第一章緒論1.1研究背景與意義隨著全球社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類在環(huán)境保護(hù)意識方面的不斷提高，同時(shí)由于大量的使用傳統(tǒng)能源，使傳統(tǒng)能源面臨一個(gè)日益枯竭的局面，因此，有必要尋找一種新的清潔能源來取代傳統(tǒng)的能源，如煤，石油和天然氣。太陽能是一種可再生的、以太陽能為動(dòng)力的清潔新能源，利用太陽能發(fā)電，不僅不會(huì)產(chǎn)生廢料，也不會(huì)產(chǎn)生氣體，在環(huán)境保護(hù)方面也起到了重要作用，因此用太陽能發(fā)電來取代傳統(tǒng)能源將會(huì)對人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。為了更快地滿足發(fā)展中國家的能源需求，世界各國都在努力開發(fā)新的能源技術(shù)。此外，氣候變化要求人類必須開發(fā)清潔能源，傳統(tǒng)能源對環(huán)境的污染日益加重，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人類的健康，是全球人民共同關(guān)注的問題。目前，中國關(guān)于太陽能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模已經(jīng)位居世界首位，擁有最多的太陽能發(fā)電廠的生產(chǎn)和使用。在國內(nèi)大規(guī)模的光伏電站已投入使用很長時(shí)間了，并且裝機(jī)容量也是領(lǐng)跑全世界，而分布式光伏電站的應(yīng)用還未普及，但是基于中國的優(yōu)越資源，分布式光伏電站的應(yīng)用市場還是很大的。因此，將太陽能引入家庭也是一種趨勢。但是太陽能家用供電目前還沒有完全普及的原因不光是初始投資大，而且儲能技術(shù)的不成熟，也沒有較為合適的控制器為用戶提供便捷的使用服務(wù)，這也是制約其發(fā)展的重要因素[2]。因此，在此問題上，研究將基于光伏電池系統(tǒng)為家庭提供能源基礎(chǔ)。光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模增加，其接入公供電網(wǎng)時(shí)會(huì)對公供電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊。因?yàn)楣夥娬境隽Ψ浅２环€(wěn)定，在夜間或者陰雨天，光伏系統(tǒng)無法發(fā)電，為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)對光伏、風(fēng)電進(jìn)行限電。配備儲能系統(tǒng)后，光伏就具備調(diào)峰能力，可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，解決了光伏電站限電的問題[3]。1.2光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)稱為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)(簡稱PV技術(shù))[4]。然而，鑒于光伏不僅可以替代化石燃料發(fā)電，而且可以減少二氧化碳和有害氣體的排放，防止對地球環(huán)境的污染和破壞，光伏能源作為清潔能源，因此大力發(fā)展光伏對改變我國的能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境問題上起到積極作用。國外研究現(xiàn)狀（1）光伏研究現(xiàn)狀新能源的使用在日本也較早開始，為了“開發(fā)可再生能源”于1973年和1997年應(yīng)對全球能源危機(jī)而推出的太陽能方案非常早。福島核事故后，日本政府決定開發(fā)可再生能源，在當(dāng)時(shí)通過了《可再生能源特別措施法案》，規(guī)定自2012年7月起，能源公司必須從分散的光農(nóng)場購買發(fā)電過程，并在互聯(lián)網(wǎng)上為可再生能源提供一個(gè)市場。目前在德國、日本和美國等發(fā)達(dá)國家，光伏的應(yīng)用已經(jīng)從國防和空間轉(zhuǎn)向民用。就比如在二十世紀(jì)90年代，德國出臺了一個(gè)大力發(fā)展光伏的計(jì)劃即“百萬屋頂計(jì)劃”。此計(jì)劃使很多家庭不僅可以利用太陽能發(fā)電來解決自家的供電問題，而且還建立了許多私人的“小型電站”[5]，可以源源不斷地為公用電網(wǎng)提供電能。這就促使全球開始大量發(fā)展分布式光伏電站，也為光伏電站進(jìn)入家庭奠定了基礎(chǔ)，達(dá)到了對太陽能資源的一個(gè)“就地消納”的目的，也做到了對太陽能資源的充分利用。在2008年，美國新增的光伏裝機(jī)容量達(dá)到6.66GW，光新增的光伏容量就上升至世界第二。2011年，美國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，總裝機(jī)容量達(dá)到了1.85億kw。光伏系統(tǒng)成本的下降和美國政府的補(bǔ)貼政策是其光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的主要原因。