2014课程学习资料8讲解

1、第八章光伏系统设计简介8.1光伏系统发电量的估算方法一、光伏系统发电量的粗略估算光伏组件的装机容量可以简单的由单块组件功率和组件总数的乘积得到，通常情况下 指的是标准光照1000 W/m2下的发电功率，没有考虑到日照强度，装机容量可表示为：光伏系统装机容量（W）=组件标称发电功率X组件的数量同样的装机容量由于日照强度不同，在不同的地区的发电量有很大的区别，考虑到日照强度时，光伏系统的装机容量也可以简单估算为：太阳发电系统装机容量（W）=电池板面积X日照强度X组件的光电转换效率 这里日照强度：太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：W/m2。光电转换效率：太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体

2、硅组件效率目前约为：1617%实际上的光伏组件发电量会受到一些外在因素的影响而降低，实际的发电量远远低于上述的估算结果，实际上光伏系统的发电量可以估算为：太阳发电系统发电量=装机容量（标准）X有效日照时间X综合系数=装机容量（标准）X太阳光日辐射量/1000X综合系数这里，装机容量：装机容量是系统的总标称功率，装机容量=组件功率X组件的数量有效日照时间：将每日的入射光能量换算成标准入射功率（1000 W/m2）下的入射时间，一般以小时为单位。由于太阳能电池的发电效率受光强影响很大，因此弱光或漫射光等对光伏发电量的贡献很低，如果完全按照入射太阳能电池板的光总能量来计算光伏发电量，会导致计算出来的

3、发电量偏高，因此在估算每日的总入射光能量时候需要考虑直射光、漫射光等因素。综合系数：考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的系统发电效率因数很多情况下0.50.6二、如何估算有效入射光能量由于光照的不稳定和不确定性，同时也因为光伏系统在不同入射光强度和入射光性质下发电效率的变化，要准确的估算光伏系统发电量就必须准确的估算入射光能量。光入射量的估算方法也是光伏发电的研究重点之一，目前提出了非常多的模型， 共同点是都同太阳能电池板方位角、太阳能电池板倾角以及太阳高度角，也就是说太阳能电池板安装地的经纬度和季节等参数密切相关。 一般气象局

4、等单位都会有当地的月太阳辐照数据，根据给出的太阳能辐照数据，可以根据一些经验方法来对有效入射太阳光能量进行估算。1、首先介绍几个关于太阳能的相关参数概念。（1）太阳高度角：太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，一般在正午时分太阳高度达到最大值，此时太阳高度角也称为正午太阳高度，可简单由下面的公式8-3计算，北纬为正，南纬为负。正午太阳高度角（a）=90-（当地纬度-太阳直射点纬度）8-3（2）太阳能电池板倾角： 太阳能电池板 平面与水平地面的夹角。一般根据光伏系统安装地 的纬度进行设定。 最简单的情况可以取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池 组件安装的倾斜角，如果能够采用计算机辅助设计

5、软件，可以进行太阳能倾斜角的优化计算。最理想的倾斜角一般是使太阳能电池年发电量尽可能大的倾角，但对于某些带有蓄电池的独立光伏系统，还更需要冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角，否则会造成冬季-夏季发电量差异过大，蓄电池容量要求增加。 这对于高纬度地区尤为重要。高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，例如我国黑龙江省相差约5倍。当然，最好的方法是在夏季和冬季各进行一次倾角调整。太阳能电池板最佳倾角和安装地纬度有以下经验关系：纬度为025。时，倾斜角等于纬度；纬度为2640。时，倾斜角等于纬度加上510；纬度为4155时，倾斜角等于纬度加上1015；纬度为55以上时，倾斜 角等于纬度加

6、上1520。需要注意的是，不同类型的太阳能光伏发电系统，其最佳安装倾斜角是有所不同的。例如光控太阳能路灯照明系统等季节性负载供电的光伏发电系统，这类负载的工作时间随着季节而变化，其特点是以自然光线的来决定负载每天工作时间的长短。冬天时日照时间短， 太阳能辐射能量小，而夜间负载工作时间长，耗电量大。因此系统设计时要考虑照顾冬天， 按冬天时能得到最大发电量的倾斜角确定，其倾斜角偏大一些，因为冬天太阳高度非常小， 太阳光几乎呈水平方向入射。而对于主要为光伏水泵、制冷空调等夏季负载供电的光伏系统， 则应考虑为夏季负载提供最大发电量，其倾斜角可以偏小一些， 有利于夏季垂直于电池板入射光分量的增大。有些时

7、候太阳能电池板倾角只能根据安装地地理条件来设定，例如屋顶光伏系统很多时候的倾角需要根据屋顶面形状设定。（3）太阳能电池板方位角：所谓方位角一般是指东西南北方向的角度，方位角决定了阳光 的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向的建筑物的采光状况。对于太阳能光伏系统来说，太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度， 向西偏设定为正角度）。，一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0时，太阳电池发电量是最大的。北半球的光伏阵列朝向的方位角一般取正南方向，但随季节也有不同变化。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最 大的时候。例如太阳

8、辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率，这样有利冬季多发电。 对固定安装的光伏阵列来说，不跟踪太阳移动的方位角会导致大约36.3%的太阳辐射能量的损失。2、电池板上有效入射太阳能估算1太阳能辐射的数值一般可以在当地气象局查询。从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量H，直接辐射量H一：及散射辐射量H。且有：HH+H门由于太阳能 电池板有一定倾角，因此需换算成倾斜面上的太阳辐射量，这里假设漫射部分同倾斜角无 关。在确定了安装方位角，太阳高度角以及安装倾角之后，就可以粗略估算入射到太阳能电池板的有效光辐射量。下面介绍一种简单的估算方法。

