前国际上较流行且市场占有率较高的商用 CFD 软件包。由于具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等凡是与流体、热传递及化学反应等有关的工业领域均可使用。FLUENT的软件设计基于 CFD 软件群

10、的思想，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效解决各领域的复杂流动计算问题。开发了适用于各领域能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂物理现象的流动模拟软件。为方便使用，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同。第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法二、CFD的研究进展及CFD软件第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用 1.FLUENT作为通用的 CFD软件包，FLUENT 可模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动

11、，而与之配合最好的标准网格软件是 ICEM。FLUENT 系列软件除通用的 CFD 软件FLUENT、POLYFLOW、FIDAP外，还包括工程设计软件和教学软件，以及面向特定专业应用的 ICE-PAK、AIRPAK 等软件。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而 FLUENT 能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，可以模拟高超声速流场、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题。第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法二、CFD的研究进展及CFD软件第十章

12、计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用 2.CFXCFX 由英国 AEA公司开发，是一种实用的流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应 和 燃烧 等问题。优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题，适用于直角/柱面/旋转坐标系、稳态/非稳态流动、瞬态/滑移网格、不可压缩/弱可压缩/可压缩流体、浮力流、多相流、非牛顿流体、化学反应、燃烧、NOx 生成、辐射、多孔介质及混合传热过程。CFX 采用有限元法，自动时间步长控制，SIMPLE 算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone 和 Block 等。其中，Stone解法能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可

13、构造所需的几何图形。在每一个模块内，网格的生成可以确保迅速、可靠地进行，这种多块式网格允许扩展和变形。CFX 引进了各种公认的湍流模型，如 k-模型，低雷诺数 k-模型，以及代数雷诺、微分雷诺和微分雷诺通量模型等。CFX 的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种流动，包括单体颗粒运动模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型等。目前，CFX 和 FLUENT 都被 ANSYS 公司收购，成为其 ANSYS 系列产品的流体模块。第一节影响客车空调系统噪声的主要因素及其噪声控制的基本方法三、汽车空调系统数值模拟的一般步骤第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用 对汽车空调系统进

14、行数值模拟，一般分为如图 10-1 所示的几个步骤。图 10-1 CFD 分析流程天津中德应用技术大学3光伏阵列光伏阵列光伏阵列的定义热斑效应和光伏阵列中的二极管光伏阵列电路3.3 光伏阵列Photovoltaic array3.3.1 光伏阵列的定义光伏阵列的定义天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 工程上使用的光伏组件是太阳能电池使用的基本单元，其输出电压和电流有限，有时需要把太阳能光伏组件串联或并联以得到更高的电压和更大的电流。性能相一致的太阳能光伏组件串联时，电压增加，电流不变：性能相一致的太阳能光伏组件并联时，电流增加，电压不变。在实际光伏发电系统中，根据需要将若干个光伏组件串联、并

15、联连接而排列成阵列，这种阵列称为太阳能电池方阵（或光伏阵列），如图1-4 所示。图14 太阳能光伏阵列示意图3.3 光伏阵列Photovoltaic array3.3.2 热斑效应和光伏阵列中的二极管热斑效应和光伏阵列中的二极管天津中德应用技术大学家用光伏电站设计1.太阳能电池组件的热斑效应 当太阳能电池组件或某一部分被鸟类、树叶、阴影覆盖的时候，被覆盖部分不仅不能发电，还会被当作负载消耗其他有光照的太阳能电池组件的能量，引起局部发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成破坏，严重的可能会使焊点熔化封装材料破坏，甚至会使整个组件失效。图1-5 电池组件的热斑效应防3.3 光伏阵列Ph

16、otovoltaic array天津中德应用技术大学家用光伏电站设计2.旁路二极管和反充（防逆流）二极管图1-6 旁路二极管接法示意图 旁路二极管也不是任何场合都需要的，当组件单独使用或并联使用时，是不需要接二极管的。对于组件串联数量不多且工作环境较好的场合，也可以考虑不用旁路二极管。1）旁路二极管 当有较多的太阳能电池组件串联组成电池方阵或电池方阵的一个支路时，需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个（或23个）二极管，这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管。旁路二极管一般都直接安装在组件接线盒内，根据组件功率大小和电池片串的多少，安装13个二极管，如图1-6所示。3.3 光伏阵列Pho