此外，荷蘭較也在很早之前就提出了“荷蘭百萬太陽光伏屋頂計(jì)劃”以推動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。法國、西班牙、印度等國家也相繼提出了促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的計(jì)劃，全球各國都圍繞能源利用這個(gè)問題，掀起了分布式光伏電站的熱潮[6]。（2）儲能研究現(xiàn)狀世界上現(xiàn)有的儲能方式有三種，分別是物理儲能、電化學(xué)儲能和電磁儲能，物理儲能包括抽水蓄能、機(jī)械儲能和壓縮空氣儲能，電化學(xué)儲能包括鉛酸電池、鋰電池、液流電池和鈉硫電池等各種蓄電池，電磁儲能就是目前還在研究中的超級電容器儲能[7]。目前，在全球應(yīng)用最廣泛的就是抽水蓄能和電化學(xué)儲能，抽水蓄能具有運(yùn)行成本低、水資源消耗大、儲能消耗功率高等特點(diǎn)，在這種技術(shù)的應(yīng)用中，對地理位置的要求很高的，需要一個(gè)高度差，這樣才能建設(shè)這種技術(shù)所需的上下游水庫，所以難以大規(guī)模的發(fā)展。包括美國、德國等在內(nèi)的發(fā)達(dá)國家，對儲能技術(shù)的研究也是非常重視的，其中美國在電化學(xué)儲能和電磁儲能方面發(fā)展較快，在2011年，美國就在西弗吉尼亞州建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的鋰離子電池儲能項(xiàng)目,并投入運(yùn)營。該鋰離子電池儲能系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模為32MW，用于匹配98MW的風(fēng)力發(fā)電。日本在鈉硫電池的研究方面比較重視，在2002年，日本建成了全球唯一的一個(gè)鈉硫電池企業(yè)[8]，并投入到儲能應(yīng)用當(dāng)中，同時(shí)發(fā)明了很多關(guān)于鈉硫電池方面的專利技術(shù)。而在眾多歐洲的發(fā)達(dá)國家中，德國在推動(dòng)儲能產(chǎn)業(yè)方面的動(dòng)作較大，尤其是對光伏儲能進(jìn)行了高額補(bǔ)貼。國內(nèi)研究現(xiàn)狀近幾年，中國光伏行業(yè)發(fā)展也非常迅速。國家對光伏發(fā)電較為重視，國家和地方政府相繼出臺了一系列的補(bǔ)貼政策以促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家發(fā)改委實(shí)施“送電到鄉(xiāng)”、“光明工程”等惠農(nóng)項(xiàng)目，地方政府也陸續(xù)啟動(dòng)了光伏照明項(xiàng)目工程[9]。同時(shí)，光伏產(chǎn)品也逐漸得到偏遠(yuǎn)地區(qū)的認(rèn)可，越來越多的家庭將光伏產(chǎn)品投入到家庭中，光伏應(yīng)用市場不斷發(fā)展。然而，鑒于中國目前在光伏技術(shù)領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，電池效率低，成本低，我國需要進(jìn)一步改進(jìn)其技術(shù)，使光伏部門跟上時(shí)代。2015年，國家推出光伏“領(lǐng)跑者”計(jì)劃，各國制定了pv-啟動(dòng)計(jì)劃照片發(fā)送者倡議[10]，以促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的傳播，并為競爭分配資源。在計(jì)劃實(shí)施方面，業(yè)主已在很大程度上開發(fā)了產(chǎn)品，包括高效太陽能電池，如PERC，硅，MWT，N型雙面組件等。在之前進(jìn)行過一個(gè)關(guān)于“領(lǐng)跑者”的招標(biāo)會(huì)，通過之后中標(biāo)的結(jié)果可以看出，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率超過20.3%、多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率超過18.8%的晶硅太陽電池占到了88%,這兩種電池的轉(zhuǎn)換效率很高，單晶硅最高可以達(dá)到21%，多晶硅最高可以達(dá)到19.6%，成為了整個(gè)光伏行業(yè)內(nèi)所有光伏產(chǎn)品的“領(lǐng)跑者”。張北國家大型風(fēng)光互補(bǔ)儲能示范工程是國家金太陽工程中的重點(diǎn)項(xiàng)目，作為目前世界上規(guī)模最大的混合工程項(xiàng)目，包含了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)和智能輸電于一體的新能源綜合性示范工程[11]，截止2009年年底，項(xiàng)目一期工程共建設(shè)風(fēng)電的裝機(jī)容量達(dá)9.85萬kW、光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了4萬kW、儲能的容量可達(dá)2萬kW，計(jì)劃在2011年12月25日投產(chǎn)。該項(xiàng)目中的儲能系統(tǒng)擁有削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻、自動(dòng)跟蹤和對電網(wǎng)穩(wěn)定供電的特點(diǎn)，首次將光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合建成的系統(tǒng)，世界上規(guī)模最大的就屬鋰電池儲能電站，也已投入應(yīng)用，其次還在繼續(xù)研究和安裝液流電池，鈉硫電池儲能系統(tǒng)。