本文拟在陕西省西乡县城关镇某地，为用户设计一个并网光伏发电系统。用 电器依据实际情况而定，查阅了气象数据，计算了负载功率，设计了组件安装 方式，选用了合适太阳能电池，逆变器，蓄电池和控制器等，对该系统进行了 效率评估，并进行了工程预算。综合考虑了用户的期望，产品成本，效率和社 会效益，旨在为用户创造一个美好的现代生活。
关键词：太阳能光伏发电 户用并网系统 系统设计
目录
1工程概述 ............................................................... 3
1.1工程名称 ......................................................... 3 1.2地理简介 ......................................................... 3 1.3气象资料 ......................................................... 4 2太阳能并网发电系统介绍 ................................................. 6
2.1太阳能并网发电系统工作原理 ....................................... 6 2.2主要组成设备介绍 ................................................. 7 3方案设计 ............................................................... 8
3.1太阳能光伏系统的设计方案 ........................................ 8 3.2设计原则 ......................................................... 8 3.3负载的计算 ....................................................... 9 3.4太阳能电池板容量及串并联的设计及选型 ........................... 10 3.5组件结构图 ...................................................... 12
3.6组件的串并联数计算 ............................................. 13
3.6.1光伏组件串联数的基本计算 .................................. 13 3.6.2光伏组件的并联数基本计算 .................................. 13 3.7蓄电池容量及串并联的设计及选型 ................................. 13 3.8太阳能电池板倾斜角的设计 ........................................ 14 3.9控制器、逆变器的选型 ........................................... 15
3.9.1控制器的确定 ............................................. 15 3.9.2逆变器的确定及选型说明 .................................... 15 3.10电气配置及其设计 ............................................. 17 3.11设计依据 ....................................................... 20 4发电量估算 ............................................................ 18 5设备材料清单及造价一览表 ............................................. 18 6参考文献 .............................................................. 22
1工程概述
1.1工程名称
西乡县5.3kW户用并网光伏发电项目。
1.2地理简介
西乡县位于汉中盆地东部，介于东经107° 1&108° 1与北纬32° 32^33° 14' 之间。县境东邻石泉、汉阴，南界镇巴和四川通江，北连洋县，西接城固南郑。 东西长94.5公里，南北宽64.5公里。总面积3240平方公里，其中山区占64.79%, 丘陵占28.35%，平川占6.86%。西乡县总面积3240平方公里，海拔在371〜2413 米之间，山区丘陵面积占93.2%，平川占6.8%。西乡县地处秦岭巴山之间，位 于中国南北气候的分界线秦岭 一一淮河以南米仓山的凸起，盆地的凹陷，堰口 一钟家沟的东西大断层，泾洋河的南北深切，构成了西乡的地貌骨架，由于地 面组成的物质不同，地貌发育也各具特点，加之长期的水蚀、机械风化、冰川 作用及人为活动等，从而使地貌形态和性质也各有差异。西乡属北亚热带湿润 季风气候
