太陽能離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材

1、離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)離網(wǎng)系統(tǒng)方案一、 項(xiàng)目基本信息客戶信息項(xiàng)目名稱兆維信源監(jiān)控供電項(xiàng)目地址內(nèi)蒙古烏蘭察布盟客戶名稱客戶地址電話傳真郵箱備注設(shè)計(jì)方信息公司名稱北京康利亞科技有限公司公司地點(diǎn)北京昌平設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)間2013-9-26電真郵箱備注二、現(xiàn)場(chǎng)信息工程位于內(nèi)蒙古 烏蘭察布市/化德內(nèi)，北緯41.9°，東經(jīng)114°，海拔1484m。通過國際通用衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫得到以下氣象信息，作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。月份水平面上的平均日輻射風(fēng)速大氣壓力月平均溫度(kWh/m²/日)(米/秒)(KPa)()一月2.513.987.33-14.6二月3.493.987.25-

2、11三月4.84.287.01-4.1四月5.984.786.734.9五月6.554.186.6412.2六月6.453.686.416.9七月6.022.986.3819.1八月5.412.786.7217.6九月4.813.187.1112十月3.733.687.394.4十一月2.69487.43-5.2十二月2.23.987.46-12.4年平均4.553.7286.993.32三、負(fù)載統(tǒng)計(jì)3.1 統(tǒng)計(jì)方式統(tǒng)計(jì)方式分為按年統(tǒng)計(jì)、按季度統(tǒng)計(jì)、按月統(tǒng)計(jì)三種，負(fù)載全年用電均衡可直接按年統(tǒng)計(jì)，各月或各季度用電差別大可按月或按季度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，考慮工程實(shí)際情況，此處按年統(tǒng)計(jì)。3.2負(fù)載類型負(fù)載類型

3、分為普通性負(fù)載和特殊性負(fù)載，普通性負(fù)載和特殊性負(fù)載的區(qū)別在于對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性的要求，普通性負(fù)載允許全年中存在缺電的現(xiàn)象，而特殊性負(fù)載要做到全年一分鐘都不停電，比如極為重要的通信設(shè)備、災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器、軍用裝備等。特殊性負(fù)載的太陽能供電系統(tǒng)投資要遠(yuǎn)大于普通性負(fù)載，所以在選擇負(fù)載類型時(shí)要確定負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)可靠性的要求，避免造成不必要的浪費(fèi)?？紤]工程實(shí)際情況，將負(fù)載作為特殊性負(fù)載設(shè)計(jì)。3.3負(fù)載統(tǒng)計(jì)負(fù)載統(tǒng)計(jì)列表負(fù)載名稱負(fù)載類型負(fù)載數(shù)量額定功率(W)每天工作時(shí)間工作電壓可能起始工作時(shí)間可能終止工作時(shí)間全年槍機(jī)監(jiān)控感性負(fù)載12424 小時(shí)DC 12V0 點(diǎn)23 點(diǎn)四、系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化的主要目的是得到各月傾

4、斜面上的平均輻射量Ht、最佳的陣列傾角best、最佳工作電流I best、蓄電池理論容量B，以下對(duì)相關(guān)計(jì)算做如下介紹：1、各月傾斜面上的平均輻射量Ht任意傾角任意方位的光伏陣列傾斜面月平均輻射量采用Klein和Theilacker(1981)提出的天空各向異性模型，此種計(jì)算方法是國際上公認(rèn)及最常用的計(jì)算方法，模型做以下簡述，詳細(xì)請(qǐng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，具體內(nèi)容不再贅述。公式4、Ht = Hbt + Hdt + Hrt公式5、Ht1 = f(，N，E，Hbt，Hdt)公式6、Ht2 = f(，N，E，Hbt，Hdt)公式7、Ht3 = f(，N，E，Hbt，Hdt)注：具體解釋、定義及圖釋Ht傾斜面上的