除此以外還有“大連液流電池儲能調(diào)峰電站”、“長沙微網(wǎng)分布式新能源儲能節(jié)能國家級示范基地”、“二連浩特風(fēng)電+光伏+光熱+儲能示范基地”、“河南電網(wǎng)100兆瓦電池儲能示范工程”等大規(guī)模儲能電站示范項(xiàng)目。這些大規(guī)模儲能項(xiàng)目工程的建成標(biāo)志著我國在新能源儲能技術(shù)方面的研究更加成熟，使我國在新能源領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)快車道，也縮小了與發(fā)達(dá)國家之間在新能源研究發(fā)展方面和儲能技術(shù)研究方面的距離。1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)概述1.3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理所謂的光伏發(fā)電就是一種利用半導(dǎo)體的光伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。此技術(shù)主要有三大部分組成，即太陽電池、逆變器和負(fù)載，如圖1-1所示。圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理太陽電池組件將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過控制器，如果是直流負(fù)載，則可以直接接到控制器上；如果是交流負(fù)載，則從控制器流出的直流電先要經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，然后提供給交流負(fù)載。1.3.2光生伏特效應(yīng)概述當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體連接在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的中間區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)薄層，其中p型半導(dǎo)體帶負(fù)電，n型半導(dǎo)體帶正電[12]。因?yàn)閜型半導(dǎo)體是多空穴結(jié)構(gòu)，n型半導(dǎo)體是多自由電子結(jié)構(gòu)，此時(shí)中間就會(huì)出現(xiàn)濃度差。從而導(dǎo)致n區(qū)的電子向p區(qū)移動(dòng)，p區(qū)的空穴向n區(qū)移動(dòng)，此時(shí)就會(huì)在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體中間區(qū)域形成了一個(gè)“內(nèi)\o"電場"電場”，方向由n指向p，因此要阻止自有電子和空穴的移動(dòng)。直到達(dá)到平衡，就會(huì)形成了一個(gè)特殊的薄層，兩端存在一個(gè)電勢差，這就是p-n結(jié)。當(dāng)半導(dǎo)體的p-n結(jié)上受到光照時(shí)，在p-n結(jié)內(nèi)部自由電子和空穴又開始發(fā)生運(yùn)動(dòng)，即p-n結(jié)內(nèi)部的自由電子和空穴相結(jié)合，形成新的電子-空穴對，由于受到在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用，空穴和自由電子開始發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由高濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)到低濃度區(qū)域，即n區(qū)的空穴就會(huì)向p區(qū)移動(dòng)，p區(qū)的電子會(huì)向n區(qū)移動(dòng)，將p-n結(jié)的兩端用一根導(dǎo)線連接起來，此時(shí)導(dǎo)線中就會(huì)有電流通過。這就是光生伏特效應(yīng)。1.3.3光伏發(fā)電的組成光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池方陣、充放電控制器、逆變器、交流配電柜和負(fù)載等組成[13]。光伏組件也稱太陽電池，是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的一種器件。太陽電池一般分為兩種，即晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池，而金硅太陽電池又分為單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池，具體分類如下表1-1所示。