9、图8-1给出了太阳能电池板倾角和太阳高度关系示意图。估算方法如下：如果从已有日照数据中可以直接得到投射到水平面上的月平均直射（S）和漫射（D）日照数据，可以根据经验公式得出投射到阵列上的总日照数，或根据已有软件 计算。漫射值也可不计入。电池板倾斜面垂直入射太阳辐射的简单公式如式8-4所示。Ssin :-R上上D8-4sin口图卜诃图卜诃 光线落在与水平面成光线落在与水平面成$ $角的鏗面上角的鏗面上( (魅魅MflCk. H79)图8-1入射倾斜太阳能电池板面的太阳辐射式8-4中：RB倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量S水平面上太阳直接辐射量D散射辐射量中午时分的太阳高度角邙日光同水平面夹角，可

10、查资料)B光伏阵列倾角(方阵面同水平方向夹角)需要注意的是，漫射光辐射在很多时候很难被作为有效入射能量，可能被舍去。例如阴天的发电量如果直接用漫射光辐射计算，计算值会偏大。另外，很多时候电池板倾斜面垂直入射太阳辐射用字母HT表示，RB表示日照或月照平均小时数。3.电池板上有效入射太阳能估算2上面的计算方法采用了简单公式描述水平面直射辐射同倾斜面上直射辐射的关系，给出一个更为详细的计算方法，利用了更多的太阳位置参数。已知：水平面上直接辐射分量HB和漫射辐射分量Hd，这里漫射量同倾斜角也有关系。下面给出一个简单说明。(1)首先计算倾斜面上的直接辐射分量HBTHBT=HBRB其中RB为倾斜面上的直接

11、辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值。倾斜面来说：cos( /?)cos抒抒sin( (曲豹曲豹) )十十-d?S3- sin(Q JRB=180cos 0 cos t? sin +sill $ srn d式中；巾式中；巾当地纬度当地纬度p方阵倾角方阵倾角水平面上日落时勲水平面上日落时勲= cos*1-tail ranj(8-5)这里对于朝向赤道的点阳赤纬：点阳赤纬：J = 23.45sin(284 +M)365倾斜倾斜lAi上上H落时荊落时荊: :丁丁= nnna5,cos_lian( - /3)-询】杼询】杼（2）.天空散肘辐射分吊血在各向同性时=ffjr =一（1 + cos/7）- （

12、8-6）（3）、计算地面反射辐射分量HrT:通常可将地面的反射辐射看成是各向同性的，其大小为:HTT二斗H（1-心0）-（8-7）其中p为地面反射率，其数值取决于地面状态，各种地面的反射率如下表所示：地面状也地面状态反射率地1加狀态反射率沙漠0. 21-0.28干湿上0. M湿卓地0.11-0. 26干燥裸地0.10, 2湿黑土0.0S新吉0, 81湿摆地0, 08-0, 09干草地0.15-0, 25冰面0. 69般计算时，可取p=0.2故斜面上太阳辐射量即为:HT= HBRB+ 电(】+cos 0)+ 2/(1 - cos 0)(8-8)通常计算时用上式即可满足要求。如考虑天空散射的各向不

13、同性，则可用下式计算:式中：HO为大气层外水平面上辐射量。这里辐射量单位mwh/cm2.在光伏系统计算时，以月平均量计算的场合居多。根据经验，对光伏电池板如果每月调节一次倾角，全年总发电量比固定倾角可增加3%一般单轴跟踪阵列比固定倾角时年发电量增加约20%双轴跟踪比固定倾角时年发电量可增约30鳩上。三、光伏系统发电成本的粗略估算光伏发电的成本一般以2025年预估。首先计算年发电量：光伏系统年发电量=太阳能电池组件功率*日平均有效光照时间*最佳利用比*365这里，太阳能电池组件功率是指出厂时标准条件下测定的组件功率。测试条件：AM1.5，光强1000W/m2,25 C;日平均有效光照时间：可以从

14、当地气象部门查询，同地域有关，一般指用太阳能电池标准辐射（1000W/m2）来平均总辐射量得到的小时数。最佳利用比：考虑到系统损耗后及其他光学损失后的系数，经验上取0.60.8例如1kw的光伏系统，如果设定最佳利用比0.6,日照平均时间3.5小时，则? 1kW年发电量约为760度（最佳利用比0.6，日照3.5h）(8-9)COS/?) + -y /f(l COS/?)?目前1kw硅太阳能电池组件售价约0.45万元，系统安装后：0.9万元?能量回收期按照2年计算?发电成本：总成本/（22年发电量-耗电量）0.6元/度 四、光伏阵列安装密度要求光伏电池组件阵列间必须有一定的距离。在排列太阳能组件时

15、应注意，组件排列要按电池板的投影尺寸排列，即排列面积取实际面积与倾斜角余弦的乘积；组件并列排列时要考虑组件和组件的间隙， 一般按25mm的间隙考虑；要考虑检修通道的走向。图8-2给出了阵列排列时候阴影部分和阵列尺寸及倾角等的关系。遮挡问题图8-2阴影部分和阵列尺寸及倾角等的关系为了避免阵列之间遮阴，光伏电池组件阵列间距应不小于D,D的经验公式为:式中为当地地理纬度（在北半球为正，南半球为负），H为阵列前排最高点与后排组件 最低位置的高度差，根据组件长度和倾角确定。例如，对于组件长度27002700mm和倾角40时，H=1735mm，根据式8-10计算，求得D=5025 mm。 因此取光伏电池组

16、件前后排阵 列间距5.5米。图8-3给出了该阵列的排布图，可以看出阵列间距还是非常大的，增大了光 伏阵列的铺设面积，导致太阳能利用率的降低。8.2独立光伏系统设计一、独立光伏系统设计概述分布式（独立）发电一般独立于公共电网而靠近用电负荷， 可以包括任何安装在用户附 近的发电设施，而不论其规模大小和一次能源的种类。 一般来说，分布式电源是集成或单独 使用的、靠近用户的小型模块化发电设备。0.707Htan臌resin(0.648eos-0.399sin(8-10)U-Jiium21i5S0D图8-3光伏阵列的间距R5OD独立光伏系统的组成部分可以归纳为：?蓄电池组（储能系统）?太阳能电池控制?逆