17、tovoltaic array天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不仅消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送。2）防反充（防逆流）二极管3.3 光伏阵列Photovoltaic array3.3.3 光伏阵列电路光伏阵列电路天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 光伏阵列的基本电路由太阳能电池组件串、旁路二极管、防反充二极管和带避雷器的直流接线箱等构成，常见电路形式有并联方阵电路、串联方阵电路和串、并联混合方阵电路，如图1-7所示。（a）并联方阵

18、（b）串联方阵（c）串并联混合方阵图1-7 光伏阵列基本电路示意图天津中德应用技术大学4离网逆变器离网逆变器基本工作原理逆变器基本电路逆变器主要技术参数3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 在电力电子上，把直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，它是整流的逆过程。把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。逆变器还具有自动稳压功能，可改善光伏发电系统的供电质量。另外，相对于蓄电池直接提供的12V、24V或48V低压直流电，220V输出的交流电也可以提供更大的供电半径。图1-8 光伏逆变器3.4 离网逆变器Off-

19、grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计逆变器按输出电压波形的不同，可分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器，方波和阶梯波逆变器一般都用在小功率场合。逆变器按输出交流电压的相数可分为单相逆变器、三相逆变器和正弦波逆变器。单相逆变器主要用于中小型的UPS系统，三相逆变器主要应用于大中型的UPS系统，同时在大中型UPS中，为了消除方波电压的谐波分量，则采用正弦波逆变器。逆变器按输出电能的去向，可分为有源逆变器和无源逆变器。将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，称为有源逆变器；将逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆

20、变成某一频率或可变频率的交流电供给负载称为无源逆变器。3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学3.4.1 基本工作原理基本工作原理家用光伏电站设计 以单相桥式逆变电路为例说明逆变器最基本的工作原理。单相桥式逆变电路的基本结构如图1-9（a）所示，是桥式电路的四个臂，由电力电子器件(功率半导体器件)及辅助电路组成。Ud 为输入直流电压，R 为逆变器的输出负载。工作原理如图1-9（b）所示，设在 0T/2 期间 VT1,VT3导通，VT2,VT4 断开；在T/2T期间 VT1,VT3断开，VT2,VT4导通。如此周期性重复上述过程，则在负载 R 上得到一交流方波电压

21、 Ud，从而实现了将直流电压URO 变换成交流电压。UR 为方波，幅值为 Ud ，频率为 f=1/T,方波改变 Ud 和 T 的大小，就可以改变输出交流电压的大小和频率。（a）原理电路；(b)工作波形 图1-9 逆变电路原理及波形图3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学3.4.2 逆变器基本电路逆变器基本电路家用光伏电站设计 逆变器的核心是通过逆变电路完成逆变的功能。逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下，将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路主要由滤波器、逆变桥、单相变压器、继电器组成，如图1-11所示。图1-11 逆变电

22、路组成 逆变器的基本电路可分为推挽式、半桥式和全桥式三种，虽然电路结构不同，但工作原理类似。电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性地对功率器件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，再经过变压器耦合升压或降压、整形滤波输出符合要求的交流电。3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 一个周期内，电力晶体管VT1和VT2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。输出电压uo 是周期为T3 矩形波，其幅值为 Ud/2。当负载为电阻R时，电流 io=uo/R 与 uo一样，也是180宽的方波。输出电压、电流波形如图1-1

23、4（c）所示。如图1-14所示，半桥式逆变电路由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反向并联二极管组成。在直流侧接有两个互相串联的足够大的电容 C1 和 C2 且满足。图1-14 半桥式逆变电路原理图1.半桥式逆变电路3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计2.全桥式逆变电路 如图1-16所示，单相全桥式逆变电路由直流电源 Ud ，输出变压器 T ，四个功率开关器件和二极管组成。VT1 和 VT4 构成一对桥臂，VT2 和 VT3 构成一对桥臂。VT1,VT4 与 VT2,VT3 的驱动信号互补，即 T1 和 T4 有驱动信号时，T2

24、和 T3 无驱动信号，反之亦然，VT1 和 VT4 和 VT3 各交替导通180。二极管 VD1 VD4 是为感性负载续流的。如果在电路中不接入二极管，则在开关管关断瞬间，会因电感的作用使其两端呈现极高的电压尖峰，严重时会击穿开关管。图1-16 单相全桥式逆变电路3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学3.4.3 逆变器主要技术参数逆变器主要技术参数家用光伏电站设计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，一般在额定输出电 为单相220V和三相380V时，电压波动偏差有如下规定。（1）在稳定状态运行时，一般要求电压波