表1-1各光伏組件特點(diǎn)光伏組件種類組件類型實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)室效率使用壽命特點(diǎn)晶體硅單晶硅21.3.3%27.3%25效率高，技術(shù)成熟多晶硅20%23.4%25效率較高，技術(shù)成熟薄膜電池非晶硅10%15.8%3具有弱光效應(yīng)，成本低碲化鎘18.6%21.5%25銅銦鎵硒15.7%19.64%20砷化鎵18%29.1%10鈣鈦礦20.5%25.2%10目前，整個(gè)光伏行業(yè)中應(yīng)用最多的就是單晶硅和多晶硅這兩種太陽電池，因?yàn)檫@兩種太陽電池的轉(zhuǎn)換效率較高、壽命較長、技術(shù)成熟，單晶硅發(fā)電率約為19%~24%，多晶硅發(fā)電率約為16%~20%。光伏方陣：首先將多塊光伏組件串聯(lián)在一起形成光伏組件，然后再將這些光伏組件以串、并聯(lián)的方式連接在一起，這就形成了光伏方陣。控制器：控制器在光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)中起到的的主要作用是控制蓄電池在不同狀態(tài)下的充放電切換。因?yàn)樾铍姵匮h(huán)充放電的次數(shù)及放電的深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，所以控制器在帶有蓄電池的光伏電站設(shè)計(jì)中是一個(gè)控制蓄電池組的充放電切換的重要器件。除此之外，控制器還對配電線路提供一個(gè)過載和短路保護(hù)的作用。逆變器：逆變器就是將電路輸出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置，是鏈接負(fù)載和電池的最后一個(gè)關(guān)鍵組件。逆變器根據(jù)是否并網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型逆變器和并網(wǎng)型逆變器，逆變器根據(jù)輸出波形又分為正弦波逆變器和方波逆變器，而光伏儲能電站設(shè)計(jì)中，在多類逆變器中選型時(shí)通常首選正弦波逆變器，原因在于正弦波逆變器在運(yùn)行過程中對電站中的其他器件和用戶用電器的使用壽命不會(huì)造成影響。1.3.4儲能系統(tǒng)的作用及組成在光伏電站中儲能系統(tǒng)一般用于并網(wǎng)光伏電站中，其作用就是在用電低谷時(shí)期將多余的電能儲存起來，到用電高峰時(shí)期再釋放出來，起到一個(gè)“削峰填谷”的作用，從而減輕了電網(wǎng)的供電壓力。因此，整個(gè)光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)包括光伏組件、控制器、儲能系統(tǒng)、逆變器以及相應(yīng)的聯(lián)合控制調(diào)度系統(tǒng)等在內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1-2：圖1-2儲能系統(tǒng)配合光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)的組成及其作用：1、光伏組件：將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供直流負(fù)載使用。2、逆變器：將組件輸出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，供交流負(fù)載使用。3、控制器：進(jìn)行對電流的輸出分配和電池組的充放電控制。5、電池組：在用電低谷時(shí)期將光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件所輸出多余的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以備后期供電不足時(shí)再以電能的形式釋放出來。第二章家庭光伏儲能電站的建設(shè)場址調(diào)研與分析2.1建設(shè)場址氣候情況和太陽輻照分布圖2-1青海省太陽輻照量分布圖（引自：中國能源網(wǎng)）青海省屬于我國的西北地區(qū)，是我國的三江之源，位于青藏高原東北部，平均海拔大約在4000m，氣候干燥，雨少晴多，日照時(shí)間長，日照率在50%以上，全省各地年日照時(shí)間在2300-3550小時(shí)之間，太陽輻射總量在5637-7420Mj/㎡之間，位于我國第二位民和縣的地理位置處于青海省的東部區(qū)域。東邊與甘肅省蘭州市相連；西邊與青海省海東市樂都區(qū)相連；北邊與甘肅省蘭州市紅古區(qū)相接壤；南邊與青海省海東市循化縣和化隆縣依次相連。海撥最高可以達(dá)到4220米，最低也有1650米，平均海撥高度在2100－2500米之間。地理位置處于東經(jīng)102°26′到103°04′之間，北緯35°45′到36°26′之間。民和縣境南北總距離約96km，東西總寬度約32km，總面積達(dá)到了1890.82km2左右。民和縣的年平均太陽輻照量在5040-5760Mj/㎡左右，也屬于太陽能資源比較豐富的地區(qū)，所以，分布式光伏儲能電站建設(shè)場址位于青海省民和縣具有非常優(yōu)越的自然地理?xiàng)l件，為本論文的研究提供了有力地條件支撐。民和縣屬大陸性氣候，其特點(diǎn)是冬季寒冷、夏季涼爽、蒸發(fā)量大于降雨量、日照時(shí)間長、輻射強(qiáng)，晝夜溫差較大。年平均氣溫為8.7℃，最熱月（7月）平均氣溫為20.3℃，最冷月（1月）平均氣溫為-10℃。平均作物生長期為234天，年平均降水量為292.2mm，且降水集中在夏季（6－8月），占全年降水量的55％，年蒸發(fā)量為1804.6mm，年平均相對濕度56％。