区，全年气候温和，属北亚热带半湿润季风区，平均气温
144C，年
均降水量1100-1200毫米。平均蒸发量457.2毫米，总的气候特点是：受南北 兼有的气候和多样地形影响，气候温和，雨量充沛，但时空分布差异大，光照 不足立秋后高温持续，俗称 二十四个秋老虎”但昼热夜凉，遇雨气温骤降。 白露、秋分时，淫雨经旬，甚者历月方晴，常有
秋霖”雨发生。西乡属长江水
系，地跨汉江、嘉陵江两个流域。巴山主脊以南属嘉陵江流域，集雨面积 327
平方公里，占县总面积的10% ;以北属汉江流域，集雨面积2913平方公里，占 总面积的90%。每日太阳辐射为3.46,最长连续阴雨天数为6天，两最长连续 阴雨天最短间隔天数为15天，全年日照时间为1200-1600小时。
1.3气象资料
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NASA Surface meteorology 剖】!d Solar Energy ■ Location
Ettltr BOTH laHtuJe 汕t£ longlujde tither 1A dtcinad degTees or dE?ree& And rurutBE sepnrAted by a spacia. LmitJj加 33, 5 Lm^Ltudc =Sd-75
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气象资料以
NASA数据库中西乡县气象数据为参考
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Services
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图1 NASA数据查询
太阳能电池板和太阳能热应用的大小和指向参数： 查得数据如下表：
表1入射在一个水平面月平均太阳辐射（千瓦时/平方米/天）
北纬 年
32.55
东经
1 2
月 月
3
月
4
月
5
月
6
月
7
月
8
月
9
月
10
月
11
月
12 平
月 均
数
107.6
22年
2.4 2.7
平均
3.2 4.7 4.6 4.6 4.7 4.4 3.3 2.7 2.3 2.1 3.4
表2每月最高和最低平均日照差异（%）
Lat 32.55
Lon 107.64 Maximum 19 Minimum
30
26
23 -22
18 -16
16
20
20
33
29
26 24 -25 -21
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
-17 -24 -25 -23 -19 -22 -34 -17
表3月平均日照时数（小时）
Lat 32.55 Lon 107.64
Average 10.2 11.0 11.9 12.9 13.8 14.2 14.0 13.3 12.4 11.4 10.5 10.0
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
表4在地球表面10米以上的月平均气温（°C）
Lat 32.55
Jan Feb Ma Ap Ma Ju Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Lon 107.6 22年
平均 最小 最大
均 年平
-1.2 0.8 5.0 11 16 19 22 21.4 17.3 11.6 6.0 0.40 10.9 -4.0 -2.1 1.6 7.7 12 15 18 18.0 14.3 8.8 2.0
3.3
-2.1 3.2
7.7 14.5
4.2 8.7 15 20 23 25 25.2 20.8 14.6 9.0 表5在地球表面50米以上的月平均风速（米/秒）
Lat 32.55
平
Lon Jan Feb Ma Ap Ma Jun Jul Au Sep Oct Nov Dec
均
107.6 4
10年
2.9 3.1 3.2 3.3 3.0 2.9 2.5 2.5
平均
2.7 2.7 2.9 2.8 2.9
表6在50米时，每月平均风速最低和最大的差异（%）
Lat 32.55
Lon Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 年平均
107.64
最小 最大
-10 -4 6
4
-6 7
-11 9
-7 8
-12 -7 9
20
-8 17
-9 11
-8 7
-12 11
-12 12
-9 10
2太阳能并网发电系统介绍
2.1太阳能并网发电系统工作原理
太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交
流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生的电力除了供给交流 负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电 能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。系统结构如下图所示：