25、动偏差不超过额定值的5；（2）在负载突变时，电压偏差不超过额定值的 10%；（3）在正常工作条件下，逆变器输出的三相电压不平衡度不应超过8%；（4）输出的电压波形（正弦波）失真度一般要求不超过5；3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 2.负载功率因数负载功率因数大小表示了逆变器带感性负载的能力，在正弦波条件下负载功率因数为0.70.9。3.额定输出电流和额定输出容量 额定输出电流是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，单位是

26、kVA或kW。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之比，通常应在70以上。逆变器的效率会随着负载的大小而改变，当负载率低于20和高于80时，效率要低一些。标准规定逆变器的输出功率在大于等于额定功率的75时，效率应大于等于80。4.额定输出效率3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计5.过载能力 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的时间，其标准规定如下。（1）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；（2）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；（3）输入电

27、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入逆变器的直流电压，小功率逆变器输入电压一般为12V和24V，中、大功率逆变器电压有24V，48V，110V，220V和500V等。3.4 离网逆变器Off-grid inverter天津中德应用技术大学家用光伏电站设计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.直流电压输入范围 光伏逆变器直流输入电压允许在额定直流输入电压的90%120%范围内变化，而不影响输出电压的变化。逆变器中的开关电路极容易产生电磁干扰，在铁芯变压

28、器上因振动而产生噪声。因而在设计和制造中都必须控制电磁干扰和噪声指标，使之满足有关标准和用户的要求。其噪声要求是：当输入电压为额定值时，在设备高度的1/2、正面距离为3m处用声级计分别测量50定负载和满载时的噪声应小于等于65dB。9.电磁干扰和噪声天津中德应用技术大学5支架系统支架系统支架分类安装角度设计支架的安装方式3.5 支架系统Support system3.5.1 支架分类支架分类天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 光伏支架可以分为固定式、倾角可调式和自动跟踪式。自动跟踪支架可以分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。其中单轴跟踪又可以细分为平单轴、斜单轴和方位角单轴跟踪三种。3.5 支架系统

29、Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 （1）桁架式固定支架桁架式固定支架为前后立柱形式，支架的主要零部件有前立柱、后立柱、横梁、斜支撑、导轨和后支撑等，如图1-18所示。这些部件一般采用C形钢来制作。在某些场合，也有使用铝合金材料来制作导轨。图1-18 桁架式固定支架桁架式固定支架受力形式明确、加工制作简单，适用于地形较为平坦的地区。1.固定式支架固定式支架安装完成后倾角和方位角不能调整。固定式支架的结构多样，较为常用的有桁架式、单排立柱、单立柱三种。3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计（2）单排立柱固定支架 单排立柱支架

30、只有一排基础，节省土建工程量、对地表的扰动相对桁架式支架要小，因此在国外应用较多。这种支架的主要零部件有立柱、斜支撑、横梁和导轨等，如图1-19所示。其中，立柱可以采用C形钢、H形钢或方钢管等材料，斜支撑、横梁和导轨可以采用C形钢等材料。由于只有单排基础，因此这种支架对地形的适应能力比桁架式固定支架强。图1-19 单排立柱固定支架3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计（3）单立柱固定支架 单立柱支架就是支架只有一个立柱。由于只有一个立柱，单套支架上可以布置的光伏组件数量通常较少。这种支架的主要零部件有立柱、纵梁、横梁和导轨等，如图1-20所示。其中立柱

31、可采用预制水泥管桩，管桩顶部留有预埋件；纵梁和横梁由于悬挑较多，一般采用方钢管；导轨采用C形钢或铝合金。这种支架主要用于地下水位较高的沿海滩涂地区，支架立柱采用打桩机打人，施工速度较快。图1-20 单立柱固定支架3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计2.倾角可调式支架 固定式支架的倾角是不可调节的，而倾角可调式支架的倾角则可以手动调节。为了使倾角可以调节，支架一般围绕某个轴旋转，旋转到某个预定的角度时，用螺栓等零件固定起来，如图1-21所示。倾角可调支架一般按季度调节，倾角一般设为三挡，最大倾角按冬季（11月至次年1月）接收到的总辐射量最大来确定，中间

