光伏发电系统设计

10/16/2026110/16/20262光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计光伏系统容量设计的主要目的，是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在最大可靠性基础上尽量减少系统成本。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；该地区的气象资料10/16/20263•太阳电池组件设计的一个主要原则是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求，同时保证在天气条件有别于平均值的情况下协调工作。•设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要，要考虑在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电，全年都能达到全满状态。这样可以延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。10/16/20264蓄电池的设计要保证在太阳光照连续低于平均值的情况下，负载仍可以正常工作。假定开始时蓄电池是充满电的，在光照度低于平均值的情况下，太阳电池组件产生的电能不能填补负载从蓄电池消耗的能量，蓄电池处于未充满状态。如果第二天光照度仍然低于平均值，负载仍然要从蓄电池消耗能量，蓄电池的荷电状态继续下降。为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能够允许持续一定的时间。10/16/20265•为了量化评估太阳光照连续低于平均值的情况，需要引入一个参数：自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下，负载仍能正常工作的天数。•自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。要求不很严格的光伏应用，自给天数为3～5天；要求很严格的光伏应用系统，自给天数为7～14天。10/16/20266QL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；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。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。10/16/20267（2）蓄电池串并联串联蓄电池数= 串联蓄电池数=蓄电池标称电压并联蓄电池数目串并联蓄电池总数选择大容量的蓄电池，减少使用组数。并联的数目不要超过4组。10/16/20268例1：乡村小屋的光伏供电系统。该小屋只是在周末使用，可以使用低成本的浅循环蓄电池以降低系统成本。该乡村小屋的负载为90Ah/天，系统电压为24V。我们选择自给天数为2天，蓄电池允许的最大放电深度为50％，那么：蓄电池容量＝2天×90Ah/0.5＝360Ah如果选用12V/100Ah的蓄电池，那么需要该蓄电池例2:率为90%,输入电压为24V,为5天，使用深循环电池，放电深度为80%,则串联蓄电池数=24V/2V=12(个)并联蓄电池数=2893.51/400=7.23,取整数为8。该系统需要使用2V/400A·h的蓄电池个数为：12串联×8并联=96(个)910/16/202610公式设计修正•蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放蓄电池的放电率影响：蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。光伏系统的平均放电率公式如下：平均放电率(小时)=自给天数X负载工作时间/最大放电深度10/16/202611负载工作时间:对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数；对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下：加权平均负载工作时间=Σ负载功率X负载工作时间/维定容量的百分比(%)维定容量的百分比(%)蓄电池工作温度℃10/16/202613环境温度影响•蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。•设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（25℃)下蓄电池参数计算出来的容量要大。•低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久0010/16/202615-10℃以上取1.110℃以下取1.2；10/16/202616串联组件数量Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/UocUR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。10/16/202617并联的组件数量＝日平均负载（Ah）组件日输出（Ah)串联组件数量光伏组件设计的修正a.将太阳电池组件输出降低10%b.将负载增加10%考虑了上述因素，对简单的太阳电池组件设计公式进行修正，得到下面的修正公式1：并联的组件数量=串联组件数量= 并联的组件数量=串联组件数量=库仑效率组件日输出（Ah)衰减因子10/16/202618太阳能电池组件并联数Np修正公式2：）：H=Ht×2.778／10000h（3）辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下10/16/202619下的电压会随着温度的升高而降低。根据这10/16/202620光伏组件方阵设计1000W/m2照射的小时数，将该小时数乘以太阳电池组件的峰值电流就可以估 可以将其写成5.0h×1000W/m2。对于典型的75W太阳电池组件（Ump=17V总的太阳辐射，将其转换为峰值小时，估算会池组件的输出和光照完全成线性关系，并假设(1)平均日太阳辐射3.0kW·h/m²,组件日输出=4.4A×3.0峰值小时=13.2A·h/天(2)并联组件数量=库仑效率×组件日输出(Ah)×衰减因子10/16/202622②太阳能电池组件日发电量QpKop为斜面修正系数（参照表1）；充电效率等的损失，一般取0.8。