5、月平均輻射量Ht1固定式傾斜面上的月平均輻射量Ht2單軸跟蹤傾斜面上的月平均輻射量Ht3雙軸跟蹤傾斜面上的月平均輻射量Hbt直接太陽輻射量Hdt天空散射輻射量Hrt地面反射輻射量 傾斜面與水平面之間的夾角傾斜面的方位角地面反射率，取值為0.2(見附表)N當(dāng)?shù)鼐暥菶當(dāng)?shù)亟?jīng)度不同地表狀態(tài)的反射率地面狀態(tài)反射率地面狀態(tài)反射率地面狀態(tài)反射率沙漠0.240.28干濕土0.14濕草地0.140.26干燥地帶0.10.2濕黑土0.08新雪0.81濕裸地0.080.09干草地0.150.25冰面0.692、最佳的陣列傾角best、最佳工作電流I best、蓄電池理論容量B計(jì)算建立了模擬電流及傾角的數(shù)學(xué)模型，對(duì)

6、某一傾角下的電流模擬，得到最佳電流I best，對(duì)所有傾角模擬，得到最優(yōu)傾角best，確保了計(jì)算的精確性。以下列出了最佳電流、最佳傾角的邏輯關(guān)系式及計(jì)算公式。公式8、I best = f ( D1，D， ，Imin，Imax，0.01) 公式9、best = f( I best，n ) 公式10、Bt = |-Qi+QL| / (DOD*2)公式11、D1= |-Qi| / QL公式12、QL=(P * h)/ U 公式14、Q=Qg-Qc Qg=N*I*Ht*1*2 Qc=N*QL公式15、Imin=QL/(Htave*1*2) 公式16、Imax=QL/(Htmin*1*2)I best方

7、陣某一傾角或跟蹤方式下的最佳電流(改變I得到I best的循環(huán)函數(shù))best最佳傾角，注：雙軸跟蹤時(shí)無此計(jì)算(改變得到best的循環(huán)函數(shù))Bt蓄電池理論額定容量U蓄電池工作電壓QL各月負(fù)載平均日耗電量D蓄電池維持天數(shù)Qg方陣各月發(fā)電量Qc負(fù)載各月耗電量Q蓄電池各月盈虧量(當(dāng)特殊性負(fù)載時(shí)，即全年各月Q0)|-Qi|蓄電池各月累計(jì)盈虧量 (以24個(gè)月為單位)i 24組蓄電池累計(jì)盈虧量Imin方陣輸出的最小電流Imax方陣所需輸出的最大電流I方陣實(shí)際工作電流(在I(max)與I(min)之間，每次循環(huán)增加0.01)1從方陣到蓄電池輸入回路效率；2蓄電池到負(fù)載的輸出回路效率；Htmin方陣面上12個(gè)月

8、中平均太陽輻照量的最小值Htave方陣面上12個(gè)月中平均太陽輻照量的平均值N當(dāng)月天數(shù)Ht該月傾斜面上的太陽輻照量D1與維持天數(shù)的比較值(D1與D相比較,接近最最佳電流)DOD蓄電池的放電深度P負(fù)載額定功率h負(fù)載工作時(shí)間4.1 跟蹤方式確定陣列的跟蹤模式分為平鋪固定、傾角固定、單軸跟蹤、雙軸跟蹤四種方式，此處采用傾角固定式。根據(jù)上述公式計(jì)算及綜合考慮，陣列傾角為51°，陣列方位為0°。4.2 最佳電流、蓄電池容量計(jì)算在蓄電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。通常普通太陽能蓄電池放電深度在50%80%，若放電深度超過標(biāo)定值，蓄電池性能和壽命將受到很大影

