太阳能光伏系统设计.doc

光伏系统设计1引言 经过光伏工作者们坚持不懈的努力，太阳能电池的生产技术不断得到提高，并且日益广泛地应用于各个领域。特别是邮电通信方面，由于近年来通信行业的迅猛发展，对通信电源的要求也越来越高，所以稳定可靠的太阳能电源被广泛使用于通信领域。而如何根据各地区太阳能辐射条件，来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统，这是众多专家学者研究已久的课题，而且已有许多卓越的研究成果，为我国光伏事业的发展奠定了坚实的基础。笔者在学习各专家的设计方法时发现，这些设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数）。这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视，因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立光伏电源系统，由于没有应急的其他电源保护备用，所以应该将此问题纳入设计中一起考虑。 本文综合以往各设计方法的优点，结合笔者多年来实际从事光伏电源系统设计工作的经验，引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。 2影响设计的诸多因素 太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。 太阳能电池方阵的光电转换效率，受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。 蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。 太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小，从而影响到充电的效率等。 负载的用电情况，也视用途而定，如通信中继站、无人气象站等，有固定的设备耗电量。而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备，用电量是经常有变化的。 因此，太阳能电源系统的设计，需要考虑的因素多而复杂。特点是：所用的数据大多为以前统计的数据，各统计数据的测量以及数据的选择是重要的。 设计者的任务是：在太阳能电池方阵所处的环境条件下（即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等），设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益，又要保证系统的高可靠性。 某特定地点的太阳辐射能量数据，以气象台提供的资料为依据，供设计太阳能电池方阵用。这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。 地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天24h。处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有24h的周期性的变化，其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。但是天气的变化将影响方阵的发电量。如果有几天连续阴雨天，方阵就几乎不能发电，只能靠蓄电池来供电，而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。由于一个地区各年的数据不相同，为可靠起见应取近十年内的最小数据。根据负载的耗电情况，在日照和无日照时，均需用蓄电池供电。气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。 对太阳能电池方阵而言，负载应包括系统中所有耗电装置（除用电器外还有蓄电池及线路、控制器等）的耗量。 方阵的输出功率与组件串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获得所需要的工作电流，适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵。 3蓄电池组容量设计 太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。 （1）蓄电池的选用 能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。 （2）蓄电池组容量的计算 蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。 因此，蓄电池的容量BC计算公式为： BC=AQLNLTOCCAh(1) 式中：A为安全系数，取1.11.4之间； QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数； TO为温度修正系数，一般在0以上取1，10以上取1.1，10以下取1.2； CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。 4太阳能电池方阵设计 （1）太阳能电池组件串联数Ns 将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。 计算方法如下： Ns=UR/Uoc=（UfUDUc）/Uoc（2） 式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为蓄电池浮充电压； UD为二极管压降，一般取0.7V； UC为其它因数引起的压降。 表1我国主要城市的辐射参数表 城市 纬度 日辐射量Ht 最佳倾角op 斜面日辐射量 修正系数Kop 哈尔滨 45.68 12703 3 15838 1.1400 长春 43.90 13572 1 17127 1.1548 沈阳 41.77 13793 1 16563 1.0671 北京 39.80 15261 4 18035 1.0976 天津 39.10 14356 5 16722 1.0692 呼和浩特 40.78 16574 3 20075 1.1468 太原 37.78 15061 5 17394 1.1005 乌鲁木齐 43.78 14464 12 16594 1.0092 西宁 36.75 16777 1 19617 1.1360 兰州 36.05 14966 8 15842 0.9489 银川 38.48 16553 2 19615 1.1559 西安 34.30 12781 14 12952 0.9275 上海 31.17 12760 3 13691 0.9900 南京 32.00 13099 5 14207 1.0249 合肥 31.85 12525 9 13299 0.9988 杭州 30.23 11668 3 12372 0.9362 南昌 28.67 13094 2 13714 0.8640 福州 26.08 12001 4 12451 0.8978 济南 36.68 14043 6 15994 1.0630 郑州 34.72 13332 7 14558 1.0476 武汉 30.63 13201 7 13707 0.9036 长沙 28.20 11377 6 11589 0.8028 广州 23.13 12110 7 12702 0.8850 海口 20.03 13835 12 13510 0.8761 南宁 22.82 12515 5 12734 0.8231 成都 30.67 10392 2 10304 0.7553 贵阳 26.58 10327 8 10235 0.8135 昆明 25.02 14194 8 15333 0.9216 拉萨 29.70 21301 8 24151 1.0964 蓄电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。 （2）太阳能电池组件并联数Np 在确定NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。 将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表1）： H=Ht2.77810000h（3） 式中：2.77810000（hm2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。 太阳能电池组件日发电量Qp Qp=IocHKopCzAh(4) 式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流； Kop为斜面修正系数（参照表1）； Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。 两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为： Bcb=AQLNLAh(5) 太阳能电池组件并联数Np的计算方法为： Np=（BcbNwQL）/（QpNw）(6) 式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。 (3)太阳能电池方阵的功率计算 根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P： P=PoNsNpW（7） 式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。 5设计实例 以广州某地面卫星接收站为例，负载电压为12V，功率为25W，每天工作24h，最长连续阴雨天为15d，两最长连续阴雨天最短间隔天数为30d，太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的38D975400型组件，组件标准功率为38W，工作电压17.1V，工作电流2.22A，蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，浮充电压为（141）V。其水平面太阳辐射数据参照表1，其水平面的年平均日辐射量为12110（kJ/m2），Kop值为0.885，最佳倾角为16.13，计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。 （1）蓄电池容量Bc Bc=AQLNLTo/CC =1.2（25/12)24151/0.75 =1200Ah （2）太阳能电池方阵功率P 因为： Ns=UR/Uoc=（UfUDUC）/Uoc =（140.71）/17.1=0.921 Qp=IocHKopCz =2.2212110（2.778/10000）0.8850.8 5.29Ah Bcb=AQLNL =1.2(25/12)2415=900Ah QL=(25/12)24=50Ah Np=（BcbNwQL）/(QpNw） =(9003050)/(5.2930)15 故太阳能电池方阵功率为： P=PoNsNp=38115=570W （3）计算结果 该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为570W，蓄电池容量为1200Ah。摘自中国电源网 文章整理：西部数码-专业提供域名注册、虚拟主机服务以上信息与文章正文是不可分割的一部分,如果您要转载本文章,请保留以上信息，谢谢! 文章页数：1 很多非太阳能光电专业人士在计算太阳能电池的工作时间的时候，总是把日照时间看作每天有太阳光的时间，选择计算时间为8小时左右。其实不然，这样会给整个光伏系统造成不稳定的因数。其实根据不同的地区的光照条件，我们要分别区分太阳能电池的有效工作时间。我国可分为：丰富地区、比较丰富地区、可以利用地区、贫乏地区。他们的年光辐射量分别是大于等于平方米，平方米、平方米、小于平方米。由于以上的原因，所以我们计算太阳能电池的工作时间的时候就不能都以小时来计算了，根据不同地区我们不同的选择：他们的不同平均峰值时间分别是：小时，小时，小时，小时。只有根据这些参数才能准确计算各地区的光照时间，和准确计算太阳能光伏系统所用的太阳能电池板大小和保险系数。那些只应用电子电工原理上的欧姆定律和一些能量守衡定律计算太阳能光伏系统是不够的光伏发电系统计算方法光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到几瓦的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：（一） 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。（二） 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（三） 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四） 逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计。在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。（1）基本公式I. 第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。II. 第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式见下： 自给天数 X 日平均负载 蓄电池容量 = - 最大放电深度 这些当然都没有修正，以下为正确计算公式：蓄电池的容量BC计算公式为： BC=AQLNLTOCCAh(1) 式中：A为安全系数，取1.11.4之间； QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数； TO为温度修正系数，一般在0以上取1，10以上取1.1，10以下取1.2； CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。下面我们介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 负载标称电压 串联蓄电池数 = 蓄电池标称电压 阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本计算公式如下：并联的组件数量日平均负载（AH）/ 组件日输出(AH) 串联组件数量 系统电压（V)/组件电压（V）以上都是没有修正过的公式.以下公式供参考太阳能电池方阵设计：Ns=UR/Uoc=（UfUDUc）/Uoc（2） 式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为