太阳能发电系统设计

第5章太阳能光伏发电系统设计太阳能光伏发电系统在各种场所都可以安装，因此必须根据安装地点进行设计。在设计前，应先估算太阳能光伏电池的发电量，在此基础上进行具体的系统设计、安装可能性判断、施工上的问题检查等。5.1太阳能光伏发电系统的概念设计48*1.43=68.64/34.5=2(并联组件数）

2.89*5.17*(0.9*0.85*0.9)=10.892207（组件平均日发电量）4596*1.05/48=100.5375（负载日平均耗电量）100.5375/10.892207=10（串联组件数）蓄电池安全系数为1.25.1.1发电量的计算步骤作为独立电源用的太阳能光伏发电系统(PV系统)的设计，以从所需电量（负载消耗的电量）计算出太阳能电池容量作为标准方法（见图5.1）。但是，在并网系统的场合，发电电量和所使用的电量之间没有相互限制关系，因此由安装场地（面积）决定系统容量的场合较多。所以，首先充分估计出太阳能电池安装场地面积，然后计算出太阳能电池的容量，在此基础上进行系统的整体设计。下面先介绍标准的设计方法，接着结合具体实例介绍计算方法。

太阳能电池容量和负载消耗电量之间的关系可用下式表示：峰值日照时数式中的综合设计系数K又分为各种系数，这里仅就直流补正系数Kd、温度补正系数Kt及逆变器效率ηINV进行介绍。直流补正系数Kd含有因太阳能电池表面的沾污、太阳的日照强度变化引起的损失的补正，以及太阳能性能变差引起的补正，Kd的值大约在0.8左右。温度补正系数Kt是太阳能电池因受到日照其温度上升导致变换效率发生变化引起的补正系数，它的值约为0.85。还有，逆变器的效率ηINV是指将太阳能电池产生的直流电变换为交流电的逆变器效率，通常为0.9左右。在住宅等处安装太阳电池阵列的场合安装面积受限制，因此从安装面积可以算出太阳电池的容量，再使用上式可以算出期望的发电量。在式(5.1)中把消费电能EL用1天的期望发电量EP（kW.h/日）代替，并设标准状态下的日照强度Gs为lkW/m2，依存率D和设计冗余系数R皆为1，则式(5.1)变为下式：式中，若已知安装场地的日照量HA，标准太阳能电池阵列的输出功率PAS以及综合设计因数K，就可以计算出期望发电量。下面就太阳能电池阵列的变换效率进行介绍。标准状态下的太阳能电池阵列的变换效率η，可用式(5.1)表示为式(5.3)，这里A代表太阳能电池阵列的面积太阳能电池单元和太阳能电池组件的变换效率同样用上式计算，因多数场合为简单起见称为变换效率，但研究时应区别对待。一般这些变换效率之间有如下关系：（太阳能电池单元的η）>（太阳能电池组件的η）>（太阳能电池阵列的η）5.1.2发电量的计算实例（倾斜住宅屋顶的场合）假想在个人住宅屋顶上进行PV系统设计。作为研究的屋顶有山墙（朝南方向45m2）和四坡屋顶（梯形，西南28m2，东面和西面各l9m2），作为计算前提假定以下条件：①正朝南屋顶倾斜角为30度。②日照数据取东京的各月的平均值。③太阳能电池组件：标称最大输出功率102W;

标称最大输出工作电压34V；尺寸885mmX990mm。④功率调节器的直流额定输入电压200V。⑤功率调节器的交流额定输出电压210V/105V，单相三线制。

最初，功率调节器的输入电压为200V，与太阳能电池阵列的输出电压一致，求出组件串的太阳能组件的串联个数。因为每个太阳能电池组件的标称最大输出工作电压为34V，所以串联数为6个（200V/34V=5.88）。这一组件串的输出功率为612W（102*6），输出电压为204V（34*6）。

首先考虑山墙的场合，从安装面积来看可以并联安装5组，得到标准太阳能电池阵列的输出功率为3kW(5*6*102)。屋顶上安装的假想图如图5.2(a)所示。将可用面积布满电池阵列，但要是6的倍数，之后进行串并联，即6个一组进行并联。其次考虑从这太阳能阵列可以供给多少发电量。由式(5.2)，例如一月份的场合，阵列面的日照量数据为3.93kW.h/日，综合设计系数为0.65，这样一天内可供给发电量为7.7kW.h/日。EP=3.93*0.65*3=7.6635同样的方法，如表5-1所示，推导得到各月的平均的发电量，这里的综合设计系数，因为夏季（5～9月）和冬季比较由于温度上升而输出功率下降比较大，所以夏季取为0.60，冬季取为0.65。还有这里的平均发电量估算，没有考虑周围建筑物和树木的情况，预计这些阴影也会影响太阳能电池组件的发电量，所以有必要考虑。

另外，四坡屋顶的场合屋顶形状为梯形，所以在一面屋顶最多串联安装2组。因此忽视输出功率的一些下降，在东向、西向的屋顶上也安装太阳能电池，可以得到标准太阳能电池阵列输出功率为2.4kW(6*4*102)。四坡屋顶上安装的假想图如图5.2(b)所示。如果将太阳能电池东西向安装，那么它的输出比正南方向降低20%左右。这个例子中1／2的太阳能电池被东西向分开安装，因此实际的最大总输出功率估计在2.2KW(1.2+1.2*80%=2.16)左右。

EP=3.93*0.65*2.2=5.6199

按照上面的步骤计算出太阳能电池的容量后，可以选定适合该系统的功率调节器。选定功率调节器的时候，把太阳能电池的额定输出电压和功率调节器的直流输入电压相比较的同时，也要比较考虑温度条件等的太阳能电池的输出电压范围和功率调节器的直流输入电压范围。关于输出容量，应选择与太阳能电池相同的功率调节器，但实际上在市场销售的产品中选择容量有一定富裕的功率调节器。5.1.3发电量的计算实例（地面或平屋顶住宅的场合）这里假定在平坦的地面上和平屋顶上安装太阳能电池阵列的设计。试安装标准太阳能电池阵列输出功率为10kW的太阳能电池阵列时，作为计算前提假定如下条件：①正南方向，倾斜角为30°（30°左右年间发电量为最大）②日照数据使用东京的各月的平均值。③太阳能电池组件：标称最大输出功率50W;

标称最大输出工作电压17.5V;

尺寸400mm×1000mm。④支架间隔：保证在冬至的午前9时至午后3时期间后面的阵列对前方的阵列不形成阴影。⑤功率调节器的直流额定输入电压为300V。

首先，为了将直流回路电压调至DC300V，求出组件串内的太阳能电池组件的串联数。一个太阳能电池组件的标称最大输出电压为17.5V，那么一组件串中的串联数为18个(300/17.5=17.14)，该组件串的输出功率为900W，输出电压为315V。为了总输