5Kw 家用并网型太阳能设计方案
1太阳能发电的可行性探究
随着传统能源供应的日趋紧张, 我国开始大力倡导发展低碳环保的清洁能源，太阳能作为一种典型的清洁能源，具有广阔的应用前景。太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能光热发电，以及太阳能热水器和太阳房、太阳能空调等方式，其中太阳能光伏发电做为国家重点推广的节能技术，更有着广阔的应用前景。
以前，光伏发电由于技术不成熟，特别是光伏电池板的造价较高，使得光伏发电很难应用到家庭自用发电中。现在随着各国对太阳能的重视和发展，太阳能电池板的价格也越来越低，已经从2000年的40元/W，降到5~6元/W，再加上国家的各种光伏补贴政策，使得家用太阳能发电越来越值得投资。
光伏发电系统一般有离网光伏系统和并网光伏系统两种形式。离网光伏发电系统常用于边远地区的村庄供电、微波中继站电源、太阳能路灯系统等独立电源场合，一般配有蓄电池，用以保证供电的连续性。并网光伏系统是指可并网运行的光伏发电系统，包括带蓄电池和不带蓄电池两种方式，带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，常安装在居民建筑上；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性，常用于大型发电系统。本设计采用不配蓄电池的并网光伏发电方式。
并网式光伏发电由于不用配备蓄电池和控制器，故可减少很大一部分投资。而且该发电方式与电网是双向供电的，即白天天气晴朗时，太阳能发电供家庭用电，由于白天用电较少，故可将多余电量卖给电网，夜间或者阴雨天太阳能不能发电时，由电网供电给用户，这样既保证了供电可靠性，又可将多余电量卖给电网自己盈利，加快成本回收。
2方案设计
（1） 光伏组件选择
光伏组件目前主要有晶硅组件、薄膜组件及聚光组件等，晶硅组件的性价比高，薄膜组件存在转换率低的缺点，聚光组件价格较高，所以本设计采用晶硅组件。晶硅组件又分为单晶组件、多晶组件、高效组。由于单晶硅稳定性好，转换效率高，发电稳定，所以本设计采用单晶组件作为光伏发电系统的光电转换器件。组件选择中国老牌太阳能制造商台湾茂迪的单晶硅电池板，型号GP- SP-180W-5M72，尺寸1580MM(L)*808MM(W)*45MM(H)。 每组功率为180W 。
上海地区位于北纬121.29°，东经31.17°，年平均辐射小时数1975h ，年辐射量为4605.55MJ/m2。方阵面上年辐射量取比水平面年辐射量高10%，为5117.28MJ/m2，年峰值日照小时数为55117.28/3.6=1421.466h，每天峰值日照小时数为1421.466/365=3.89h。 家庭负荷用电情况： 电饭煲1500W 热水器2000W 电冰箱100W 空调 3000W 电磁炉 1800W 电脑 300W 电视机 300W 照明4*50W
电饭煲每天用时1小时1.5度电，电磁炉用时1小时1.8度，电热水器每天用时1小时2度电，电冰箱每天工作24小时2.4度电，电脑每天工作3个小时0.9度电，电视机每天工作2个小时0.6度电，照明每天工作6个小时，按只开两盏灯，0.6度电。空调1、2月份制热，6、7、8、9月份制冷，每年工作6个月，每天工作6小时，耗电量为6*30*3000*0.6=1944综合考虑用电情况，设定该家庭每天用15度电。 所需要的太阳能电池板容量为： 15Kwh/3.89h=3.85kw
合计 总损失率 约15.4% 逆变器效率一般90%-95%
太阳能电池容量为3.85kw/（90%~95%）（1-15.4%）=4.79kw~5.056kw. 所需要太阳能数量为5000w/180w=27.778. 取整数为28块 总容量为28x180=5040w。 布阵方式为4x7方阵。