32、倾角按春季（2月至4月）和秋季（8月至10月）接收到的总辐射量最大来确定，最小倾角则按夏季（5月至7月）接收到的总辐射量最大来确定。倾角可调式支架一般为单排立柱结构，为了便于倾角调整，单个支架可安装的光伏组件数量不能太多，通常安装的组件数量正好构成一个组串。图1-21 倾角可调节支架3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 （1）单轴跟踪支架 单轴跟踪又分为平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架和方位角单轴跟踪支架。平单轴跟踪支架是指支架围绕一根水平方向的轴跟踪太阳旋转，这个水平的轴可以是南北方向也可以是东西方向。轴向为南北方向时的发电量较高，因此平单轴跟踪支架

33、的轴一般为南北方向。这种支架的最大特点是采用连杆将若干排支架连接起来，用单个电动推杆推动若干排支架同步旋转，如图1-22所示。图1-22 平单轴跟踪支架 3.跟踪式支架 跟踪式支架分为单轴跟踪支架和双轴跟踪支架。3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 斜单轴跟踪支架是指一种围绕一根南北向倾斜的轴旋转跟踪太阳的支架，如图1-23所示。在中高纬度地区，与平单轴跟踪系统相比，斜单轴跟踪系统的发电量有较大幅度的提高。当然，由于旋转轴呈倾斜状态，斜单轴跟踪支架的造价也高于平单轴支架。斜单轴跟踪支架一般采用三点式支撑结构，具体的传动结构和控制方法也有很多种。图1-

34、23 斜单轴跟踪支架3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 方位角单轴跟踪支架可以看成是将一个固定式支架安装在一个旋转的基座上构成的，如图1-24所示。这种支架在跟踪时，方阵面与水平面的夹角保持不变，变化的是方阵面的方位角。图1-24 方位角单轴跟踪支架3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计（2）双轴跟踪支架 双轴跟踪支架可以看成是一个倾角可以自动调节的支架安装在一个旋转的基座上，如图1-25所示。所谓双轴，就是指支架可以沿2个独立的轴旋转，一般一个轴可以使支架的方位角自由旋转，另一个轴可以使支架的倾角自由旋转

35、。这样，双轴跟踪支架始终可以保持与太阳光线垂直，是所有跟踪支架中发电量最高的。图1-25 双轴跟踪支架3.5 支架系统Support system3.5.2 安装角度设计安装角度设计天津中德应用技术大学家用光伏电站设计太阳能电池组件的方位角与倾斜角选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。1)太阳电池组件（方阵）的方位角 太阳电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳电池单位容量的发电量最大。如果受太阳电池设置场所如屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一到，以求充分利用现有的地形和有效面积，并尽量避开周围建、构筑物或树木等产生的阴影。只要在正南20之内，都不会对

36、发电量有太大影响，条件允许的话，应尽可能偏西南20之内，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时，这样有利冬季多发电。有些太阳能光伏建筑一体化发电系统设计时，当正南方向太阳电池铺设面积不够大时，也可将太阳电池铺设在正东、正西方向。3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 2)太阳电池组件（方阵）的倾斜角 倾斜角是地平面（水平面）与太阳电池组件之间的夹角。倾斜角为0时表示太阳电池组件为水平设置，倾斜角为90时表示太阳能电池组件为垂直设置。太阳电池倾斜角的选择最理想的倾斜角是使太阳电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。一般取当地纬度

37、或当地纬度加上几度做为当地太阳电池组件安装的倾斜角。当然如果能够采用计算机辅助设计软件，可以进行太阳能倾斜角的优化计算，使两者能够兼顾就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 如果没有条件对倾斜角进行计算机优化设计，也可以根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角：纬度为025时，倾斜角等于纬度；纬度为2640时，倾斜角等于纬度加上510；纬度为4155时，倾斜角等于纬度加上1015；纬度为55以上时，倾斜角等于纬度加上1520。系统设计时要考虑照顾冬天，按冬天时能得到最大发电量的倾斜角确定，其倾斜角应该比当地纬度角度大一