17、变器?太阳能电池阵列、安装支架?直流汇流箱、交直流电路（熔断器、断路器、电缆导线）?电器控制柜?接地故障保护器等?负荷?其他附加电力来源?远程监控独立光伏系统在很多时候都应用于公共电网无法覆盖的偏远地区，或者作为某些重要 负载设备的后备电源，例如偏远地区的照明设施，通讯设备和住宅用电等。因此大多时候独 立光伏系统设计的基本内容是确定光伏组件与蓄电池的数量配置，以满足某一给定地点的给定负载的使用需求，大多场合的设计指导思想是满足年平均月负载的用电需求。具体内容包括：?项目地点的太阳能资源评估与光伏电站选址可行性分析，包括光伏电站发电量与发 电成本预估等前期工作；?负载特性调查；光伏组件串并联方式

18、及输出电压电流要求；?光伏系统装机容量设计：包括根据负载要求确定太阳电池方阵和蓄电池的容量,以及方阵的倾角。 在有其他能源进行补充时， 根据安装地点条件、 负载要求和综合发 电成本等确定太阳电池方阵和蓄电池的容量,以及方阵的倾角。?光伏电站各设备选型：包括储能系统种类，光伏控制器与逆变器，?交直流配电线路设计，例如配电柜等?保护与监测系统设计，例如避雷与接地系统，数据采集与远程监控等。二、独立光伏系统的负载特性以及几种工作方式光伏系统必须匹配负载的用电要求。独立光伏系统直接或通过蓄电池对负载提供电能， 对交流用电负载还需要通过逆变器转换。直接提供电能时光伏阵列或者蓄电池阵列的配置必须符合负载端

19、的功率、电压和电流要求。例如，光伏阵列中串联组件的数量=系统电压/单位组件电压；并联组件数量=月平均负载（Ah）/组件串月输出（Ah）等。1负载的分类（1）均衡性负载。用电量基本保持恒定，不随季节变化的的负载，又分为：+ 电阻性负载：电阻性负载是指负载的耗能部件是电阻性的，例如：白炽灯、电炉、电热水器等。按照额定功率计算即可；+ 电感性负载。电感性负载是指负载的耗能部件是由带铁心或不带铁心的线圈构成，它具有电学上定义的感抗”特性，也称为“感性负载”。感性负载的特点是，设备启 动时的“浪涌电流”远远大于该设备的额定电流；当设备停止运转需要切断电源时，感性负载还产生高于外加电压的“感应过电压”。国

20、外以及偏远山区的很多独立光伏系统是提供给家庭使用的，下面给出几种典型家庭用负载的简单用电特性。+ 电视机。按负载分类，电视机基本属于电阻性负载，但由于电视机内部不仅使用电 源变压器，而且有许多电感线圈，因此仍存在感性分量。 特别是较大尺寸的电视机内 的“消磁线圈”，在开机瞬间从电源汲取很大电流，将使户用电源或小功率光伏电源电压产生短时间下降现象。+ 电冰箱。电冰箱不仅属于电感负载，而且是频繁的间歇工作，二者均不利于供电系统的稳定工作。电冰箱的压缩机每次启动都产生瞬间的浪涌电流，这会给功率较小的光伏电源系统带来电压的频繁波动。电冰箱在频繁启动中，压缩机的转子有时处于运转的“死点”启动，此时的浪涌

21、电流非常大，有可能引起电源过载。为避免电 源受到过大的冲击，电冰箱用的逆变器应具有良好的过载保护和短路保护功能。+ 水泵。水泵属于电感负载，有时也采用间歇式工作，同样二者均不利于供电系统的稳定工作。通常水泵的功率较大，因此更需加强对光伏系统的保护。为充分利用太阳能，减少水泵的启动次数。(2)季节性负载这类系统的负载每天工作时间随着季节而变化，不能当作均衡负载处理。最典型的例子是光控太阳能光伏照明系统，光控照明系统的特点是以自然光线的强弱来决定负载工作时间长短的。此特点与太阳日照时间的规律正好相反，夏天日照时间长， 辐照量大，而灯具需要照明的时间短；而冬天日照时间短，辐照量小，但灯具需要照明的时

22、间长。还有空调设备， 主要在夏季和冬季使用。制冷功率远远小于制热，因此对于南部和北部地区，光伏系统主要考虑制冷功能。同时，制热在冬季使用，同太阳能光照趋势相反。(3)特殊要求负载有一些非常重要的设施，对于供电系统的稳定性有特殊要求，希望接近电网供电。这个时候可用负载失电率LOLP (Loss-of-load-probability)来衡量供电系统的稳定性。LOLP的定义为：LOLP =全年停电时间/全年时间，LOLP值在01之间，数值越小，可靠程度越高。如LOLP = 0，表示任何时间都能保证供 电，全年停电时间为零。常规电网对大城市供电也只能达到LOLP =10-3数量级，在一些特殊需要的场

23、合，例如为重要的通讯设备、灾害测报仪器、军用装备等供电的独立光伏系统，确实需要做到满足一分钟都不停电的要求。对于这类独立光伏系统， 不能够盲目地增加系统的安全系数，设计时要特别仔细，稍有不慎，其结果不但可能造成大量浪费，还会影响光伏系统的稳定工作，产生严重后果。2、独立光伏系统的几种典型工作方式。(1)有负载需求，有足够的光照强度，光伏组件或光伏阵列所能发出的电能小于负载需求。 此时太阳能发出的电能完全被负载吸收，而且储能装置要向负载供电。此时，系统中的电力电子控制器工作在光伏组件的最大功率点跟踪模式下。控制的目标首先是光伏组件本身，以最大限度地获取太阳能其次是储能装置的放电电压和放电电流，以