（2）确定光伏组件阵列间距
光伏阵列间距的确定原则是冬至日当天9 ：00 至15：00，光伏阵列不会相互遮挡，一般按以下方式确定最小间距。
按公式计算出上海地区太阳高度角α和方位角β。 sin α=sinφsin δ +cosφcos δcos ω （1） sin β=cosδsin ω/cosα （2） 式中：φ——纬度，上海为北纬31.17 度； δ——太阳赤纬，冬至日为-23.5 度； ω——时角，9 ：00 时角为 45 度。 可知
sin α =sin31.17sin（-23.5）+cos31.17cos(-23.5)cos45=0.3491 所以高度角α为20.43 度。
sinβ=cos31.17sin45/cos20.43=0.6456 所以方位角β为40.21385度。 阵列间距可由公式（3 ）来确定： D=cosβ×H/tanα （3） 式中：D ——阵列间距 H ——阵列高度
采用固定倾角的支架，上文已知组件长度为 1.58m ，上海地区最佳倾角为 27°，不难得出 阵列高度H=1.58×sin27=0.7173m。 代入公式3 可知阵列间距D 为1.47m 。 （3）光伏组件阵列的布置
布置光伏发电系统的楼顶有效面积为120m2，长约 13.3米，宽约 9米，综合考虑光伏组件外形及间距，可以由南向北摆放4行组件，每行 7 片，共可放置 28片功率为180W 的单
晶光伏组件，总功率约5040w 。
布置工作同时要考虑屋面承重、防水，组件抗风、防雷等问题。本设计采用不锈钢支架将所 有组件连接为一个整体，固定在屋面承重梁上，架体分段与屋面防雷带相连，有效地解决了承重、防水、抗风、防雷等问题。但是如果屋顶为斜面屋顶，此时太阳能电池板的有效面积为1.58*0.808*28=35.74592(m^2 ),这样屋顶向阳面的一面足可以安装下这些电池板，此时可以省去支架，直接依附在屋顶。
组件最大串联数= 逆变器最大输入电压/ 组件低温开路电压= 780/ 44= 17.7
逆变器选定后，可确定组件的串联数应在4-17 片之间，串联后组件满足了逆变器对输入电 压的要求, 最大容量为5040w, 一般发电容量比最大容量略小，所以满足所选逆变器的要求。 （5）汇流箱的选择
由于安装4排电池板所以选择4路汇流箱，为保证安全度，本设计选用制造汇流箱的知名厂家安科瑞制造的APV-M4智能汇流箱。在光伏发电系统中，数量庞大的光伏电池组件进行串并组合达到需要的电压电流值，以使发电效率达到最佳。APV-M4智能光伏汇流箱主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。该产品在提供汇流防雷功能的同时，还监测了光电池板运行状态，汇流后电流、电压、功率，防雷器状态、直流断路器状态采集，继电器接点输出等功能，并带有风速、温度、辐照仪等传感器接口功能供客户选择，装置标配有RS485接口，可以把测量和采集到的数据上传到监控系统。 产品功能
◆ 光伏电池串开路报警，状态检测
◆ 带开关量输入，用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态
◆ 带继电器输出，可以设定为点动方式，用于驱动直流断路器的自动分合闸 ◆ 提供温度、辐照、风速等类型传感器输入接口 ◆ 可输出DC24V 电源给外部传感器供电
◆ 就地数码管循环显示每通道的输入电流，并具有自动关闭节能显示模式
技术参数
（6）光伏发电系统原理
屋顶光伏组件的输出电流经汇流箱、逆变器后，可直接作为电源驱动负荷。亦可切换到外部三相电网，实现小型光伏并网系统的运行。为保证系统安全可靠运行，还需要综合考虑防雷系统、保护系统、通信系统的设计，详见光伏发电系统原理图 。 .