图2太阳能并网发电系统原理图
2.2主要组成设备介绍
太阳能电池组件：根据光生伏打效应原理，利用晶体硅制成，其作用是将 太阳辐射能转换为电能，有一定的防雨、防雹、防风等能力。根据实际需要可 将电池组件相互串联或并联连接。
并网逆变器：将来自太阳电池方阵的直流电流变换为符合电网要求的交流 电流的电力变换装置。
3方案设计
3.1太阳能光伏系统的设计方案
3.2设计原则
本工程设计在遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的指导思想 和设计原则下，着重考虑以下设计原则。
先进性原则：随着太阳能技术的发展，光伏电站设计必须考虑先进性，使 系统在一定的时期内保持技术领先性，以保证产品具有较长的生命周期。
实用性原则：光伏电站设计充分考虑我国太阳能电源设备生产现状，选用 有大规模实际工程应用经验的产品， 采用先进成熟的技术，保证产品的稳定性、 可靠性和可维性。
经济性原则：光伏电站设计在保证系统各项技术指标的前提下，努力降低 工程、设备成本，提高系统的性能价格比，保护用户的投资效益
3.3负载的计算
表7负载计算
数量
荧光灯 电视机，电脑
洗衣机 电冰箱 电热水器 空调
功率 使用时间
8 2 1 1 1 1
18W/ 盏 120W/ 台 120W 180W 3kW 2.8kW
5h/天 3h/天 600Wh/天 1000Wh/天 0.5h/天 3h/天
用电负载总功率：PL=18WK 8+120WK2+600W+1000W+3000W=4984W （不 算空调时）
PL=4984W+2800W=7784W （算空调时）
日用电量： ⑴ qi=18W< 8 X5h=720Wh
（2） （3）
q2=120W< 2>3h=720Wh q3=600Wh
⑷ q4=1000Wh
（5） qs=3000W< 0.5h=1500Wh
⑹ q6 =2800W 3h =8400Wh
日总用电量： qL =720 720 600 1000 1500 = 4.54kWh （不计算空调）
qL =720 720 600 1000 1500 8400 =12.94kWh （计算空
调时）
年总耗电量：QL =4.54 365 =1657.1kWh （不考虑空调时）
QL = 4.54 365 8.4 8^ 2 3 2 9 . 1 k 哆虑空调时）
本系统功率较小，光伏系统直流电压选择 24V。
该用户负载平均日用电量为12.94kWh（是指在盛夏或者隆冬时每天开空调 的情况下的日用量）。而一年中需要开空调的时间大约为 80天左右，所以年用 电总量约为2329.1kWh。光伏发电系统在建立之后都不可避免的存在各种损耗， 我们设计的系统为80%的效率。本次设计我们不考虑空调这个大功率，较少使 用的用电器的用电量，如果空调需要用电时，从市电买进即可。因此，设计的 并网式光伏系统日均发电量必须在 4.54kWh以上，年发电总量必须在 1657.1kWh左右，太低就不能满足用户需求，同时设计的系统应尽量做到实用。
3.4太阳能电池板容量及串并联的设计及选型
峰值日照小时数：3.46h
所需电池板的功率： P= qL 1.4 T^ =4540 1.43.46=1836.7W 对于分布式光伏发电项目电池组件选型遵循以下原则：
在兼顾易于搬运条件下，选择大尺寸、高效的电池组件； 选择安装便捷的，易于更换的组价； 选择易于接线的电池组件；
组件各部分抗强紫外线（符合 GB/T18950-2003橡胶和塑料管静态紫 外线性能测定）； 组件必须符合IEC61215标准； 保证每块电池组件的质量；
遵循以上原则选择的YL240P-29b电池组件。
YL240P-29b光伏电池组件有如下优点：
高效率的多晶电池与高透光率的钢化玻璃使组件的转换效率达到 不仅降低了光伏系统的安装成本，还增加了系统单位面积的发电量。
组件功率正公差0到+5瓦确保客户收到的组件功率高于标称功率，降低由 于功率的不匹配性带来的功率损失，提高了系统输出给客户带来更多的收益。
16.2%,这
多晶组件在“ TUV功率竞赛”和“ PHOTON测试”中名列前茅，证明了其 优良的使用性能和高超的发电能力。通过了 2400Pa风载荷和5400Pa雪载荷的 测试，从而保证了组件具有稳定的机械寿命。 其参数如表8：
表8组件参数表
组件类型 电池片类型 电池片数量 峰值功率 峰值电压 峰值电流 开路电压 短路电流 组件效率 工作温度
尺寸 重量
YL240P-29b 156mm x 156mm
8片 240w 30.4V 8.24A 38.4V 8.79A 15.3% -40 ° 至 85° C 1650mm x 990mm x 40mm
19.1kg
3.5组件结构图
- ]—
■ J 乩軾 in I 人 ；
组件横截面视图 图3英利电池组件图
单电池组建的电压一般比较小，为了能满足用户需求，我们可以把多个光3胃
电池串联，这些组件串联后可以产生负载所需要的工作电压或者蓄电池组的充 电电压。