24、保护储能装置。(2)有负载需求，有足够的光照强度，光伏组件或光伏阵列所能发出的电能大于负载需求，且多余的电能可以被储能装置完全吸收，则系统中的电力电子控制器同样可以工作在光伏组件的最大功率点跟踪的模式下。控制的目标首先是光伏组件本身，以最大限度地获取太阳能其次是储能装置的充电电压，以保护储能装置。(3)有负载需求，有足够的光照强度，光伏组件或光伏阵列所能发出的电能大于负载需求，但多余的电能不能被储能装置完全吸收。此时，电力电子控制器的工作点偏离光伏组件的最大功率点，部分太阳能被抛弃，控制的目标转向储能装置的充电电压，以保护储能装置。(4)有负载需求，无足够光照强度。此时，光伏组件或光伏阵列不能

25、发出电能，系统简化成储能装置独立向负载供电。若储能装置在正常的工作区间，则在电力电子控制器的控制下向负载供电。控制的目标是储能装置的放电电压和放电电流，以保护储能装置。三、独立光伏系统的基本设计原则1.光伏系统和产品要根据负载的要求和当地的气象及地理条件，进行专门的优化设计。2.在充分满足用户负载用电需要的条件下,尽量减少太阳电池和蓄电池的容量,以达到可靠性和经济性的最佳结合。3.要避免盲目追求低成本或高可靠性的倾向。当前尤其要纠正为了竞争市场,片面强调经济效益,任意减小系统容量的现象。4.光伏系统设计的常用依据是:按月能量平衡。5.合理使用和运行光伏系统：接入负荷精打细算。大功率电热设备、大

26、功率电动工具的使 用要严格。6.合理选择用电器具：尽量采用节能型和高效率电器产品，尽量使用直流负载设备。 科学 安排使用时间。三、独立光伏系统的设计方法及优化步骤（一）光伏发电提供所有能源场合的简易设计：由负载使用情况决定光伏系统容量1、负载估算 首先必须明确负载用电需求，获取以下几个方面的信息。?负载类型：用电等级，是否有瞬态过载需求，负载峰值需求，负载工作比（工作时 间），负载驱动形式（交流或直流） ；?负载系统额定电压，负载所允许的电压浮动范围；?平均每天负载量，平均月负载量；?全年的大体负载数据 。举例：微波工作站，其电压范围约为245V，平均每天的负载量100W，电流计算可得约4.1

27、7A，储备电能为15天用量。在确定总负载功率时，一定要详细列出各种用电负载的耗电功率、工作电压及平均每 天使用时数， 还要计入系统的辅助设备如控制器、 逆变器等的耗电量。 算出负载平均日耗电 量QL（Ah/d），然后计算月平均负荷数据， 特别要注意负荷的月平均数据同太阳能辐射的月 平均数据的差别， 某些时候有非常严重的偏差。2、储能设备（蓄电池）容量（QB）估算估算储能设备的容量，首先要决定由储能系统供电的自给天数n。自给天数即蓄电池维持天数，主要由负载的特性决定，通常情况下自给天数n取37天，而某些孤立通讯系统为了保证可靠性，通常采用非常保守的设计方案，要求存储15天（n=15）或以上的用电

28、量，提高系统利用率。自给天数越大，所需蓄电池的容量越大，当然系统成本就越高。储能设备（蓄电池）容量（QB）初步估算为：蓄电池容量=（自给天数X日平均用电量） 如果是连续使用的设备，知道负载电压，功率和工作电流等数据，蓄电池容量（QB）还可以初步估算为：蓄电池容量=自给天数X24hX系统电流还是以上述微波工作站举例，所需蓄电池容量为4.17AX24hX15（天）=1500Ah。另外，还需要根据蓄电池的工作电压V，设计蓄电池组的串并联排布情况。3、 太阳能板倾角初步估算（3）太阳能板倾角是太阳能方阵平面与水平地面的夹角。它的选择取决于安装地点的位置，一般初步估计倾角等于其地理纬度或者加减修正角度。

29、方位角在北半球朝南，向 赤道方向倾斜。独立光伏发电系统中光伏组件最佳倾角设计原则与并网光伏发电系统 不同。倾角设计的目标是在每月日辐射强度不均匀的情况下,平衡各月的平均发电量并满足发电量最少月份的用电需求。也就是说,在独立光伏发电系统中,并不是以年发 电量或总发电量最高为目标的。它更倾向于最坏情况计算,在日照充足的月份,部分可能的发电量被抛弃。太阳能电池板倾角的初步估算方法在前面讲述电池板有效入射太阳能辐射值估算时有提及。4、计算方阵面上太阳日照辐射量（RB）一般根据已有的太阳能辐照数据可以估算出投影在指定倾斜面上的辐照量（假设漫射 部分同倾斜角无关）。例如从已有日照数据中可以直接得到投射到水

30、平面上的月平均直射（S）和漫射（D）日照数据，可以根据各类公式得出投射到阵列上的总日照数，或根据已 有软件计算。漫射值根据情况计入，由于太阳能电池的光电转换效率随入射光强度降低快速 下降，因此如果在直射值S非常小，例如阴天的时候，漫射值的计入就没有太多意义。具体方阵面上太阳日照辐射量（RJ的估算可以采用式8-4或8-8,8-9等经验公式。在实际计算时通常将太阳日照辐射量装换为标准辐照强度下的小时数。即：Rb（h）=H1000这里RB是平均日照小时数，单位为小时，HT是方阵面上日照辐射量，单位通常为5、方阵面积及太阳能电池容量初步估算在组件效率一定的情况下， 方阵面积决定了太阳能电池的容量。方阵