本論文通過采用NASA氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)資料可得出，民和縣年總?cè)照諘r(shí)數(shù)在1636小時(shí)左右，平均日照時(shí)數(shù)在4.48小時(shí)左右，在4月到8月這五個(gè)月內(nèi)光照資源較好，月平均日照時(shí)數(shù)都在5以上，如下表2-1民和縣月平均日照時(shí)數(shù)所示，因此每年的這五個(gè)月是收益最高的一段時(shí)間，其余的時(shí)間都比較低，造成這種情況的因素主要是不同月份晝夜時(shí)間長短變化和陰雨天、霧天等因素的影響造成的。表2-1民和縣月平均日照時(shí)數(shù)（小時(shí)/天）西寧市1月2月3月4月5月6月25年平均3.294.054.725.515.535.57月8月9月10月11月12月平均5.555.124.283.773.422.984.482.2建設(shè)廠址建筑屋頂實(shí)際情況本論文建設(shè)地址位于青海省民和縣川口鎮(zhèn)紅衛(wèi)村，如圖2-2（a）所示為建設(shè)地址的屋頂圖，該房屋為平頂房，屋頂總面積為92m2，實(shí)際可用面積為81m2，并且該房屋全天無陰影遮擋，因此裝機(jī)容量可達(dá)12.5kWp，計(jì)劃總投資6.5萬元，包括36塊太陽能電池組件、3臺逆變器、電纜線、運(yùn)輸費(fèi)、施工費(fèi)用等。該屋頂安裝光伏電站后的整體效果如圖2-2（b）屋頂光伏電站整體效果圖所示。圖2-2（a）建設(shè)地址的屋頂圖，（b）安裝效果圖本論文按照“就地消納”的原則，與建筑相結(jié)合的方式進(jìn)行建設(shè)。所有光伏發(fā)電都要以保障安全、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、促進(jìn)和諧為重點(diǎn)，努力構(gòu)建安全、綠色、和諧的現(xiàn)代電力工業(yè)體系[14]。2.3建設(shè)場址負(fù)荷情況該房屋中的主要大功率用電器有LED燈、電視機(jī)、電冰箱、電飯鍋、電水壺等，該家庭用電負(fù)荷及平均每天的用電量如下表2-2所示。此用戶白天做生意一般不在家，只有晚上才回家，回家大概三個(gè)小時(shí)后就熄燈休息。但是在這三個(gè)小時(shí)內(nèi)他們大概會(huì)看兩個(gè)小時(shí)左右的電視，并且燒兩壺水用來飲用和其他，做飯時(shí)電飯鍋大概使用一個(gè)小時(shí)左右，除此之外家里還有電冰箱，電冰箱必須24小時(shí)都處于工作狀態(tài)。表2-2用電負(fù)荷和平均每天用電量統(tǒng)計(jì)表用電器數(shù)量功率使用時(shí)間LED燈415w/盞3h/天電視機(jī)1110w/臺2h/天電冰箱1100w24h/天電水壺11kw1h/天電飯鍋1900w1h/天待機(jī)1100w24h/天由上表可得出以下結(jié)果，即：用電負(fù)載日用總功率為3270W，通過用電負(fù)載的日用時(shí)長和功率可得日用電總量為7.1kWh，進(jìn)而得到年總用電量為2590.5kWh。當(dāng)一個(gè)光伏電站建成之后，在后期有一些各種各樣難以避免的損耗，假設(shè)此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)效率為80%，在不考慮較少使用的用電器的用電量時(shí)，所設(shè)計(jì)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的日均發(fā)電量必須在7.1kWh以上，從而使年發(fā)電總量必須達(dá)到2590.5kWh。第三章家庭光伏儲能電站的設(shè)計(jì)本論文家庭光伏儲能電站的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：光伏組件的選型、逆變器的選型、蓄電池組選型；通過選擇合理的元器件進(jìn)行光伏系統(tǒng)的容量配置，使得該光伏系統(tǒng)達(dá)到最佳輸出狀態(tài)。3.1設(shè)計(jì)原則本設(shè)計(jì)在遵循技術(shù)先進(jìn)、科學(xué)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的指導(dǎo)思想和設(shè)計(jì)原則下，著重考慮以下設(shè)計(jì)原則[15]：先進(jìn)性：在光伏電站的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)具有一定的先進(jìn)性，這樣才能保證系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行，也會(huì)提高電站的使用壽命。實(shí)用性：光伏電站的實(shí)用性主要表現(xiàn)在電站安裝之后的反饋，光伏組件的實(shí)際使用性能和逆變器的使用壽命等因素共同影響著電站性能，因此在電站中安裝的器件應(yīng)該從其穩(wěn)定性、可靠性和可維護(hù)性綜合考慮，所以盡量選用維護(hù)方便、簡易的器件，同時(shí)還需考慮到電站為用戶帶來的收益。