4系统能效计算分析 （1）发电量预测
由于3.89h 已经是折算后的日照峰值小时数，该数值已经把一天中太阳辐射强度不同、阴天下雨等各种不利因素考虑在内，故
年额定发电量为：180*28*3.89*365=7156.044Kw
由于线路损耗逆变损耗等因素实际输送给用户的电能为：7156.044*（1-15.4%）*95%=5751.3Kw （2）经济性预测
首先应明确国家的补贴政策，补贴政策分为分布式发电和大型地面电站发电两部分。分布式发电自发自用电价补贴为0.35元/千瓦时，补贴资金同样来自可再生能源发展基金，并由电网企业向分布式光伏发电项目转付。余电上网部分，由电网企业按照当地燃煤发电标杆上网电价进行收购。
该家庭每天用电15度，一年用电量为15*365=5475度。由于上海市执行分时计费，从6点到22点的价格为0.61元千瓦时, 从22点到次日凌晨6点的价格为0.30元千瓦时，假使该用户每天6点至22点用电10.6度，22点以后用电4.53度，计算该用户一年电费为（10.6*0.61+4.53*0.3）*365=2856.125元。
5751.3-5475=276.3度，说明发电量有剩余，这些电卖给电网, 按照脱硫电价0.4元得：276.3*0.4=110.52元
自发自用电价补贴0.35元/度，每年可得国家补贴5457*0.35=1909.95元。 这样每年回报金额为2856.125+110.52+1909.95=4876.595元。 37540/4876.595=7.7年，约为8年
维护费每年以500元计算，9年约为4500元，（37540+4500）/4876.595=8.62年，实际需要年限为9年
但是由于电池组的性能问题，实际输出的电量会随着使用年限增加而略有下降，根据提供的数据10年保证发电量为90%，下面以此为根据计算收回成本年限。
5751.3*90%=5176.17度，其中70%的用电量价格为0.61元/度，30%的用电量价格为0.3元/度，计算为5176.17*70%*0.61+5176.17*30%*0.3=2676.08元 自发自用电量国家补贴为：5176.17*0.35=1811.66元 每年回报金额为：1811.66+2676.08=4487.74元 37540/4487.74=8.365年，约为9年 加上10年维护费约5000元，（37540+5000）/4487.74=9..48年。实际需要年限为10年。 由于电池板的设计年限为25年，这样还可以再用15年，此后的经济利益也是相当可观的。 5经济技术分析
现在我们已经清醒认识到，常规化石燃料的无节制使用，化石燃料资源不但迟早会枯竭耗尽，而且化石燃料对环境的严重污染所导致的生态环境破坏、地球温室效应等正日趋严重
地威胁着人类的生存。能源短缺、环境污染是当今世界面临的两大问题，制约着人类经济和社会的发展。
在节约能源上，现在火电厂每度电大约耗煤340g 标准煤, 该家庭每年用电5475度，耗煤量为1861.5kg 。故该家庭每年可节约用煤1.86吨。
在保护环境上，工业锅炉每燃烧一吨标准煤, 就产生二氧化碳2620公斤, 二氧化硫8.5公斤, 氮氧化物7.4公斤。使用光伏发电后，每年可以少向空气排放4877.13公斤二氧化碳，15.82275公斤二氧化硫，13.7751公斤氮氧化物。
总之光伏发电既是国家重点发展的方向，又是可以投资的新型市场机遇，且现在太阳能发电技术已经相当成熟，而且规模越大越容易收回成本，获得可观的利益。
5Kw 家用并网型太阳能设计方案
1太阳能发电的可行性探究
随着传统能源供应的日趋紧张, 我国开始大力倡导发展低碳环保的清洁能源，太阳能作为一种典型的清洁能源，具有广阔的应用前景。太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能光热发电，以及太阳能热水器和太阳房、太阳能空调等方式，其中太阳能光伏发电做为国家重点推广的节能技术，更有着广阔的应用前景。
以前，光伏发电由于技术不成熟，特别是光伏电池板的造价较高，使得光伏发电很难应用到家庭自用发电中。现在随着各国对太阳能的重视和发展，太阳能电池板的价格也越来越低，已经从2000年的40元/W，降到5~6元/W，再加上国家的各种光伏补贴政策，使得家用太阳能发电越来越值得投资。
光伏发电系统一般有离网光伏系统和并网光伏系统两种形式。离网光伏发电系统常用于边远地区的村庄供电、微波中继站电源、太阳能路灯系统等独立电源场合，一般配有蓄电池，用以保证供电的连续性。并网光伏系统是指可并网运行的光伏发电系统，包括带蓄电池和不带蓄电池两种方式，带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，常安装在居民建筑上；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性，常用于大型发电系统。本设计采用不配蓄电池的并网光伏发电方式。
并网式光伏发电由于不用配备蓄电池和控制器，故可减少很大一部分投资。而且该发电方式与电网是双向供电的，即白天天气晴朗时，太阳能发电供家庭用电，由于白天用电较少，故可将多余电量卖给电网，夜间或者阴雨天太阳能不能发电时，由电网供电给用户，这样既保证了供电可靠性，又可将多余电量卖给电网自己盈利，加快成本回收。
2方案设计
（1） 光伏组件选择