38、些。而对于主要为光伏水泵、制冷空调等夏季负载供电的光伏系统，则应考虑为夏季负载提供最大发电量，其倾斜角应该比当地纬度的角度小一些。3.5 支架系统Support system3.5.3 支架的安装方式支架的安装方式天津中德应用技术大学家用光伏电站设计1.屋顶类支架的安装 屋顶类支架的安装要根据不同的屋顶结构分别进行设计，对于斜面屋顶可设计与屋顶斜面平行的支架，支架的高度离屋顶面10cm左右，以利于太阳能电池组件的通风散热，也可以根据最佳倾斜角角度设计成前低后高的支架，以满足电池组件的太阳能最大接收量。平面屋顶一般要设计成三角形支架，支架倾斜面角度为太阳电池的最佳接收倾斜角，三种支架设计示意如图

39、1-26所示。图1-26 屋顶支架设计示意图3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计2.地面方阵支架的安装地面用光伏方阵支架安装方式可采用固定式、可调式和自动跟踪式等。地面安装的方阵支架宜采用钢结构，要有足够的强度，满足光伏方阵静载荷(如积雪重量)和动载荷(如台风)的要求，保证方阵安装安全、牢固、可靠。固定式支架一般都是用角钢和槽钢制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基础，方阵组件排列有横向排列和纵向排列两种方式。横向排列一般每列放置35块电池组件，纵向排列每列放置24块电池组件。支架具体尺寸要根据所选用的电池组件规格尺寸和排列方式确定。图1-30为光伏

40、阵列地面固定安装实例。图1-30 光伏阵列地面固定安装实例3.5 支架系统Support system天津中德应用技术大学家用光伏电站设计2.地面方阵支架的安装地面用光伏方阵支架安装方式可采用固定式、可调式和自动跟踪式等。地面安装的方阵支架宜采用钢结构，要有足够的强度，满足光伏方阵静载荷(如积雪重量)和动载荷(如台风)的要求，保证方阵安装安全、牢固、可靠。固定式支架一般都是用角钢和槽钢制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基础，方阵组件排列有横向排列和纵向排列两种方式。横向排列一般每列放置35块电池组件，纵向排列每列放置24块电池组件。支架具体尺寸要根据所选用的电池组件规格尺寸和排列方式确定。图

41、1-30为光伏阵列地面固定安装实例。图1-30 光伏阵列地面固定安装实例天津中德应用技术大学6任务实施任务实施系统方案设计设计依据与基本原则蓄电池的选型与计算控制器的选型逆变器的选型支架系统设计3.6 任务实施Central task 3.6.1 系统方案设计系统方案设计天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 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，综合考虑各种因素和技术条件。在充分满足用户负载用电需要的条件下，尽量减少太阳电池和蓄电池的容量，以达到可靠性和经济性的最佳结合。设计思路如图1-32所示。图1-32 家用光伏发电系统设计思路3.6 任务实施Centra

42、l task 3.6.2 设计依据与基本原则设计依据与基本原则天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 在设计太阳能光伏发电系统和进行系统设备的配置、选型之前，要充分了解用电负载的特性。确定负载是单相电还是三相电，是直流电还是交流电，负载总功率、用电同时率、工作时间，负载是感性还是阻性。根据负载特性可将负载分为以下几类，见图1-33。图1-33 负载特性分类 1.用电需求分析3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 当太阳能发电系统要为多路不同的负载供电时，就需要先把各路负载的日耗电量计算并合计出总耗电量，然后以当地峰值日照实数为参数进行计算。统计总耗电量时要

43、对临时负荷的接入及预期负荷的增长有预测，留出5%10%的余量。表1-2为本项目中的家用电器耗电统计，负载中包括了感性负载和阻性负载。表1-2家用电器耗电情况统计电器名称功率(W)工作时长(h)数量用电量（Wh)冰箱15051台750电视15031台450空调120032台2000节能灯1525盏150热水器150011台1000电饭煲65011台650电脑30041台1200合计 62003.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 设计之前，不论对于光伏并网发电系统，还是光伏离网发电系统，最基本的工作之一就是从以下三个方面了解光伏发电系统设计时必须要用到的相

44、关数据。本项目地点是山西省太原市。太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，于华北地区黄河流域中部，地理位置处于东经1113011309，北纬37273825。太原市属温带季风性气候，年平均降雨量456毫米，年平均气温9.5，一月份最冷，平均气温 6.8；7月份最热，平均气温23.5。全年日照时数2808小时，属于太阳能资源较丰富区域。2.当地气象地理条件3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 图1-34 住宅屋顶类型项目中用户将光伏电站建在屋顶上，屋顶为平面屋顶。目前阵列安装位置有在地面上和屋项上两种，由于一般发电量不大，屋顶的面积可满足用户的要求，同时