經(jīng)濟(jì)性：經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在在同等規(guī)模電站設(shè)計(jì)中在保證系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的前提下，努力降低工程、設(shè)備成本，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，保護(hù)用戶的投資效益[11]。3.2光伏組件選型峰值日照小時(shí)數(shù)：4.48h，光伏組件選型原則：光伏組件選型時(shí)在保證性能參數(shù)合適的情況下，還需要考慮到光伏組件是否易于安裝與搬運(yùn)，同時(shí)應(yīng)選用合理的尺寸和較高性能的光伏組件，組件還應(yīng)該符合一般的性能標(biāo)準(zhǔn)，易于接線和抗強(qiáng)紫外線，符合IEC61215標(biāo)準(zhǔn)，最終就能夠保證每塊光伏組件的質(zhì)量[16]。遵循以上原則選擇的jinkosolar-JKMS255PP-608Maxim電池組件。其參數(shù)如表3-1：表3-1組件參數(shù)表組件類型jinkosolar-JKMS255PP-608Maxim電池片類型156mm×156mm電池片數(shù)量60片峰值功率255w峰值電壓30.8V峰值電流8.28A開路電壓38.0V短路電流8.92A組件效率17.8%工作溫度-40°C至85°C尺寸1650mm×990mm×40mm重量19.4kgjinkosolar-JKMS255PP-608Maxim光伏電池組件有如下優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17.8%；2、尺寸較大，不僅節(jié)省了安裝成本，還增大了單位發(fā)電面積；3、組件功率差為0~5w，進(jìn)而提高了組件的輸出功率，保證了系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步增加了給客戶帶來的收益。3.3逆變器的選型逆變器是組成光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要條件，逆變器有很多種類，但一般都選用的是正弦波輸出逆變器，因?yàn)榇祟惸孀兤鞑粫?huì)影響電器電機(jī)的使用壽命，還要注意如果是獨(dú)立的光伏儲能電站，那就選獨(dú)立型光伏逆變器，如果要并到公供電網(wǎng)中，那就得選用并網(wǎng)型逆變器。逆變器的選型要求：（1）轉(zhuǎn)換效率：逆變器是光伏系統(tǒng)中的核心器件，所以在逆變器選型時(shí)要特別關(guān)注逆變器的轉(zhuǎn)換效率，要選用較高轉(zhuǎn)換效率的逆變器。（2）海拔因素：青海也是屬于高海拔地區(qū)，所以在選擇時(shí)要確定逆變器可以在高海拔地區(qū)正常運(yùn)行，否則就會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行。（3）溫度：根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁氐淖钚≈岛妥畲笾荡_定一個(gè)范圍，逆變器的工作范圍盡量不要超過當(dāng)?shù)氐臍鉁胤秶?，否則就會(huì)影響逆變器的使用壽命。本次設(shè)計(jì)所選擇的是Sungrow-SG5KTL-D型并網(wǎng)逆變器，其具體參數(shù)如下表3-2所示：表3-2并網(wǎng)逆變器規(guī)格逆變器型號參數(shù)Sungrow-SG5KTL-D最大光伏組件功率4kWp最大直流輸入電壓600V啟動(dòng)電壓360VMPPT范圍110-560V最大直流輸入電流20A直流輸入路數(shù)1額定交流功率3kW額定交流電流13.6A交流電流畸變率（THD)<3%@額定功率額定交流電壓220V交流電壓范圍180V~276V（可設(shè)置）交流電壓頻率45Hz～65Hz（可設(shè)置）功率因數(shù)≧0.99@額定功率最大效率97.50%歐洲效率97.00%冷卻方式自然冷卻防護(hù)等級IP65過/欠壓保護(hù)有過/欠頻保護(hù)有防孤島保護(hù)有低電壓穿越功能有過流保護(hù)有防反放電保護(hù)有極性反接保護(hù)有工作環(huán)境溫度-25℃~+60℃工作環(huán)境濕度0~100%海拔高度2500m顯示LCD由上表3-2可知，該逆變器的額定交流電壓為220V，而家庭電壓正好是220V；最大直流輸入電壓為600V，滿足所設(shè)計(jì)的家庭光伏儲能電站的輸出電壓；工作環(huán)境溫度也比較光，只要在-25℃~+60℃內(nèi)，逆變器就能正常工作；對電路也起到過載和短路保護(hù)；逆變器在海拔不超過2500米的地方都可以正常工作，而青海省民和縣的海拔為2100~2500米之間，正好在逆變器的正常工作范圍之內(nèi)。3.4蓄電池組的選型（1）電池選型原則光伏發(fā)電系統(tǒng)配上儲能裝置，可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷、負(fù)荷補(bǔ)償?shù)墓δ?，以此來提高電能的質(zhì)量。