9、響。根據(jù)工程實(shí)際情況確定放電深度為75%。蓄電池維持天數(shù)即在連續(xù)陰雨天情況下，蓄電池可維持系統(tǒng)運(yùn)行的天數(shù)。提高蓄電池維持天數(shù)可提高系統(tǒng)的可靠性，但也會(huì)相應(yīng)的增加投資，根據(jù)當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天數(shù)，確定蓄電池維持天數(shù)為10天。例如學(xué)校、部分企業(yè)等周末幾乎無需供電的單位，可通過設(shè)置負(fù)載每周工作天數(shù)來減少不必要的投資，做到供電系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)工程需要，此處確定每周工作天數(shù)為7天。根據(jù)上式計(jì)算得到最佳電流為11.6026A，蓄電池理論容量為666.67A·h，理論維持天數(shù)為10天。月份水平面上的日輻射量(kWh/m²/日)陣列傾斜面上的日輻射量(kWh/m²/日)一月2.5

10、15.33二月3.495.74三月4.86.13四月5.986.05五月6.555.64六月6.455.22七月6.025.01八月5.415.05九月4.815.48十月3.735.57十一月2.695.27十二月2.25.04五、蓄電池設(shè)計(jì)蓄電池設(shè)計(jì)主要是根據(jù)選擇的蓄電池確定蓄電池組的串聯(lián)數(shù)及蓄電池組的并聯(lián)數(shù)，計(jì)算過程中需要考慮溫度及放電率對(duì)蓄電池的影響，以下對(duì)蓄電池組的串聯(lián)數(shù)Nc、蓄電池組的并聯(lián)數(shù)Qc及蓄電池選擇的原則做簡要介紹：公式1、Nc= Bc/C公式2、Qc=U/Udc公式3、Bc=Bt*(1 - (25-E)*)*)原則 1、C* QcBc原則 2、Udc* Nc= UNc蓄電

11、池組串聯(lián)數(shù)Qc蓄電池組并聯(lián)數(shù)Bc蓄電池組修正后的需求容量C蓄電池額定容量U蓄電池組電壓Udc蓄電池額定電壓Bt蓄電池組理論額定容量E冬季蓄電池工作溫度溫度對(duì)容量的修正系數(shù)(n10 =0.006 ，10n1 =0.008，n1 =0.01)放電率n對(duì)容量的修正系數(shù)(見附表)放電率n對(duì)容量的修正系數(shù)(插入取值)放電率1234567891012240.510.610.750.780.830.890.900.930.9711.051.1一般而言，深循環(huán)蓄電池的最大允許放電深度為80。如果在嚴(yán)寒地區(qū)，就要考慮到低溫防凍問題對(duì)此進(jìn)行必要的修正。如果放電率偏離額定容量的放電率過大，也需要進(jìn)行放電率修正。設(shè)計(jì)

12、時(shí)可以適當(dāng)?shù)男拚铍姵氐娜萘浚匝娱L蓄電池的使用壽命。當(dāng)溫度降低的時(shí)候，蓄電池的容量將會(huì)減少。溫度修正的作用就是保證安裝的蓄電池容量要大于按照25標(biāo)準(zhǔn)情況算出來的容量值，從而使得設(shè)計(jì)的蓄電池容量能夠滿足實(shí)際負(fù)載的用電需求。放電率是考慮到過快的放電率無法從蓄電池中得到額定的容量，而慢的放電率將會(huì)從蓄電池得到更多的容量。使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，可以選擇適于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的在指定放電率下的合適蓄電池容量。所以使用修正后的需求容量與蓄電池實(shí)際總?cè)萘窟M(jìn)行比較，使設(shè)計(jì)更為精確。5.1 蓄電池選擇蓄電池選用12180型號(hào)蓄電池，具體參數(shù)如下：蓄電池參數(shù)額定電壓 V12長 mm522±310h率容量(25)

