家用离网光伏发电系统设计
摘要：常规能源在消耗的过程中会产生多种有害气体，不但污染环境，而且无法长久稳定地提供能源，而核能源虽然属于新型能源，但是可使用量有限，其在消耗的过程中会产生放射性物质。与现有的其他能源相比，太阳能可谓优势突出，其来源充足且方便易得，光伏发电系统就是通过各种设备直接将其转换为电能的系统，因此开展针对光伏发电系统的研究对于合理高效利用资源、推动新型能源的开发、促进光伏发电系统的发展具有重要意义。
本文以研究离网型光伏发电系统为目标，以相关基本理论为基石，通过模块化的设计，利用仿真工具进行模拟，实现了对该系统的深入研究。以光伏电池、蓄电池、变换器、控制器等硬件模块和最大功率点跟踪原理及算法等理论作为研究基础，对系统的设计主要包括对太阳能电池板的配置和计算、蓄电池组的配置和计算、DC-DC变换器的设计、DC-AC逆变器的设计和控制器的设计等。以负荷要求为根据，进行有关参量的计算，选取合适的先进硬件材料，确定光伏电池和蓄电池的串并联数目；考虑输入与输出的数量关系，考虑实际负荷要求，考虑各种因素的影响，选取合适的变换器；由于智能控制器能够完成对系统的自动控制，保证系统正常且高效运行，因此非常适合作为系统的控制环节。借助MATLAB的仿真功
能，依据已知的对各个模块的工作原理、基本结构的分析与研究，实现了对离网型光伏发电系统中多个模块的模拟仿真，仿真结果与理论结果相一致。
关键词：离网型；光伏发电系统；系统模块设计
第1章绪论
1.1 课题的研究背景及意义
常规能源在消耗的过程中会产生多种有害气体，不但污染环境，而且无法长久稳定地提供能源，而核能源虽然属于新型能源，但是可使用量有限，其在消耗的过程中会应生放射性废料。与现有的其他不可再生能源、甚至可再生能源相比，太阳能都可谓优势突出，其来源充足，方便易得。太阳能光伏电源或者光伏电站的功率可以根据需要从数毫瓦至数十兆瓦配置，发电系统建设周期短，方便灵活；作为将光能直接转变为电能的半导体器件-晶体硅太阳能电池，其使用周期较长，系统不存在转动装置，可靠性高，使用方便。
由于相关技术水平和现实条件的影响，现阶段的光伏发电成本仍然要高于常规能源发电成本，但是就发展趋势而言，作为新型能源系统的代表其开发前景相当广阔。能源危机的出
现，国家能源计划的开展，相关技术的突飞猛进，都预示着未来的电能时代将是光伏发电的时代，光伏发电成本将继续降低，直到与常规能源发电成本持平甚至更低。
光伏发电系统就是通过各种设备直接将光能转换为电能的能源转换系统，因此开展针对该系统的研究对于合理高效利用资源、推动新型能源的开发、促进光伏发电系统的发展具有重要意义。随着国家政府的大力支持和相关政府部门的大力推广，未来的光伏发电系统将逐渐朝着小型化和分散化的方向发展，也将逐渐进入普通百姓的日常生活中，因此开展本次课题研究对于把握光伏发电系统的发展趋势具有重要意义。
1.2研究现状
1.2.1 我国太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势
上世纪五十年代，在技术发展的要求下和国外先进技术的推动下，我国开始研究并成功研制出具有实用价值的光伏电池，标志着我国光伏发电产业发展的开端。七十年代初期作为我国航天事业发展的关键时期，首次将发射卫星的供电电源由传统电池更换为光伏电池，为我国航天事业的进步贡献力量。在随后的几十年的时间里，光伏发电的研究及应用从未
间断，各个领域也在不断开发光伏电池的潜力，为我国光伏发电产业的稳步发展奠定了基础。七十年代末期到八十年代中期作为我国半导体产业发展的鼎盛时期，研究人员开始考虑将半导体器件与光伏电池相结合，成功研制出单晶硅光伏电池，完成战略性突破的同时对该产业的后续发展产生深远影响，标志着我国光伏产业及其相关产业进入萌芽期。八十年代末期，通过引进国外成套先进技术和自主研发器件生产工艺，生产水平显著提高的同时开启了产业发展的新篇章，标志着我国光伏产业的初步形成。九十年代至今，我国光伏产业一直保持着稳步发展的状态，工艺技术不断提高的同时，生产设备也在更新换代，生产量的逐渐增加预示着我国光伏产业即将步入攻坚克难的全新阶段。
1.2.2 国外太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势