然而儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在光伏儲能電站中也是非常重要的一部分，所以選擇的蓄電池必須滿足以下要求：1）可以任意結(jié)合，滿足較大的工作電流和工作電壓；2）電池容量與性能的可檢測和可診斷性；3）安全性和可靠性較高：一般情況下，蓄電池的使用壽命在5年左右，在極限情況下，就算發(fā)生了故障，但應(yīng)該在受控范圍之內(nèi)，不其不應(yīng)該危及到光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行；4）應(yīng)具有快速響應(yīng)的功能和快速充放電的功能，充放電能力一般為5-10倍；5）較高的充放、電轉(zhuǎn)換效率；6）易于安裝和維護(hù)；7）具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，較寬的工作溫度范圍；8）符合環(huán)境保護(hù)的要求，在電池生產(chǎn)、使用、回收過程中不產(chǎn)生對環(huán)境的破壞和污染；(2)建議方案從儲能系統(tǒng)的技術(shù)方面來看，磷酸鐵鋰電池由于其技術(shù)的成熟，在儲能市場上有較強(qiáng)的競爭力，而鈉硫電池和全釩液流電池技術(shù)相比于磷酸鐵鋰電池還不成熟，也沒有形成產(chǎn)業(yè)化，并且其供應(yīng)渠道受限，價(jià)格也比較貴。從后期的運(yùn)營和維護(hù)成本來看，鈉硫電池需要不斷地為其供熱，全釩液流電池需要一個(gè)泵對其進(jìn)行流體控制，從而就會(huì)增加運(yùn)營維護(hù)的成本，但鋰電池不需要太多的維護(hù)成本。根據(jù)國內(nèi)外儲能電站應(yīng)用現(xiàn)狀和電池特點(diǎn)，建議儲能電站電池選型主要為磷酸鐵鋰電池[17]。其電池參數(shù)如下表3-3：表3-3蓄電池型號電池型號26650額定電壓V容量（Ah）長（mm）寬(mm)高(mm)重量（kg）磷酸鐵鋰1220052222424029.6為了滿足光伏電站配置儲能系統(tǒng)的要求，本論文選用了12V、200Ah的磷酸鐵鋰電池，總共使用了4塊，全部以串聯(lián)的方式連接在一起。充滿需要9.6度電，理論放電9.6度，但電池都有一個(gè)放電深度，一般電池的放電深度為0.8，但磷酸鐵鋰電池的放電深度相比于其他電池稍微高一點(diǎn)，達(dá)到了0.85，因此實(shí)際放電量為8度左右。本論文選用的磷酸鐵鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、循環(huán)壽命長：循環(huán)壽命比鉛酸蓄電池高5倍，更好的降低綜合使用成本。

2、重量輕：重量相比鉛酸電池輕40%左右，是鉛酸電池最佳的替代品。3、保護(hù)功能：具有短路、充放電過壓保護(hù)功能，充電電壓均衡，溫控等功能。4、耐高溫：工作溫度范圍寬廣(-20℃—75℃)，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃。5、環(huán)保：磷酸鐵鋰電池一般不含任何重金屬與稀有金屬，也不污染環(huán)境。3.2家庭光伏儲能電站設(shè)計(jì)3.2.1光伏方陣傾斜角的設(shè)計(jì)光伏組件的安裝傾角嚴(yán)重影響著光伏組件所接收到的太陽輻照量，進(jìn)而影響光伏電站的發(fā)電效率和發(fā)電量，一般設(shè)置最佳傾斜角時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐木暥?，多年月平均輻照度，直射分量輻照度、散射分量輻照度和氣候條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過PVsyst光伏仿真模擬軟件分析得出，青海省的最佳太陽能傾斜角度為34℃，及朝正南向傾斜34℃安裝。光伏方陣最佳傾斜角如圖3-1所示。圖3-1光伏方陣最佳傾斜角與方位角3.2.2光伏組件串并聯(lián)設(shè)計(jì)在光伏電站中將光伏組件按串并聯(lián)的方式連接在一起，其目的就是為了將光伏組件輸出的電流電壓通過變壓器調(diào)至符合逆變器的輸入范圍之內(nèi)。因?yàn)楸敬嗡O(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量是12.5kWp，青海省民和縣當(dāng)?shù)氐淖畹蜌鉁貫?17.6℃，最高氣溫大約為35.2℃，所選光伏組件的最高允許溫度可達(dá)85℃，所以光伏組件可以在當(dāng)?shù)氐臏囟拳h(huán)境條件下正常工作，再根據(jù)光伏組件的性能參數(shù)：峰值功率電壓，開路電壓和溫度系數(shù)等，可通過下式計(jì)算：N≤VmpptminVpm其中：N—光伏組串?dāng)?shù)量，單位串；Vdcmax—逆變器直流的最大輸入電壓，單位V；t—溫度，單位℃；Vmpptmin—逆變器MPPT最小輸入電壓；Vmpptmax—逆變器MPPT最大輸入電壓；Voc—光伏組件開路電壓；Vpm—光伏組件工作電壓；K’v本次家庭光伏儲能電站的裝機(jī)容量為12.5kWp，選用逆變器最大直流輸入電壓為600VDC，輸入電壓范圍MPPT為110～560V。本方案采用每組12塊255Wp多晶硅光伏組件進(jìn)行串聯(lián)的方式。每塊光伏組件工作電壓為30.8V，開路電壓為38V，每串光伏組件數(shù)量規(guī)定為12塊。每塊光伏組件的工作電流為8.28A，短路電流為8.92A。在AM=1.5，環(huán)境溫度為25±2℃、太陽輻射照度為1000W/㎡的額定條件下，12塊光伏組件的串聯(lián)支路工作電壓為369.6V，開路電壓為456V，均在逆變器允許輸入范圍內(nèi)，可確保正常工作。