光伏组件目前主要有晶硅组件、薄膜组件及聚光组件等，晶硅组件的性价比高，薄膜组件存在转换率低的缺点，聚光组件价格较高，所以本设计采用晶硅组件。晶硅组件又分为单晶组件、多晶组件、高效组。由于单晶硅稳定性好，转换效率高，发电稳定，所以本设计采用单晶组件作为光伏发电系统的光电转换器件。组件选择中国老牌太阳能制造商台湾茂迪的单晶硅电池板，型号GP- SP-180W-5M72，尺寸1580MM(L)*808MM(W)*45MM(H)。 每组功率为180W 。
上海地区位于北纬121.29°，东经31.17°，年平均辐射小时数1975h ，年辐射量为4605.55MJ/m2。方阵面上年辐射量取比水平面年辐射量高10%，为5117.28MJ/m2，年峰值日照小时数为55117.28/3.6=1421.466h，每天峰值日照小时数为1421.466/365=3.89h。 家庭负荷用电情况： 电饭煲1500W 热水器2000W 电冰箱100W 空调 3000W 电磁炉 1800W 电脑 300W 电视机 300W 照明4*50W
电饭煲每天用时1小时1.5度电，电磁炉用时1小时1.8度，电热水器每天用时1小时2度电，电冰箱每天工作24小时2.4度电，电脑每天工作3个小时0.9度电，电视机每天工作2个小时0.6度电，照明每天工作6个小时，按只开两盏灯，0.6度电。空调1、2月份制热，6、7、8、9月份制冷，每年工作6个月，每天工作6小时，耗电量为6*30*3000*0.6=1944综合考虑用电情况，设定该家庭每天用15度电。 所需要的太阳能电池板容量为： 15Kwh/3.89h=3.85kw
合计 总损失率 约15.4% 逆变器效率一般90%-95%
太阳能电池容量为3.85kw/（90%~95%）（1-15.4%）=4.79kw~5.056kw. 所需要太阳能数量为5000w/180w=27.778. 取整数为28块 总容量为28x180=5040w。 布阵方式为4x7方阵。
（2）确定光伏组件阵列间距
光伏阵列间距的确定原则是冬至日当天9 ：00 至15：00，光伏阵列不会相互遮挡，一般按以下方式确定最小间距。
按公式计算出上海地区太阳高度角α和方位角β。 sin α=sinφsin δ +cosφcos δcos ω （1） sin β=cosδsin ω/cosα （2） 式中：φ——纬度，上海为北纬31.17 度； δ——太阳赤纬，冬至日为-23.5 度； ω——时角，9 ：00 时角为 45 度。 可知
sin α =sin31.17sin（-23.5）+cos31.17cos(-23.5)cos45=0.3491 所以高度角α为20.43 度。
sinβ=cos31.17sin45/cos20.43=0.6456 所以方位角β为40.21385度。 阵列间距可由公式（3 ）来确定： D=cosβ×H/tanα （3） 式中：D ——阵列间距 H ——阵列高度
采用固定倾角的支架，上文已知组件长度为 1.58m ，上海地区最佳倾角为 27°，不难得出 阵列高度H=1.58×sin27=0.7173m。 代入公式3 可知阵列间距D 为1.47m 。 （3）光伏组件阵列的布置
布置光伏发电系统的楼顶有效面积为120m2，长约 13.3米，宽约 9米，综合考虑光伏组件外形及间距，可以由南向北摆放4行组件，每行 7 片，共可放置 28片功率为180W 的单
晶光伏组件，总功率约5040w 。
布置工作同时要考虑屋面承重、防水，组件抗风、防雷等问题。本设计采用不锈钢支架将所 有组件连接为一个整体，固定在屋面承重梁上，架体分段与屋面防雷带相连，有效地解决了承重、防水、抗风、防雷等问题。但是如果屋顶为斜面屋顶，此时太阳能电池板的有效面积为1.58*0.808*28=35.74592(m^2 ),这样屋顶向阳面的一面足可以安装下这些电池板，此时可以省去支架，直接依附在屋顶。
组件最大串联数= 逆变器最大输入电压/ 组件低温开路电压= 780/ 44= 17.7
逆变器选定后，可确定组件的串联数应在4-17 片之间，串联后组件满足了逆变器对输入电 压的要求, 最大容量为5040w, 一般发电容量比最大容量略小，所以满足所选逆变器的要求。 （5）汇流箱的选择
由于安装4排电池板所以选择4路汇流箱，为保证安全度，本设计选用制造汇流箱的知名厂家安科瑞制造的APV-M4智能汇流箱。在光伏发电系统中，数量庞大的光伏电池组件进行串并组合达到需要的电压电流值，以使发电效率达到最佳。APV-M4智能光伏汇流箱主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。该产品在提供汇流防雷功能的同时，还监测了光电池板运行状态，汇流后电流、电压、功率，防雷器状态、直流断路器状态采集，继电器接点输出等功能，并带有风速、温度、辐照仪等传感器接口功能供客户选择，装置标配有RS485接口，可以把测量和采集到的数据上传到监控系统。 产品功能
◆ 光伏电池串开路报警，状态检测
◆ 带开关量输入，用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态
◆ 带继电器输出，可以设定为点动方式，用于驱动直流断路器的自动分合闸 ◆ 提供温度、辐照、风速等类型传感器输入接口 ◆ 可输出DC24V 电源给外部传感器供电
◆ 就地数码管循环显示每通道的输入电流，并具有自动关闭节能显示模式
技术参数
（6）光伏发电系统原理
屋顶光伏组件的输出电流经汇流箱、逆变器后，可直接作为电源驱动负荷。亦可切换到外部三相电网，实现小型光伏并网系统的运行。为保证系统安全可靠运行，还需要综合考虑防雷系统、保护系统、通信系统的设计，详见光伏发电系统原理图 。 .
