摘 要

近年来，环境污染和生态破坏等相关问题成为全球最受关注的话题之一，使得新型清洁能源的开发和利用成为重要课题。太阳能不仅是源源不断纯天然的绿色能源，在使用方面又无需承担运输费用。目前太阳能的常规利用主要是光伏发电和热利用两种方式，本文设计了一个综合两种太阳能利用方式的家用供暖供热水系统，主要针对于武汉地区。

在太阳能热利用部分主要是利用太阳能集热器，光伏发电部分选择的是独立光伏发电系统，由于目前光伏发电系统的效率并不是很高，因此，为了适当提高系统将光能转化为电能的能力，以适应系统的整体需求，本文在控制电路部分加入了最大功率点跟踪技术，并且建立了用升压电路DC/DC变换为基础的MPPT 的扰动观察法相关控制仿真模型。目前，太阳能热利用相关技术已趋于成熟，而光伏发电技术亦已成为常规能源的一种有效替代，但是综合利用两者的系统并不常见，本文提出了一种综合两者的供能系统，来满足武汉地区普通家庭供暖和热水的需求，并针对系统的每个组件进行相关的设计和选型，以保证系统整体运行可行且经济实用。

关键词：太阳能；供暖供水；光伏；MPPT；MATLAB仿真

Abstract

In recent years, environmental pollution and ecological damage and other related issues become one of the world's most talked about topics, making the new clean energy development and utilization become an important issue. Solar energy is rich in resources, free of charge, without transport, creates a new form of life for the human beings. At present, the conventional use of solar energy is mainly two ways ,photovoltaic power generation and heat utilization . This thesis designed a combination of two solar energy use of home heating water supply system, mainly for the Wuhan area.

The solar thermal utilization part is mainly the use of solar collectors, while the photovoltaic power generation part is independent photovoltaic power generation system, and in order to improve the efficiency of photovoltaic power generation system, adding the maximum power point tracking technology, the establishment of the Boost circuit as the core to achieve independence Simulation Model of Pulsed Observation Method for MPPT of Photovoltaic Power Generation System. At present, solar thermal technology has become more mature, and photovoltaic power generation technology has become an effective alternative to conventional energy, but the comprehensive utilization of the two systems is not common, this paper presents a combination of both the energy supply System, to meet the Wuhan area of ​​ordinary household heating and hot water needs, design and select for each component of the system to ensure the overall system’s feasibility and economy.

Keywords: Solar energy; heating water supply; photovoltaic power generation; MPPT; MATLAB simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外相关研究现状 1

1.3本文的研究内容 2

第2章 系统整体方案概述 4

2.1 整体设计方案的选择 4

2.1.1 方案一——仅光伏发电供能方案 4

2.1.2方案二——光伏及光热共同供能方案 4

2.2系统原理分析 5

2.2.1光伏发电系统原理分析 5

2.2.2供暖供热水系统原理 7

2.3本章小结 8

第3章 供能系统设计 9

3.1武汉地区地理位置及气候特点 9

3.2 系统供暖负荷及热水负荷计算 9

3.2.1供暖负荷的计算 9

3.2.2热水负荷的计算 11

3.3光伏供能系统整体结构设计 11

3.4 光伏供能系统元件的选择与设计 12

3.4.1蓄电池的选择 12

3.4.2太阳能光伏电池板的选择 13

3.4.3逆变器的选择 16

3.4.4控制器的设计 17

3.5光伏发电最大功率点跟踪算法与优化 18

3.6蓄电池的充电控制 19

3.7光伏供能系统成本预估 20

3.8本章小结 21

第4章 武汉地区供暖供水系统设计 22

4.1供暖供水系统整体设计方案 22

4.2供暖供水系统元件的选择与设计 22

4.2.1集热器类别及面积确定 22

4.2.2集热器的定位 23

4.2.3系统流量的确定 23

4.2.4辅助热源选型 24

4.3温度显示控制模块设计 24

4.3.1温度显示控制模块原理概述 24

4.3.2温度显示控制模块选型与设计 25

4.4系统整体效益分析 28

4.5本章小结 28

第5章 光伏供能系统相关仿真 29

5.1光伏电池的建模与仿真研究 29

5.2控制器模块仿真 32

5.3本章小结 35

第6章 结论 36

参考文献 37

致谢 38

第1章     绪论

1.1课题研究背景及意义

太阳能不仅是源源不断纯天然的绿色能源，在使用方面又无需承担运输费用。对太阳能的研究和运用改变了我们的生活方式，为绿色生活提供了一种新的可能。我国疆域辽阔，虽然全国各地的年太阳能总辐射量有些许差异，但总体看来我国太阳能资源十分丰足。太阳能辐照量总的范围在3340~8400MJ/之间,中值为5852 MJ/与同纬度的其他国家和地区相比优越得多。目前，太阳能的利用主要有两个方面，即光—热转换的太阳能热利用和光—电转换的太阳能发电。