在AM=1.5，環(huán)境溫度為25±2℃，太陽輻射照度為1000W/㎡的額定工況下，每串光伏組件的額定工作電流為8.28A，短路電流為8.92A，都在逆變器允許輸入范圍內(nèi)，沒有超出允許范圍，可以保證逆變器在正常工作時(shí)的安全狀況。經(jīng)上述計(jì)算，確定光伏方陣中的每一串中光伏組件數(shù)量為12塊，一共3串，每串組件分別連接一臺逆變器，總共3臺逆變器。第四章家庭光伏儲能電站的成本及預(yù)算效益分析4.1成本預(yù)算本論文家庭光伏儲能電站的建設(shè)總投資預(yù)算為7.8萬元，平均每瓦6.2元，見下表4-1設(shè)備材料清單及造價(jià)一覽表所示，預(yù)算資金包括光伏組件、光伏逆變器、控制器、蓄電池、電纜線等主要設(shè)備的造價(jià)和工程隊(duì)的一些施工費(fèi)用（主要有水泥、光伏組件支架、運(yùn)輸費(fèi)用和人工費(fèi)等）。表4-1設(shè)備材料清單及造價(jià)一覽表序號系統(tǒng)材料型號數(shù)量單位單價(jià)（元/W)總價(jià)（元）品牌1電池組件JKMS255PP36塊1.822500晶科2并網(wǎng)逆變器Sungrow-SG5KTL-D3臺0.810000陽光電源3智能控制器Sungrow1臺0.496125華為4交直流配電柜定制1套0.33750淘寶5光伏支架定制1套0.2531256線纜光伏專用1套0.151875阿里巴巴7其他材料輔材1套0.1012508安裝及技術(shù)服務(wù)人工、機(jī)械、申報(bào)、運(yùn)營維護(hù)等費(fèi)用1套1.620000英利10運(yùn)輸1次0.35185511蓄電池磷酸鐵鋰4臺0.6750012總造價(jià)（元）779804.2發(fā)電量計(jì)算發(fā)電量計(jì)算公式：EPM=PAS×HAM×KPT×?INO×K",[15]式中：PAS太陽能電池容量，本系統(tǒng)容量為12.5Wp；HAM累計(jì)輻照量，4.48×365天=1635.2kWh/年；KPT溫度修正系數(shù)；?INO功率調(diào)節(jié)器效率；K″其他損失，KPT、?INO和K″三項(xiàng)損失加起來一般為80%，通過計(jì)算得首年發(fā)電量為16352kWh。表4-2發(fā)電量記錄表多晶硅首年末最低功率：97.50%25年末最低功率：80.00%功率衰減以首年為參照年份功率衰減年末功率年發(fā)電量(kWh)累計(jì)發(fā)電量(kWh)12.50%97.50%163521635220.73%96.77%15943.232295.230.73%96.04%15704.547999.740.73%95.31%15585.163584.850.73%94.58%15465.779050.560.73%93.85%15346.494396.870.73%93.13%15228.610962580.73%92.40%15109.212473590.73%91.67%14989.9139725100.73%90.94%14870.5154595110.73%90.21%14751.1169346120.73%89.48%14631.8183978130.73%88.75%14512.4198490140.73%88.02%14393212883150.73%87.29%14273.7227157160.73%86.56%14154.3241311170.73%85.83%14034.9255346180.73%85.10%13915.6269262190.73%84.37%13796.2283058200.73%83.65%13678.4296736210.73%82.92%13559.1310296220.73%82.19%13439.7323735230.73%81.46%13320.3337056240.73%80.73%13201350257250.73%80.00%13081.6363338年平均發(fā)電量14533.54.3經(jīng)濟(jì)效益分析表4-3發(fā)電量記錄表光伏發(fā)電電量收益（kWh）363338經(jīng)濟(jì)收益(元）147152蓄電池充放電充電（度）87600放電（度）74460充電成本（元）26280家庭用電情況低谷用電（度）3.8高峰用電（度）2.4因?yàn)榱姿犭姵貕勖鼮?年左右，25年總共換4次。所以項(xiàng)目總投資為7.8萬元左右。每瓦價(jià)格為6.2元，系統(tǒng)容量為12.5KW該項(xiàng)目采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的規(guī)模，青海省的國家補(bǔ)貼電價(jià)為0.08元/度，地方電價(jià)0.5元/度，上網(wǎng)電價(jià)0.325元/度，峰谷電價(jià)分別為1元/度和0.3元/度，則一年中的購電消費(fèi)為1300元。該系統(tǒng)年平均發(fā)電量為14534kWh。用戶年用電量為3163kWh，高峰用電量為900kWh，其余都是低谷用電，高峰用電來自于光伏發(fā)電，低谷用電來自于電網(wǎng)，蓄電池中儲存的所有電量全部上網(wǎng)。蓄電池年充電成本1050元，年放電收益1210元，光伏發(fā)電年平均上網(wǎng)電量為13634kWh，可獲得利潤5522元，年低谷用電花費(fèi)678元，所以一年可節(jié)省904元，最終加上節(jié)省的電費(fèi)錢每年可得經(jīng)