3.6组件的串并联数计算
系统直流电压 NS
12V
24 12
361光伏组件串联数的基本计算公式如下:
用户用电电流一般较大，为了使负载能正常工作我们需要并联若干光电池 组件。
3.6.2光伏组件的并联数基本计算方法如下：
太阳电池组件日输出： QP=日平均太阳辐射 组件峰值电流
= 3.46 8.24 =28.5A h 负载日均耗电量：QL=（4984 B.5） /220=79.24A h •
并联组件数 二日平均负载耗电量（ A h） _____________
' 库伦效率x［组件日输出（A，h））衰减因子］
=
79.24 0.9 28.5 0.9
,
4
故太阳能电池方阵功率为： P = PM NP NS =2 4 240 = 1920W, 1920W > 1836.7W,所以满足用户串并联要 求。
3.7蓄电池容量及串并联的设计及选型
光伏蓄电池的选择：
蓄电池能在光伏组件不发电的情况下给用户负载提供可以使负载正常工作 的电量。
1.蓄电池容量Be：
Be二(自给天数 日平均负载).(最大放电深度 温度修正因子)
=(6 79.24)(0.8 0.9) = 660A h
2.蓄电池的选择：选用12V,200Ah的蓄电池。
串联数：总电压，单个电池电压=2412=2 并联数：总电量.单个电池容量=660 200 ：、4
所以，总共用了 8个型号为JYHY122000S的蓄电池。其参数如下表
表9蓄电池型号
电池型号 额定电压V 容量(Ah) 长 宽 高 总高 重量(kg) JYHY12200S 12 200 522 240 219 227 63.5 3.8太阳能电池板倾斜角的设计
太阳能电池板倾角粗略估算：
为了保证系统有足够高的效率，电池板必须按一定的倾角安装。因此有必 要先计算不同倾角对效率的影响，这个影响可以用在太阳能电池板面上的日平 均辐照强度来量化，辐照强度越大则电池板的效本越高。可以根据当地纬度由 以下关系粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角：
纬度0—25°,倾角等于纬度；
纬度26°—40°，倾角等于纬度加50—10° 纬度41°—55°,倾角等于纬度加10°—15° 纬度〉55°,倾角等于纬度加15°— 20° 因此当地纬度-32.55
取2
订8 -40
3.9控制器、逆变器的选型 391控制器的确定：
我们已经采用了 24V的直流太阳能系统，计算：
太阳能板的总电流 -240W电池板 8片 48V控制器=40A电流，那么采用两 个
24V/40A太阳能充电控制器就可以满足了。
注意事项：如果超过1000W的系统，尽量采用双控制器，以便检测发电状 况和使用维护，控制器因为太阳能板在发电时并不是始终处于最大电压和电流， 所以在选控制器按40%-50%的电流，就可以满足了。
3.9.2逆变器的确定及选型说明： 逆变器是链接负载和电池
般采用纯正弦波逆变器,
的最后一个关键组件, 其不会对任何电器电机的使用寿命造成影响。
逆变器的计算公式如下
使用的逆变器容量 二使用电器的额定功率之 和1.25 逆变器容量 -4984 1.25 =6230W
因此，需要一个24V/6kW 输出的220V/50HZ的逆变器
我选择KSG-6K型并网逆变器，其优点如下：
DC电压500V
单路MPPT
咼效率拓扑，最咼效率 97.5% 体积小重量轻 结构防水设计 挂架式安装方式 其具体参数如下表：
表10 KSG-6K并网逆变器规格
逆变器型号参数 最大光伏组件功率 最大直流输入电压
启动电压
MPPT范围
最大直流输入电流 直流输入路数 额定交流功率 额定交流电流
交流电流畸变率（THD）
额定交流电压 交流电压范围 交流电压频率 功率因数 隔离方式 接地方式 最大效率 欧洲效率 待机状态功耗 冷却方式 防护等级 防雷等级 过/欠压保护 过/欠频保护 防孤岛保护 低电压穿越功能 过流保护 防反放电保护 极性反接保护 工作环境温度 工作环境湿度 海拔高度 显示
通讯接口
逆变器的选型说明:
KSG-6K 6.4kWp 550V 380V 150-540V 28A 2 6.1kW 30A
<3%@额定功率 220, 230, 240 V -15%〜+10% （可设置）48Hz〜50.5Hz （可设置）三0.99@额定功率
带隔离
TT 97.30% 96.80% <15W
强制风冷
IP20
有有有无有有有 -40 °C ~+55 °C < 95%
（无结露）
（1） 超乎一般的技术等级设计一足以抵挡极端温度、潮湿及高粉尘的工作环境。 高效的
冷却系统一特殊的气流组织设计为日常操作提供了高效的自然对流
冷 却系统（另设有满负荷安全通风设备），甚至在高温环境中也可保证设备 的长寿命及无故障运行。
（2） 您在使用标准插头的同时也可选择其它多种连接方式。 壁挂式安装设计一具有外壳把手及钻孔定位夹具。
（3） 优化高效的变压器一输入电压范围值广及高速的 MPP-Tracking功能。 超强的适应
性一因可接受的输入电压范围值广，可适用于多晶硅、单晶硅 及薄膜光伏组件。
舒适的操作一大型背光LCD图表显示屏及简明的操作菜单。 复杂的分析功能一使操作一目了然。