31、面积的初步估算一 般有下面几个步骤：（1）先根据一般经验取值，计算每月的输出电能。选择安装总峰值电流（标准辐照下1000W/m2）为平均负载电流n倍（例如n=5）的太阳能电池板容量（记为Ap）为计算初始 值，原因：?夜间没有阳光?早上、傍晚以及多云天气光强减弱?蓄电池存在充电效率限制?蓄电池有漏电问题?灰尘会影响光线射入灰尘覆盖是导致光伏发电量下降的重要原因之一，根据经验可以记作约10%的遮光损失。相比灰尘，实际上鸟粪、落叶等小面积完全遮光的危害更大，会造成热斑效应，导致大 量能量损失。冬季雪覆盖影响也非常大，必须有效防止积雪等。每月输出电能Qg（用Ah估算）可以初步估算为：这里负载平均日耗电

32、量记为QL（Ah/d）,n为自给天数，假设蓄电池最初为满电状态（3）通过每月发电量（8-11）和每月用电量（8-12）的差，求出当月月底蓄电池的剩余电 量。每月月底蓄电池的剩余电量必须满足蓄电池放电深度的要求，也就是说蓄电池不能够完全放电。（4）对一年中的每个月重复上述（1）（3）的计算6.优化光伏阵列倾角保留太阳能板面积不变， 对光伏阵列倾角做以微调，然后重复上述步骤4以及5的（1）Wh/m2。Qg=Rb仓创).9 31(30)?Ap（RB转换为标准辐照的小时数）(8-11)（2）将每月负载用电量换算成 则每月负载用电量可表示为：Ah（安培小时）表示，蓄电池漏电损耗（可估算为3%5%）,QL

33、M=QL?31(0.03创JQLn)(8-12)（4）,得到当月月底的蓄电池剩余电量。如果将每月的剩余电量考虑为蓄电池的放电深度，也就是说当蓄电池的放电深度最小时为最优化结果，可得到最优化的光伏阵列倾角。7.优化阵列面积在确定了最佳倾角后，通过不断调整阵列面积，重复第5步（1）（4）的计算，以得出最优化的蓄电池放电深度。对一般铅酸蓄电池来说，放电深度控制在50%左右，偏差土2%。如果考虑到蓄电池的温度效应以及逆变器等线路损耗，可以将放电深度降低一些。这种简易计算方法较为简单，但也存在一定的局限性。首先必须要知道日光直射（漫射 数据）。其次，蓄电池容量的设计方法完全依靠经验取值，并没有考虑太阳能

34、辐射的变动情 况，在很多时候会造成蓄电池容量浪费或不足。在光伏系统中，随着电池成本的逐年降低， 蓄电池成本成为光伏成本中最大的一项， 而且蓄电池寿命短，很难保证在光伏系统有效运行年限（2025年）中不更换，因此很多时候需要一个更为精确的确定蓄电池容量的办法来配 套上述的独立光伏系统设计，这时候需要考虑光伏组件和蓄电池双重成本间的变换关系。下面介绍一种方法根据月负荷和月太阳能辐射数据的关系对蓄电池容量进行优化的独立光伏 系统设计方案。（二）光伏发电提供所有能源场合的简易设计2:由负载使用情况决定光伏系统容量，同时优化设计蓄电池容量。1、 负载估算和蓄电池维持天数n的初步估计方法同（一）中所述。2

35、、 太阳能板倾角初步估算（3）估算方法同（一）中所述。3、计算方阵面上太阳辐照量计算方法同前述方法是一样的。首先计算太阳能阵列倾斜面上的日辐照量R3,为了计算方便将其记为Ht（KWh / m2d）后，除以标准辐照度1000w/m2,得到当月平均日峰值日 照时数Tt,单位是小时h:由于Tt和Ht在数值上相等，为了简便计算，后面用单位化成（KWh / m2d）的Ht来代表Tt。4、计算各月发电盈亏量对于某个确定的倾角，方阵输出的最小电流应为：式中：QL是月负载耗电量；n1为从方阵到蓄电池回路的输入效率，包括方阵面上的灰尘遮 蔽损失、性能失配及老化、防反充二极管及线路损耗、蓄电池充电效率等。n2为由

36、蓄电池到负载的放电回路效率，包括蓄电池放电效率、控制器和逆变器的效率及线路损耗等。同样，对应于某个确定的倾角，也可由方阵面上各月平均太阳辐照量中的最小值Ht min得出方阵所需输出的最大电流为：方阵实际工作电流应该在Imin和Imax之间，先任意选取一中间值I最为方阵输出电流的初始值。则方阵各月发电量为Qg= NLl LHt_h1_h2?Ht(kwh/ m2)1000w/m2Ht(h)(8-13)QLIminH鬃hHtmax鬃1h2(8-14)maxQLHtmin鬃1h2(8-15)(8-16)式中N为当月天数，Ht为该月太阳平均日辐照量。 同时，估算各月负载耗电量为：Qc= N QL从而得到

37、各月发电盈亏量为：(8-17)Q= Qg- Qc如果Q0,则为亏欠量，表示该月发电量不足,5、确定累计亏欠量刀I-QiI以两年为单位，列出各月发电盈亏量。如只有一个(8-18)需要由蓄电池提供部分储存的电量。Q0的连续亏欠期，则累计亏欠量即为该亏欠期内各月亏欠量之和。如有两个或以上的不连续Q n，则增大电流I，重新计算，反之亦然。直到 山n,即得出方阵输出电流Im。7、求出方阵最佳倾角改变倾角，重复以上计算，进行比较，得出最小的方阵输出电流Im值，相应的倾角即为方阵最佳倾角3opt8、求出蓄电池及方阵容量蓄电池容量为：B=?-g(DOD)式中：(DOD)为蓄电池的放电深度，根据电池种类不同取值