4系统能效计算分析 （1）发电量预测
由于3.89h 已经是折算后的日照峰值小时数，该数值已经把一天中太阳辐射强度不同、阴天下雨等各种不利因素考虑在内，故
年额定发电量为：180*28*3.89*365=7156.044Kw
由于线路损耗逆变损耗等因素实际输送给用户的电能为：7156.044*（1-15.4%）*95%=5751.3Kw （2）经济性预测
首先应明确国家的补贴政策，补贴政策分为分布式发电和大型地面电站发电两部分。分布式发电自发自用电价补贴为0.35元/千瓦时，补贴资金同样来自可再生能源发展基金，并由电网企业向分布式光伏发电项目转付。余电上网部分，由电网企业按照当地燃煤发电标杆上网电价进行收购。
该家庭每天用电15度，一年用电量为15*365=5475度。由于上海市执行分时计费，从6点到22点的价格为0.61元千瓦时, 从22点到次日凌晨6点的价格为0.30元千瓦时，假使该用户每天6点至22点用电10.6度，22点以后用电4.53度，计算该用户一年电费为（10.6*0.61+4.53*0.3）*365=2856.125元。
5751.3-5475=276.3度，说明发电量有剩余，这些电卖给电网, 按照脱硫电价0.4元得：276.3*0.4=110.52元
自发自用电价补贴0.35元/度，每年可得国家补贴5457*0.35=1909.95元。 这样每年回报金额为2856.125+110.52+1909.95=4876.595元。 37540/4876.595=7.7年，约为8年
维护费每年以500元计算，9年约为4500元，（37540+4500）/4876.595=8.62年，实际需要年限为9年
但是由于电池组的性能问题，实际输出的电量会随着使用年限增加而略有下降，根据提供的数据10年保证发电量为90%，下面以此为根据计算收回成本年限。
5751.3*90%=5176.17度，其中70%的用电量价格为0.61元/度，30%的用电量价格为0.3元/度，计算为5176.17*70%*0.61+5176.17*30%*0.3=2676.08元 自发自用电量国家补贴为：5176.17*0.35=1811.66元 每年回报金额为：1811.66+2676.08=4487.74元 37540/4487.74=8.365年，约为9年 加上10年维护费约5000元，（37540+5000）/4487.74=9..48年。实际需要年限为10年。 由于电池板的设计年限为25年，这样还可以再用15年，此后的经济利益也是相当可观的。 5经济技术分析
现在我们已经清醒认识到，常规化石燃料的无节制使用，化石燃料资源不但迟早会枯竭耗尽，而且化石燃料对环境的严重污染所导致的生态环境破坏、地球温室效应等正日趋严重
地威胁着人类的生存。能源短缺、环境污染是当今世界面临的两大问题，制约着人类经济和社会的发展。
在节约能源上，现在火电厂每度电大约耗煤340g 标准煤, 该家庭每年用电5475度，耗煤量为1861.5kg 。故该家庭每年可节约用煤1.86吨。
在保护环境上，工业锅炉每燃烧一吨标准煤, 就产生二氧化碳2620公斤, 二氧化硫8.5公斤, 氮氧化物7.4公斤。使用光伏发电后，每年可以少向空气排放4877.13公斤二氧化碳，15.82275公斤二氧化硫，13.7751公斤氮氧化物。
总之光伏发电既是国家重点发展的方向，又是可以投资的新型市场机遇，且现在太阳能发电技术已经相当成熟，而且规模越大越容易收回成本，获得可观的利益。