虽然受到经济因素的影响，发达国家推动光伏发电系统发展的脚步有所减缓并且普遍下调补贴费率，但是欧洲市场在全球光伏发电系统市场中仍占有较大的比重且装机量仍保持在稳步增长的状态。德国作为全球科技大国，从政府到企业都非常重视光伏产业的发展，政府部门出合政策法规、提供研发资金支持并制定相应的能源发展计划，目的就是在最短的时间内以最高的效率实现光伏产业的链条化。相关企业积极响应国家号召，建立研究实验
室，开发先进仪器设备，大力宣传推广分布式光伏发电系统。然而，随着产业结构的调整和全球经济发展趋势的变化，光伏市场的发展重心已经不仅仅局限在发达国家，我国作为新兴光伏产业国家，己经逐渐形成技术优势和装机容量优势并且成为世界范围内的第二大市场。
1.3 本文研究内容
1.3.1 课题研究内容和目标
本文以光伏电池、蓄电池、变换器、控制器等硬件模块和最大功率点跟踪原理及算法等理论作为研究基础，对系统的设计主要包括对太阳能电池板的配置和计算、蓄电池组的配置和计算、DC-DC变换器的设计、DC-AC逆变器的设计和控制器的设计等。以负荷要求为根据，进行有关参量的计算，选取合适的先进硬件材料，确定光伏电池和蓄电池的串并联数目；考虑输入与输出的数量关系，考虑实际负荷要求，考虑各种因素的影响，选取合适的变换器；由于智能控制器能够完成对系统的自动控制，保证系统正常且高效运行，因此非常适合作为系统的控制环节。借助MATLAB的仿真功能，实现对系统多个模块的模拟仿真。
家用离网型光伏发电系统在阳光充足的条件下，系统正常工作，光伏电池完成能量的转换过程。没有负载的情况下，控制器需要实现控制电能储存以备用功能。有负载需要供电的情况下，控制器控制系统产生的电能为负载供电，如果负载为交流负载，则需要利用变换器将直流电转换为负载所需的交流电；如果负载为直流负载，系统产生的电能与负载所需电能可能存在不匹配情况，则需要利用变换器将其转换为满足负载要求的直流电。阳光不足的条件下，太阳能电池板无法正常工作以完成能最的转换过程，当负载需要电能供应时，则由控制器控制先前备用储存的电能为负载供电。由于该系统容量和负载功率较大，需要蓄电池组，故使系统成本增加。
1.大阳能电池板的配置与计算方法
太阳能电池板是由光伏阵列经过串并联构成的，其配置和计算的主要内容是在满足负载日用电量要求的情况下，考虑到设备成本、占地面积、气候环境等因素的影响，选取合适的光伏阵列器件，以负载日用电量为主要依据，再结合多种相关影响因素的作用进行计算，最终确定组件的串并联数目。
计算光伏电池组件的并联数目需要以每个组件的日平均发电量为基准，选取合适的光伏阵
列器件后即可通过查询产品参数确定单个组件的日平均发电量，再将负载的电压/功率数据和平均使用时间相结合即可计算负载日用电量。两个参量的比值即为组件的并联数目，具体公式为：
电池组件的并联数=（1-1）
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 )      （1-2）
与求解设备并联数目的原理类似，计算光伏电池组件的串联数目的具体公式为：
电池组件的串联数=系统工作电压（V）×系数1.43/组件峰值工作电压（V）  (1-3)
式1-3中的系数1.43表示的是相关影响因素量化后的影响系数值。
太阳能电池板的总功率计算公式为：
电池组件（方阵）总功率(W)=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率(W)  (1-4)
影响设备发电量的因素较多，需要考虑的主要因素是，器件具有使用寿命而在使用寿命范围内，使用时间越长，器件老化越严重，能量转换效率越低，线路损耗越大，再考虑到器件使用环境的影响，太阳能电池板的功率会随着使用时间的延长而不断衰退，因此在设计阶段需要为器件的自检预留余量。
2.蓄电池组的配置与计算方法
与太阳能电池板类似，要完成系统工作任务达到负载要求，需要蓄电池组串并联，其配置和计算的主要内容是与前者相配合，设计合理的蓄电池容量以满足系统负载需求。现阶段多采用铅酸蓄电池，再结合多种相关影响因素的作用进行计算，最终确定相应设备的串并联数目。
对蓄电池组容量的影响因素较多，考虑不同的影响因素，得到的蓄电池组容量也会存在一定的差异。而在一般情况下，蓄电池容量预估只需要考虑负载日用电量和当地连续阴雨天数即可，如果想要进一步精确计算，则需要考虑到蓄电池的最大放电深度系数，具体公式为：

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