38、，通常取 光伏方阵容量为：(8-20)0.3 0.8。P = k Im(-Vb+ Vd)(8-21)式中k为安全系数，通常取11.5,可根据负载的重要程度、参数的不确定性、温度的影响以 及其他所需要考虑的因素而定；Vb为蓄电池充电电压，Vd为防反充二极管及线路压降。9、决定最佳的蓄电池容量和光伏阵列容量的搭配比例改变蓄电池维持天数n,重复以上计算，可得到一系列B P组合。再根据产品型号及单价等因素，进行经济核算，最后决定蓄电池及光伏方阵容量的最佳组合。对该方法进行总结，设计步骤如下：+ 负载估算和指定蓄电池维持天数n;+ 任意选择方阵倾角3;+ 得到满足维持天数要求的方阵输出电流I。+ 改变方

39、阵倾角，求出满足维持天数要求的方阵最小输出电流Im，此时对应的3即为方阵最佳倾角3opt。+ 由此得出方阵和蓄电池容量。+ 改变维持天数n，可以得到一系列 容量。BP组合，最后确定最佳的蓄电池和方阵搭配除了这里介绍的两种独立光伏系统设计方案,还有其他很多修正后的计算设计方法。目前光伏系统设计的软件也非常多，很多时候只需要输入地点和负载要求就可以得到一个蓄电池和光伏阵列的容量配置。需要注意的是，不同的设计方案各有其侧重点，需要根据负载用电要求，用电等级等来选用合适的系统设计软件和参数。还有，对于独立光伏系统的设计， 一定要考虑工作稳定性和成本之间的平衡，否则需要对独立光伏系统的适用性进行验证。对

40、于恒定性负载设计的偏差比较下，但对于一些季节性负载， 特别是如光控照明系统等负荷量最大的季节刚好对应光辐照最低季节的场合，或者在冬季很长时间雪冻天气的地区，光伏阵列容量和蓄电池容量需要相当的大，造成夏季的严重浪费。(二)其他辅助能源存在的场合：混合光伏发电系统很多时候光伏阵列不能够满足负荷要求，比如受到发电成本和铺设地理环境等限制的时候，独立发电系统需要采用其他的能源作为补充。最有名的例子就是风光互补系统， 还有柴油/汽油光伏混合独立发电系统等。 对于某些偏远地区供电系统(Remote Area Power Supply: RAPS),采用柴油光伏混合或柴油风光混合发电是一个非常有效且可靠的供

41、电手段。1风光互补独立发电系统太阳能与风能在时间上和地域上都有一定的互补性。白天太阳光最强时，风较小；而晚上太阳落山后，风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，在冬季，太阳光强度弱而风大。因此 与独立的太阳能或者风能发电系统相比，采用风光互补发电具有明显的优势。另一方面，虽然风力发电的不确定性和稳定性较光伏发电更差，但风力发电的成本远低于光伏发电，因此采用风力发电对光伏发电作为补偿是一个降低系统成本的大好机会。关于风光互补发电系统的设计，各国公司都提出了很多设计软件，例如美国再生能源实验室开发的hybrid2应用软件等，国内中科院电工研究所也推出了小型户用风光互补发电系统匹配设计方法。风光互补发

42、电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。 风机和光伏电池通过控制器对蓄电池充电，通过控制器和逆变器对负载供电。图8-4给出了风光互补系统组成示意图。风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电或蓄电池充电；光伏发电系统单独向负载供电或蓄电池充电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电或蓄电池充电。图8-4风光互补系统组成示意图风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄

43、电池的容量；通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备 用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。独立风光互补发电系统在设计基本原理同独立光伏系统是一致的。首先根据用电负荷的特征，选择蓄电池维持天数， 然后根据太阳能和风能情况选择风机和光伏阵列容量，最后根据每月的发电用电盈亏值对系统配置进行优化处理。在最近审定的国标 离网型户用风光互补发电系统技术条件中对系统容量的选择也确定了原则。风光互补系统有两种设计模式， 分别是以风力发电为主体供电和以光伏发电为主体供电。从系统成本来说目前以风力发电为主体，光伏发电作补充的配置模式占有优势。但从系统稳定性

44、和安装条件限制来说，以光伏发电为主体的配置模式也有一定优势。风光互补系统设计要求确定以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置，风力发电优先时，首先根据负载需求和当地气象参数粗略选定风力发电机的容量，在充分利用当地风能的前提下，计算与选定风机容量相配的光伏阵列容量；然后对初始数据进行优化，优化的原则是月发电和用电盈亏量大致等于蓄电池维持天数。优化的步骤是逐步改变风机容量大小，再分别计算出与之相配的光伏阵列容量，这样可以得到几组不同的组合，最后进行价格评估选出投资成本最小的一组作为最优配置。光伏发电优先时，首先充分利用太阳能，选定光伏阵列容量，计算与之匹配的风机容量，最后进行优化。也可以对光伏

45、优先和风力优先的发电模式同时进行投资价格比较，最终确立最佳的系统配置和运行方式。系统总成本一般包括风机、光伏组件、蓄电池、控制保护监视以及其他电器、风机安装和光伏安装成本几大类。这里，一般以主体发电方式发电量最少的月份来配合计算辅助发电方式容量，初始值选定时要求发电量是最低用电量的约2倍（月平均值）。在某些场合安装条件限制了光伏阵列和风机的容量，例如太阳能路灯系统中光伏阵列面积和风机设置高度等，这就要求在设计系统配置时不能够超出安装要求。2、光伏礫油混合发电系统对于很多离网光伏发电系统或者离网风光互补发电系统来说，发电资源的不确定性导 致了系统供电不可能有电网供电的可靠性，为了弥补突发情况下的