（4） 集成的数据存储一每日、每周及全年的数据摘要。
为优化集成每一个太阳能系统的安装，可以有自由的外形结构选择。
（5） 网络易接功能一拥有RS485接口，可接入英特网或进行网络集成 通过限压器实现直流输入浪涌保护。
（6） 备用继电器输出可用于激活外部指示单元。 板载自动断路开关。
3.10电气配置及其设计
电气系统主要由太阳能方阵，蓄电池，控制器，逆变器等组成。
(1) 太阳能方阵
屋顶结构与尺寸如下:
图5东西12m南北6m
屋顶南面面积： A, =12 6 = 72m2
2
太阳能电池组件面积：a单体F.^m 光伏阵列间距设计：
D= cos px H/tan[arcsin(0.648cOS.399sa a )]
其中：
B是太阳方位角，p =arcsin[0.648/cos[arcsin(0.648cos0.399sina a 川 a为当地纬度=32.55 °
H是电池板安装高度=1.06m。
代入数据得：B =43.4°,间距D=2.3m。
可以初步得出阵列安装方式，为南北走向，且斜面朝北。
横向并联4个电池板组成一个方阵，纵向间隔 2.3m，将由4个并联的2方如下图：
t 2.3m 阵串联， 图6组件安装示意图
1 1- 1 06m Jfr \\ \\ 1 \\ H ■ ^1 2.3 m .亠 图7组件安装倾角及安装间距
（2） 蓄电池
总共用了 2个型号为JYHY122000S的蓄电池组合而成，具有内阻低、自放 电小、寿命长、使用温度范围广等优点。蓄电池安装在专用的房间内，并配有 专用蓄电池支架，排列整齐，保持环境干燥并保持良好的通风条件。 （3） 控制器：见3.9.2 （4） 逆变器：见3.9.1 （5） 智能控制箱，:
由微电脑定时器、继电器、交流接触器、指示灯、低压断路器等组成用来 进行市电对独立光伏发电系统的智能切换。
市电供电：当控制器检测到蓄电池电压达到过放电压时，此时控制器无输
出，使得K2, SJ1, K1线圈不能得电。K1-1为断开状态，此时K1-2闭合，时 间继电器SJ3线圈得电，常开触点SJ3-1闭合，KM2接通，指示灯2亮，此时 市电开始供电。
3.11设计依据
本工程主要遵循和依据下列标准、文件：
GB/T 9535-1998 GB/T18479-2001 GB19064-2003
《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》 《地面用光伏（PV）发电系统概述和导则》 《家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》
GB50054-95 GB17478-1998 GB50171-92 DL/T620-1997 DL/T621-1997 GB 50057-2010 GB191-2008 GBJ232- 82 GB50205-2002 GB50017-2003
《低压配电设计规范》
《低压直流电源设备的特性和安全要求》 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工》 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》 《交流电气装置的接地》 《建筑物防雷设计规范》 《包装贮运标志》
《电气装置安装工程施工及验收规范》 《钢结构工程施工及验收规范》 《钢结构设计规范》
《热喷涂金属件表面处理通则》
GB/T11373-1989
4发电量估算
太阳能组件方阵年发电量 =组件方阵额定功率 汕峰值日照时数X系统效率
X365=1920 3.46 0.8 365 =1939.82kWh
由此公式推出，此项目年发电量为1939.82kWh。远大于用户一年的总用电
量 1657.1kWh。
5设备材料清单及造价一览表
表11 5.3KW并网系统初步组件报价表
序 号
系统材料 电池组件 并网逆变器
单价（元
型号
数量 单位
/W） 4.8 1.5 0.5
总价（元） 品牌 英利 科士达
1 2 3
YL240P-29b KSG6K
8 1 1
块 台 台
25440 7950 2120
智能控制器
Sunwins
4
控制器
MC-3K
0.4
4240
萨瑞
2
5 6 7 8
台
交直流配电柜 光伏支架 线缆 其他材料
定制 定制 光伏专用 辅材
1 1 1 1
套 套 套 套
0.45 0.4 0.25 0.15
2385
2120
1325
795
人工、机械、
申报、运营维
9 安装及技术服务
护等费用 1 1
套 套 次
2.5 0.2 0.35
13250 1060
英利
10 11 12
设计费用
GCL
运输 蓄电池
1
JYHY12200S
1855 500
环宇
8
台
12 总造价（元） 63040
6参考文献
1. 田汉霖.光伏发电站设计.学位论文，西安交通大学.2013.1.10.
2. 合利欧斯集团，河南外国语学校512k分布式光伏发电站设计.2013.10.
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