在我国部分地区尤其是农村，区域供暖难以实现，而部分家庭供暖仍采用传统的燃烧劣质煤炭，燃烧木柴等效率低下又污染环境的方式，因此，用一套完善的家用太阳能供暖供水系统来替代原有的取暖方式十分必要，它不仅可以减少对环境的进一步损害，甚至可能产生更高的经济效益。

近年来，环境污染和生态破坏等相关问题成为全球最受关注的话题之一，使得新型清洁能源的开发和利用成为重要课题。目前，世界对太阳能光热和光电的研究正在稳步前进，研究领域十分广泛。

由于光伏产业在包括遏制化石能源的过度消耗、环保、保证能源安全、提高对空间面积的利用率等多个方面的作用，对化石能源消耗迅速的我国尤为重要，使得这个技术资金密集的行业发展前景十分可观。除了减排效益外，与其他供电设备相比，太阳能综合利用系统的无需高额的维护成本，使用安全，而且可以实现零噪声。另外，采用独立式光伏系统还可以解决贫困偏远地区用电难的社会问题。

1.2国内外相关研究现状

光伏发电是现阶段太阳能的全球化利用的一种最主要的形式，被广泛的应用在工业生产、家庭生活等方方面面。无论是考虑能源的有效利用，还是评估环境的可持续发展，光伏发电的大规模应用都会产生很好的综合效益。而在供暖供热水方面，国外很早就开始了对太阳能热利用技术的具体研究，许多国家都对太阳能进行了大量的相关试验和开发利用，目前也已到达了较为成熟的阶段。

在国内，张永超学者根据东北农村地区取暖的需求，提出了一种利用光伏电池结合远红外加热装置冬季供暖以及无须供暖时将光伏电池电能无差拍并网的方案，很好地解决光伏供电给远红外发热取暖和并网发电的问;从景等学者则结合对房屋的能量损耗进行评价与分析，提供几种不同太阳能光伏发电采暖方案．解决了北京市农村地区冬季供暖问;罗赟学者以广西南宁某偏远地区为项目地点，依据典型家庭的日常用电负荷统计结果，在光伏设计软件 PVsyst 中设置相应参数，而后进行模拟仿真优化计算，得到完全满足用户电能需求的系。

在国外，Sumit Tiwari等学者提出了一个基于能量平衡方程开发的无负载热模型——光伏热综合温室系统（PVTIGS），可用于发电，空间加热，增加生物气的生产，作物栽培和作物干燥方; Qingqing Xu, Stevan Dubljevic的论文解决了控制太阳能热存储系统的问题，以实现期望的热舒适水平和能量节省，通过使用能量保持离散化来获得集成能量系统的离散模;M. Imtiaz Hussain在其期刊中系统评估了集中光伏热电（CPVT）系统的能源潜力和经济可行性，作为电力，煤油和柴油替代温室加热，证实了光伏热电系统的高经济效。

上述研究表明，对偏远的农村地区，针对当地的气候条件设计符合要求的太阳能供暖供水系统不仅能解决当地用电的难题，还能产生高的经济效益，因而越来越多的学者开始投入这项研究之中。同时，对模型的不断优化才能产生更高的经济和社会效益，光伏发电和热利用的领域还有很多值得我们深究与研探的方向。

1.3本文的研究内容

在科学技术日新月异的今天，太阳能的相关研究亦不断发展，各种太阳能设备的不断增多，安装成本也越来越低。与此同时，国家也在相关政策和增加补助等方面大力扶植光伏产业的发展，使得越来越多的家庭选择使用光伏发电系统，这也逐渐变为一种风潮。