46、电力供应不足，基本上都需要配备柴油或汽油发电机作为辅助电源。系统设计思路同风光互补系统是一致的，在初步估算光伏阵列容量和倾角的情况下给出柴油发电机容量，在逐步改变光伏阵列容量和倾角，得到不同的光伏容量和柴油发电量配置数据，最后根据系统成本取最优化的一组。一般初步估算的光伏容量按照利用率95%以上纯光伏系统进行估算，蓄电池维持天数根据负载特性 确定。注意柴油发电机选择功率时要尽量保证接近满负载运行。除了上面提到的两大类混合发电系统，目前处于研究阶段的还有小型水力发电，燃料 电池等发电系统组成的混合系统等。（三）特殊负载的场合：对于供电系统的稳定性有特殊要求，接近电网供电的场合，又不能配置其他辅助

47、发电设 备，就需要非常高的供电系统稳定性。衡量供电系统的稳定性能通常可用负载失电率LOLP（Loss-of-load-probability）来衡量。LOLP的定义为：LOLP =全年停电时间/全年时间（8-22）LOLP值在01之间，数值越小，可靠程度越高。如LOLP = 0，表示任何时间都能保证 供电，全年停电时间为零。常规电网对大城市供电也只能达到LOLP =10-3数量级。对于特殊负载，考虑负载流失概率LOLP对光伏系统进行设计。首先提出系统利用率的概念。系统利用率指（A）指系统能够满足负载需求的时间所占其总运行时间的比例。独立 光伏系统中，系统的利用率主要取决于蓄电池的容量，一般情况

48、95%，特殊情况99%以上。根据式8-22，LOLP同系统利用率关系为：LOLP =全年停电时间/全年时间=1-A（8-23）需要注意的是独立光伏系统完全保证100%LOLP是不可能的，负载失电率趋近与零的 时候系统的造价会呈指数级增长。 为了保证设计质量， 光照数据需要更为可靠， 很多时候甚 至仅凭全年最低辐照月份的数据来设计系统。此时的设计步骤是：?采用前述普通独立光伏系统的设计思路和优化设计步骤， 只是蓄电池的维持天数先用n = 0代入，使得各个月份的方阵发电量都大于负载耗电量，即可确定太阳电池方阵的容 量。?再根据当地的最长连续阴雨天数，作为蓄电池的维持天数n，确定蓄电池的容量。 可以

49、看出蓄电池和光伏阵列的配置都非常浪费。下面有一个简单的实例。为上海地区设计一套全天工作，失电率为零的独立光伏系统，负载平均每天耗电量为10W，工作电压取12V，试确定系统的容量。1）求出每天负载耗电量为20Ah。2） 以蓄电池维持天数n = 0代入,即可得到最佳倾角为47,方阵输出电流为10.46A,太阳电池方阵容量为204.9W。3） 根据上海地区最长连续阴雨天数为8天,用n = 8,并取蓄电池放电深度为0.6,求出蓄电池 容量为313.7Ah。 实际可采用2只12V-160Ah蓄电池并联使用。四、独立光伏系统设计常见误区及注意事项1.光伏发电系统必须根据负载和现场的地理及气象条件进行专门的

50、优化设计。2.日照时数与峰值日照时数不能混淆。3.方阵面应尽量朝南倾斜放置。4.方阵最佳倾角不单取决于纬度,会随不同的P-B组合而变化。5.P/B的比例并不固定。6.系统设计时不能只考虑某个月份的 辐照量。7.系统设计时应考虑各个月份的能量平衡。8.要注意方阵全年发电量和有效发电量 的区别，两者差别越小，系统设计得越好。9.蓄电池容量要恰当，并不是越大越好。否则可能造成与太阳电池方阵容量失配，因而经常充电不足,容易损坏。10.影响光伏发电量的因素很多，有的列出了十几个损失系数，在实际应用设计时，没有 必要一一考虑。11.在一定范围内， 有一系列PB组合都能满足负载的用电要求， 其规律是比较大的

51、光伏方阵与比较小的蓄电池容量相搭配，反之亦然。但n越大，B也越大，而P却减少得不多，在最终决定容量时要加以注意。五、独立系统设计的其他相关注意事项（一） 光伏系统的机械结构设计1.首先根据现场条件，确定太阳电池方阵的安装位置。要求方阵面上尽量不要有建筑物或 树木遮荫。 否则在遮荫部分， 非但没有电力输出， 反而要消耗电力， 形成局部发热， 产生 “热 斑效应” ，严重时会损坏太阳电池。2.根据优化设计得出的太阳电池组件数量和尺寸大小以及方阵最佳倾角，设计方阵支架。要求方阵支架牢固可靠， 要充分考虑到承重、 通风、抗震等因素。 在一些特殊地区， 如海边， 还要考虑防强风，防潮湿，防盐雾腐蚀等，有

52、时还要加设驱鸟装置。3.根据蓄电池的数量和尺寸大小，对安放蓄电池的房间进行总体布置，设计蓄电池的支架 及其结构，要做到连接线路尽量短，排列整齐，干燥通风，维护操作方便。4.合理进行配电房的布置，安排好控制器和逆变器的位置，尽量与蓄电池靠近，但最好又 能相互隔开。使得布局适当，接线可靠，测量方便。5 .对于重要或比较复杂的光伏系统，应当画出系统结构的平面或立体结构布置图。6.进行基础工程设计，特别要注意方阵支架的固定，接地线的安排等。有时还需要进行安 放蓄电池和控制和逆变器房间的设计及布置。（二） 电气设计1.根据优化设计得出的太阳电池方阵中组件的串并联要求，确定组件的连接方式，如串并 联组件数

53、目比较多时， 最好采用混合连接方式。 串联组件数目比较多时， 应该并联旁路二极 管。同时还要决定防反充二极管的位置及连接方法。 合理安排连接线路走向， 尽量采用最短 的连接途径。 确定分线盒和总线盒的位置及连接方式，决定开关及接插件的配置。根据光 伏系统各部分的工作电压及电流， 按照有关电工标准或规范， 选择采用合适的连接电线、 电 缆等附件。对于比较重要的工程,应该画出电气原理及结构图,以便于维修及检查。2.控制器 按照负载的要求和系统的重要程度，确定光伏系统控制器应具有的充分而又必要的功 能，并配置相应的控制器。 控制器功能并非越多越好，否则可能不但增加了成本，而且还 增添了出现故障的可能