13、180寬 mm240±2單體電壓 V2高 mm218±2單體數(shù)量6重量 kg65.5單體均充電壓 252.36比重 kg/kWh32.98溫度補(bǔ)償 mV/單體-4比容量 Wh/kg30.325.2設(shè)計(jì)結(jié)論共用12180型號(hào)蓄電池4塊，1串4并，接入控制器。根據(jù)蓄電池冬季工作溫度為5，負(fù)載平均放電率為320h，得到：蓄電池修正后需求容量為678.79Ah蓄電池實(shí)際總?cè)萘繛?20Ah滿足設(shè)計(jì)要求蓄電池組電壓為12V蓄電池串聯(lián)電壓為12V滿足設(shè)計(jì)要求六、組件方陣設(shè)計(jì)組件方陣設(shè)計(jì)主要是根據(jù)選擇的組件確定組件的串聯(lián)數(shù)及組件的并聯(lián)數(shù)，計(jì)算過程中需考慮組件工作溫度對(duì)組件電性能參數(shù)的影響，

14、以下對(duì)組件的串聯(lián)數(shù)Ns、組件的并聯(lián)數(shù)Np及組件選擇的原則做簡要介紹：公式1、Ns =( Uf + Ud +Uc)/ Vmp ( f )公式2、Np = Ibest / Imp公式3、f = fe + K * S公式4、Vmp ( f ) = Vmp ( 1 + T ) ( e + S )公式5、T = T T ( f )公式6、S = S / S ( f ) 1原則1、Ns * Vmp ( f ) Nc * Uf + Ud + Uc原則2、Np * Imp I bestNs組件串聯(lián)數(shù)Np組件并聯(lián)數(shù)Nc蓄電池串聯(lián)數(shù)Imp組件最大功率時(shí)電流Uf 蓄電池均充電壓Ud二極管壓降Uc其他因素引起的壓降f

15、為組件的工作溫度fe為任意的環(huán)境溫度S為傾斜面輻照度K0.025/WVmp(f) 任意溫度及輻照度時(shí)組件最大功率時(shí)電壓(此處取冬季溫度)Vmp標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的最大功率時(shí)電壓T標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下組件工作溫度25T(f) 任意組件工作溫度(此處取冬季溫度)S標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的輻照度1000W/S(f) 冬季溫度下相應(yīng)輻照度開路電壓溫度系數(shù)e常數(shù)0.5ImpSTC下組件最大功率時(shí)電流組件的工作溫度影響組件的電性能參數(shù)，為使設(shè)計(jì)更加縝密，計(jì)算過程中運(yùn)用組件夏季或冬季工作溫度下的電性能參數(shù)，而不是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的電性能參數(shù)。光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的電性能參數(shù)(輻照度1000W/ AM=1.5 電池板溫度25

16、)不能代表該光伏組件在工作時(shí)的實(shí)際數(shù)據(jù)。6.1 組件選擇組件選用110W型號(hào)組件，具體參數(shù)如下表： 組件參數(shù)最大額定功率 Wp110功率公差 %±3最大功率時(shí)電壓 V17.2組件轉(zhuǎn)化效率 %12.51最大功率時(shí)電流 A6.40開路電壓溫度系數(shù) %/-0.35開路電壓 V21.2功率溫度系數(shù) %/-0.5短路電流 A6.92短路電流溫度系數(shù) %/0.04系統(tǒng)最大電壓 V1000標(biāo)準(zhǔn)組件發(fā)電條件 47±2長*寬*厚 mm1088*808*35 附圖 IV曲線附圖：PV曲線6.2 設(shè)計(jì)結(jié)論共用110W型號(hào)組件2塊，1串2并，接入到控制器。蓄電池充電電壓為14.04V陣列輸出電壓(