本次设计即是针对武汉地区的地理情况和冬季的气候条件，利用太阳能为一户普通家庭设计一套满足基本供暖和热水需求的完整系统。由于目前太阳能的广泛使用主要集中在热利用和发电两个方面，因此本次设计会兼顾两种方式共同为系统提供能量。

在光伏发电方面，依据系统设计规范，需要综合考虑系统每一个板块的设计和选型，尤其是光伏电池、蓄电池、控制器等模块。在设计过程中，不仅需要运用光伏发电系统的发电原理，还应考量系统的可行性和经济性，注意实际情况可能出现的各种变化并做出应对策略。在供暖供水方面，需要依据普通家庭住宅面积、环境温度等数据确定冬季具体的供暖和热水的基本需求，同时应注意整套系统的连接与使用的便利情况等等方面。综合以上描述，本次设计的主要研究内容有以下几个方面：

1)   武汉地区的地理位置特点及日照情况分析

在相关网站和文献中对武汉地区所处位置的经纬度，近两年的日照情况、连续阴雨天数以及太阳福射量情况等信息进行基本的采集和整理工作，以便为后期确定光伏电池板和蓄电池的容量等提供计算依据。

2)   普通家庭供暖和热水情况分析

查阅相关资料和技术手册，根据住宅面积、散热情况、室内外温度等情况了解武汉普通家庭冬季一般的供暖需求，选择适宜的供暖方式并设计具体供暖和热水系统，并以此作为光伏发电系统容量设计的依据。

3)   设计一套适合普通家庭使用的独立光伏发电系统

根据前述确定的系统的供暖和热水负荷，设计相应的光伏发电系统，满足其用电需求。并根据系统功率选择相应的设备并计算相关参数，精确到每一个具体的模块，如光伏电池等。

4)   对所设计的光伏发电系统进行仿真

选择合适的仿真系统，对所设计的光伏发电系统进行相关的仿真，通过科学的计算模拟方法来研究本次设计的可行性，看其设计是否合理，是否能满足系统的供电需求。

第2章     系统整体方案概述

2.1 整体设计方案的选择

2.1.1 方案一——仅光伏发电供能方案

光伏发电全供能设计思路：当有阳光直射时，光伏供能系统运作，将太阳能直接转换为电能，并将产生的能量存储在蓄电池中，为系统供电，而供暖和供热水系统采用电加热方案，即直接用电加热器将常温的水加热至所需温度，其中部分热水做生活用水，另一部分作为供暖系统的循环水使用。

系统工作示意图如下：

图2.1 方案一结构示意图

可行性预计算：

依据生活经验和相关的调研，我们假定一户普通家庭每天使用热水量为50L左右，拟定采暖和生活用水所需温度为55℃，冬季初始水温为10℃。

依据热量计算公式：

（2.1）

式中：

C——水的比热容是1卡/（克•℃），每1g水升高1℃所需的热量为1卡；

m——水的质量，这里由于水的密度为1g/,因此质量为500g；

计算可得所需生活热水所需热量为2250千卡，

又1度电＝860.42千卡,拟电热转换效率为85%，

则所需电量为3.08kwh。

这里仅计算了生活用水，并没有计算供暖部分耗能，因此实际耗电量会更高，而普通家用光伏发电系统功率一般较小，选择纯电加热方式不仅因高耗电量增加了整个系统的设计压力和耗材，而且经济性很差，应考虑其他辅助热源共同供能以减轻光伏发电系统压力。

2.1.2方案二——光伏及光热共同供能方案

综合对方案一的分析，仅利用光伏发电-电加热方式很难负荷整个家庭的供暖供水系统，需要在供能和用能两个方面，都进行相应的调整，使系统更加可行，考虑到太阳能的另一种广泛利用是热利用，因此在系统中加入太阳能集热器，将太阳能直接转换为热能，能量存储在热水中。

方案二光伏及光热共同供能方案设计思路如下：当阳光直射时，系统中太阳能光伏电池和太阳能集热器同时工作，光伏发电系统将产生的电能存储在蓄电池中，待无太阳光或仅集热系统无法满足供能时使用，而集热器将太阳能直接转换成热能，用水做介质，可直接作为生活用水和供暖用水，由于省去了光-电-热中的电能环节，因此转换效率更高，利用光伏和光热两种方式共同供能以满足系统的整体需求。

系统工作示意图如下：