10/16/20262310/16/202624•Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)10/16/202625例1、以广州某地面卫星接收站为例，负载电压为天为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38D975×400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，最佳池容量。610/16/20262610/16/202627Bc=A×QL×NL×To/CC=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75=1200Ah因为：Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋UC）/Uoc=（14＋0.7＋1）/17.1=0.92≈1=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.8≈5.29Ah=1.2×(25/12)×24×15=900AhQL=(25/12)×24=50AhNp=（Bcb＋Nw×QL）/(Qp×Nw）=(900+30×50)/(5.29×30)≈151、水平面上的太阳辐射转换成斜面上太阳辐射数据倾斜面上的太阳辐射总量Ht由直接太阳辐射量Hbt、天空散射量Hdt和地面反射量Hrt三部分组成。Ht=Hbt+Hdt+Hrt定义Rb=Hbt/Hb，Rb为倾斜面上直接辐射量Hbt与水平面上直接辐射量Hb之比。Rbcos(Ls)cossinhs'()hs'sin(Ls)sincosLcossinhs()hssinLsin上式中，s为太阳电池组件倾角；δ为太阳赤纬；hs为水平面上日落时角；hs’为倾斜面上日落时角；L为当地纬度。太阳赤纬δ是太阳光线与地球赤道面的交角，变化范围±23°27′。计算公式：δ=23.45sin(360×（284＋n）/365）式中n为一年中的天数。水平面上日落时角hs的表达式如下：hs=cos-1(-tanLtanδ)倾斜面上日落时角hs’的表达式如下：2、倾斜面上太阳辐射量计算对于天空散射采用Hay模型。Hay模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表示为：HdtHd[Rb0.5(1)(1coss)]式中，Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量；H0为大气层外水平面上太阳辐射量，其计算公式如下H0Isc[10.033cos()][cosLcossinhs()sinLsin]Isc为太阳常数，可以取Isc=1367W/m2。对于地面反射辐射量Hrt，其公式如下Hrt=0.5ρH（1－coss）式中，H为水平面上总辐射量；ρ为地物表面反射率。这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式为10/16/6HbRbHd[Rb0.5(1)(1coss)]0.5H(1coss)3010/16/202631根据以上公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化为斜面上太阳辐射数据，基本的计算步骤如下：①确定所需的倾角s和系统所在地的纬度L。②找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料H。③确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角hs和倾斜面上的日落时间角hs’，这两个几何参数只与纬度和日期有关。④确定地球外的水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射H0，该参量取决于地球绕太阳运行的轨道。⑤计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb。⑥计算直接太阳辐射量Hbt。⑦计算天空散射辐射量Hdt。⑨将直接太阳辐射量Hbt、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt相加，得到太阳辐射总量Ht。对于负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统，太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大。为此，引入一个量化参数，即辐射累积偏差△,其数学表达式为H为倾角β斜面上各月平均太阳辐射量；H为该斜面上年平均太阳辐射量；M(i)为第i月的天数。△的大小直接反映了全年辐射的均匀性，△越小辐射均匀性越好。按负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统的要求，理想情况是选择某个倾角使得H₁为最大值、△为最小值。但实际情况是，二者所对应的倾角有一定的间隔，因此选择太阳电池组件的倾角时，只考虑H₁₃大值或△取最小值必然会有片面性，应当在二者所对应的倾角之间进行优选。为此，需要定义一个新的量来描述倾斜面上太阳辐射的综合特性，称其为斜面辐射系数K,其数学表达式为式中，H为水平面上的年平均太阳辐射量。由于H和△都与太阳电池组件的倾角有关，所以当K取极大值时，应当有求解上式，即可求得最佳倾角。10/16/2026335、我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角φ+3φ+3φ+1φ+2φ+1φ+4φ+4φ+6φ+5φ+7φ+3φ+7φ+5φ+6φ+12Φ-7φ+1Φ+12φ+8φ+5φ+2φ+2φ+14φ+8φ+3Φ-8φ+5Φ-8φ+910/16/20263410/16/202635并网光伏系统的最佳倾角在并网光伏系统中如何选择最佳的倾角使太阳电池组件全年的发电量最大是主要问题。通常该倾角值为当地的纬度值。最佳倾角的选择都是需要根据实际情况进行考虑。①安装地点的限制--（BIPV）工程②建筑的美观度10/16/202636•纯并网光伏系统，系统中没有使用蓄电池，太阳电池组件产生的电能直接并入电网，系统的直接给电网提供电力。•具有UPS功能的并网光伏系统，这种系统使用了蓄电池，所以在停电的时候，可以利用蓄电池给负载供电，还可以减少停电造成的对电网的冲击。•并网光伏混合系统。它不仅使用太阳能光伏发电，还使用其他能源形式。10/16/202637太阳电池太阳电池①①②①①②②②③③图4-12逐月平均太阳能方阵的太阳辐射一时间曲线ArayPerermanceAnalyi图4-13逐月平均太阳能方阵电流一时间曲线AayPrrmamAalyhDN0e字字10/16/202640图4-16太阳电池温度、环境温度一时问曲线CAPACITY(kwh)CAPACITY(kwh)图4-17晴天太阳能方阵日输出图图4-19雨天太阳能方阵日输出图4110/16/2026