17、60)為14.34V滿足設(shè)計(jì)要求 最佳工作電流為11.6026A陣列輸出電流(STC)為12.8A滿足設(shè)計(jì)要求七、控制器設(shè)計(jì)原則1、控制器光伏支路應(yīng)能承受1.21.3倍的光伏陣列短路電流原則2、蓄電池組支路應(yīng)能承受1.21.3倍的蓄電池組充電電流原則3、輸出回路應(yīng)能承受1.31.5倍的系統(tǒng)最大負(fù)載電流原則4、同時(shí)控制器應(yīng)能承受152倍的系統(tǒng)額定直流電壓控制器光伏支路應(yīng)能承受1.21.3倍的光伏陣列短路電流，蓄電池組支路應(yīng)能承受1.21.3倍的蓄電池組充電電流，輸出回路應(yīng)能承受1.31.5倍的系統(tǒng)最大負(fù)載電流；同時(shí)控制器應(yīng)能承受152倍的系統(tǒng)額定直流電壓。7.1 控制器選擇控制器選用20A-12

18、V型號(hào)控制器，該控制器產(chǎn)品主要參數(shù)如下：控制器參數(shù)組件輸入側(cè)負(fù)載輸出側(cè)額定電壓 V12額定電壓 V12額定充電電流 A20額定放電電流 A20陣列輸入控制器路數(shù)1控制負(fù)載路數(shù)1每路陣列最大電流 A20每路放電電流 A20過高保護(hù)電壓 V17過放保護(hù)電壓 V11.1過高恢復(fù)電壓 V15過放恢復(fù)電壓 V13.1其它均衡電壓 V14.4電壓降落(光伏陣列與蓄電池)0.26提升電壓 V14.6電壓降落(蓄電池與負(fù)載)0.15浮充電壓 V13.6溫度補(bǔ)償4mv/2V7.2設(shè)計(jì)結(jié)論共用20A-12V型號(hào)控制器1臺(tái)。蓄電池組電壓為12V控制器額定電壓為12V滿足設(shè)計(jì)要求 光伏陣列每路短路電流為13.84A控

19、制器每路充電電流為20A滿足設(shè)計(jì)要求八、設(shè)備及材料清單所有設(shè)備及材料清單如下表所示：設(shè)備及材料名稱型號(hào)數(shù)量單位一、發(fā)電設(shè)備光伏組件110W2塊組件支架定制220W控制器LSL20A-12V1臺(tái)蓄電池DGM121804塊蓄電池地埋箱180AH-124臺(tái)控制箱110-17.51臺(tái)二、其他九、能量平衡模擬各月盈虧量月份盈虧量Q(A·h)月份盈虧量Q(A·h)一月258.1七月153.27二月354.44八月166.37三月520.18九月297.33四月478.03十月336.72五月359.65十一月230.75六月214.9十二月163.09附圖：能量平衡模擬圖從能量平衡模擬

20、圖中可以形象的看到各月的發(fā)電量和耗電量，當(dāng)發(fā)電量小于耗電量的時(shí)候進(jìn)入虧欠期，虧欠期內(nèi)虧欠的電量需蓄電池來補(bǔ)充。從各月虧欠量表中可以直觀的看到各月的盈虧量，結(jié)合放電深度模擬，可以詳細(xì)的了解系統(tǒng)工作時(shí)各個(gè)月份的工作狀態(tài)。十、放電深度模擬各月荷電態(tài) 充電/放電 (%)月份荷電態(tài) 充電/放電月份荷電態(tài) 充電/放電一月100 / 92.9七月100 / 92.9二月100 / 92.9八月100 / 92.9三月100 / 92.9九月100 / 92.9四月100 / 92.9十月100 / 92.9五月100 / 92.9十一月100 / 92.9六月100 / 92.9十二月100 / 92.9附圖：放電深度模擬圖從荷電態(tài)圖中可以形象的看到各月蓄電池內(nèi)的剩余容量，與其相對(duì)應(yīng)的是蓄電池的放電深度，在蓄電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。通常普通太陽能蓄電池放電深度在50%80%，若放電深度超過標(biāo)定值，蓄電池性能和壽命將受到很大影響。從荷電態(tài)圖可以直觀的了解系統(tǒng)的優(yōu)化程度。十一