54、性。3.逆变器对于交流负载， 必须配备相应的逆变器。 通常光伏方阵的工作电压， 要根据逆变器的要 求来决定。 一般情况下， 逆变器的额定功率应稍大于负载的功率;根据安装要求注意逆变器 是否隔离，直流输入端能否接地。4.“三遥”功能 对于大型或重要的实验光伏系统，常常要求具有遥测、遥控和远程通讯的功能，这就需 要配备合适的设备。 对于一般系统,除非十分必要，不必考虑。5.防雷装置对于大型或安装在高山上的光伏系统， 特别是在雷暴多发地区， 必须配备防雷装置。 防 雷装置接地必须可靠。（三） 热环境设计1.对于太阳电池方阵，应尽量降低其工作温度，特别是在南方，要注意采取适当的降温措 施，如:组件之间

55、保持一定间隔，方阵与其他物体之间留有相当距离，以便通风。2.在连接线路时，要考虑温度的影响，尤其在夏天安装时，连线不要太紧，以免天冷时发 生断裂。3.蓄电池在温度降低时，输出容量会受到影响。在2 0C以下时，温度每降低10C,容量要下降1%。尤其是在北方，冬天低温会对蓄电池容量产生严重影响，必须采取一定措施， 如:加热、保温或埋入地下等。同时也要注意，并不是温度越高，对蓄电池越有利，温度过 高时，蓄电池会发生自放电增加，极板消耗加速。（四）其它设计1.标准化设计2.备品、备件设计3.包装、运输设计4.施工设计5.竣工验收设计6.人员培训设计7.有时还需要辅助能源设计8.3并网光伏发电系统设计一

56、、并网光伏系统设计概述并网发电系统相对于离网系统来说有非常大的优势，目前国内外重点发展的光伏系统还 是并网系统，主要有中小型直接给负荷供电的并网系统以及集中光伏电站两大类。 并网光伏 系统的主要优势在于： 不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题； 光伏电池可以始终运行 在最大功率点处， 由大电网来接纳光伏电池产生的全部电能， 提高了光伏发电利用率； 节省 了蓄电池等储能环结， 降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了储能系统的运行和维 护费用，消除了废旧蓄电池带来的间接污染等，这是并网系统最大的优点。 当然， 并网光伏发电也存在不可避免的缺陷，最大的问题就是会导致电网不稳定。由于光伏发电的随

57、机性， 如果光伏发电占有比例过大会造成电网调度困难， 例如出现突发气象问题， 电网不稳定。 由 于光伏发电自身不具备调峰和调频能力， 很多时候还是要加入储能系统， 这有助于光伏发电 的并网运行。并网发电系统有多种运行模式，主要有：1.发电自用，不足部分用电网补充；2.发电自用，不足部分用电网补充，剩余部分送入电网；3.发电全部送入电网；4.发电不稳定，对电网供电质量会造成影响；常见的并网光伏发电系统有以下几种：光伏建筑：数kw数十kw不等（少数可达数百kw） 光伏建筑一体化： 光伏电池的安装需要根据建筑形状进行， 有外观要求， 不能保证发电 量最大化;建筑空间的光伏阵列：例如屋顶光伏计划;家庭

58、独户发电系统。大型（集中）光伏电站（LPVGS）（数百kw数Gw）：需要大的土地面积。国外家庭独户发电系统占有比例大， 我国是屋顶光伏计划等小型自发自用电站和集中 光伏电站两大类占了主体地位。一个典型的小型自发自用并网电站的组成如下：1.太阳能电池组件及其支架；2.光伏阵列防雷汇流箱；3.直流防雷配电柜；4.光伏并网逆变器；5.系统的通讯监控装置；6.系统的防雷及接地装置；7.土建、配电房等基础设施；8.系统的连接电缆及防护材料；一个典型1Mw中型并网电站的组成如下：1.太阳能电池组件及其支架；2.光伏阵列防雷汇流箱；3.直流防雷配电柜；4.光伏并网逆变器（带工频隔离变压器） ；5.10KV升

59、压站；6.系统的通讯监控装置；7.系统的防雷及接地装置；8.土建、配电房等基础设施；9.系统的连接电缆及防护材料；相对于自发自用的小型并网系统，大（中）型光伏电站还具有以下一些特点：1.在发电侧并网，电流是单方向的；大多数情况都没有储能系统；2.并入高压电网，主要有10kV，35kV，110kV等；3.不能自发自用和采用“净电表计量” ，只能给出上网电价；4.少量自用电直接从电网取（一般低于1%）；5.功率较大，一般1MW以上；6.一般都是无人值守，且占用荒地；7.希望离负荷中心较近，就地消化，尽量避免长距离输电。当然某些大型集中电站会修建 在远离用电侧的沙漠等荒地，对电网要求更高；8.会采用

60、自动跟踪或聚光电池，多用于荒漠电站；9.多数带有气象和运行数据自动监测系统和远程数据传输系统。二、并网光伏系统设计原则由于电网可以随时补充电力,不用受到蓄电池容量限制， 因此自发自用的并网发电系统 中光伏电池方阵的设计不必要像独立系统那样严格。 不用考虑每月的发电用电盈亏， 通常情 况太阳电池方阵的安装倾角应该是以全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度。1、常用光伏方阵容量和倾角的计算方法并网发电系统需要预估光伏方阵容量主要是为了确认发电成本和确定电网供电比例。 最 简单的估算方法就是查阅数据表直接确定方阵倾角， 然后根据平均日照时数或光辐照量进行 计算。这种方式光伏系统的发电量可能不是最大发