45、满足节约集约用地的需求，屋顶式安装的家用太阳能光伏发电系统的发展方向。住宅用的屋项有山墙形、四坡到顶等多种，如图1-34所示。3.阵列安装位置的设计3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计对于家庭电站，采用一种以峰值日照实数为依据的多路负载计算方法。在离网（独立）光伏发电系统中，系统电压的选择应根据负载的要求而定。负载电压要求越高，系统电压也应尽量高。当系统中没有12V 直流负载时，系统电压最好选择24V、48V或以上，这样可以使系统直流电路部分的电流变小。系统电压越高，系统电流就越小，从而可以使系统及线路损耗变小。项目中用户的用电负载没有12V直流负载，

46、根据以上原则，较高的系统电压可以使直流电路的电流较小，减少损耗，因此设计本系统电压为48V。（1）系统电压确定3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计根据总耗电量，利用公式计算出太阳能电池组件（方阵）需要提供的发电。这里系统的效率系数包括：系统效率系数包括：蓄电池的充电效率，一般取0.9；交流逆变器的转换效率，一般取0.85；太阳电池组件功率衰降、线路损耗、尘埃遮挡等的综合系数，一般取0.9。这些系数可以根据实际情况进行调整。根据太阳电池组件(方阵)的发电电流，用下列公式计算其总功率：电池方阵总功率P=方阵发电电流系统直流电压系数1.43（2）电池方阵功率

47、计算:负载日耗电量（wh)系统直流电压 峰值日照时数（h)系统效率 方阵发电电流（A)=3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 系数1.43是太阳电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。例如，为12v系统工作电压充电的太阳电池组件的峰值电压为1717.5v，为24v系统工作电压充电的峰值电压为24V1.43=34.2V（项目一中介绍过蓄电池和充电电压的关系）。太阳电池组件功率=组件峰值电流组件峰值电压，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。根据表1-3统计的日耗电量，考虑增加5%的预期负载余量，并确定使用系统工作

48、电压为48V的逆变器，查询太原市峰值日照实数按照4.83小时计算，代入公式计算如下：方阵发电电流I：I=（6200Wh1.05）/（48V4.83h0.90.850.9）=40.78A计算太阳能电池方阵的总功率P：P=40.78A48V1.43=2779.14W 3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计参数峰值功率300W峰值电压36V开路电压43.2V峰值电流8.33A短路电流9.17A最大系统电压1000VDC(IEC)/600V DC(UL)表1-4 多晶硅电池组件参数（3）组件选型与阵列确定在本项目中地点在太原市需要兼顾转换效率和设计成本等因素。考

49、虑到多晶硅电池相对于晶体硅电池具有成本低，转换效率相当等特点，而非晶电池成本低，但是效率较低，同等发电功率方阵则需占用较大面积，本项目中家用光伏电站需要占用屋顶面积，因此选择多晶硅电池组件，其参数如表1-4所示。3.6 任务实施Central task 天津中德应用技术大学家用光伏电站设计 系统工作电压确定为48V，系统的组件串联数=系统工作电压1.43/组件的峰值电压。因此选择2块组件串联，得到每串组件电压为72V，功率为600W。系统的组件并联数=系统总功率/每串组件功率，代入计算得到2779.14W/600W=4.63，所以并联数目应该选择5个并联数。实际系统总功率=并联数目串联数目单块

50、电池组件功率，计算得到52300W=3000W。系统配置为300W多晶硅组件10块，光伏方阵容量为3kW。3.6 任务实施Central task 3.6.3 蓄电池的选型与计算蓄电池的选型与计算天津中德应用技术大学家用光伏电站设计1.蓄电池容量设计 蓄电池容量的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。在蓄电池容量设计时需要引入一个不可缺少的参数-自给天数，在设计中常取最大连续阴雨天数为35天；对于负载对电源要求很严格的光伏发电系统，在设计中常取最大连续阴雨天数为7、14天。根据山西省太原市地区特点，这里连续阴雨天数为3天，选择深循环放电蓄电池，蓄电池放电深度为80%