光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法閱讀提示經(jīng)過(guò)光伏工作者們堅(jiān)持不懈的努力,太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高,并且日益廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。如何根據(jù)各地區(qū)太陽(yáng)能輻射條件,來(lái)設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)而又可靠的光伏電源系統(tǒng),這是眾多專家學(xué)者研究已久的課題,而且已有許多卓越的研究成果,為我國(guó)光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。筆者在學(xué)習(xí)各專家的設(shè)計(jì)方法時(shí)發(fā)現(xiàn),這些設(shè)計(jì)僅考慮了蓄電池的自維持時(shí)間(即最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天,而沒(méi)有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復(fù)時(shí)間(即兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)。這個(gè)問(wèn)題尤其在我國(guó)南方地區(qū)應(yīng)引起高度重視,因?yàn)槲覈?guó)南方地區(qū)陰雨天既長(zhǎng)又多,而對(duì)于方便適用的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng),由于沒(méi)有應(yīng)急的其他電源保護(hù)備用

2、,所以應(yīng)該將此問(wèn)題納入設(shè)計(jì)中一起考慮。本文綜合以往各設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合筆者多年來(lái)實(shí)際從事光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn),引入兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)之一,并綜合考慮了各種影響太陽(yáng)能輻射條件的因素,提出了太陽(yáng)能電池、蓄電池容量的計(jì)算公式,及相關(guān)設(shè)計(jì)方法。影響設(shè)計(jì)的諸多因素太陽(yáng)照在地面太陽(yáng)能電池方陣上的輻射光的光譜、光強(qiáng)受到大氣層厚度(即大氣質(zhì)量、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響,其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大的變化,甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。太陽(yáng)能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率,受到電池本身的溫度、太陽(yáng)光強(qiáng)和蓄電池電壓浮動(dòng)的影響,而這三者在一天內(nèi)

3、都會(huì)發(fā)生變化,所以太陽(yáng)能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率也是變量。蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的,其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。太陽(yáng)能電池充放電控制器由電子元器件制造而成,它本身也需要耗能,而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關(guān)系到耗能的大小,從而影響到充電的效率等。負(fù)載的用電情況,也視用途而定,如通信中繼站、無(wú)人氣象站等,有固定的設(shè)備耗電量。而有些設(shè)備如燈塔、航標(biāo)燈、民用照明及生活用電等設(shè)備,用電量是經(jīng)常有變化的。因此,太陽(yáng)能電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì),需要考慮的因素多而復(fù)雜。特點(diǎn)是:所用的數(shù)據(jù)大多為以前統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),各統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的測(cè)量以及數(shù)據(jù)的選擇是重要的。設(shè)計(jì)者的任務(wù)

4、是:在太陽(yáng)能電池方陣所處的環(huán)境條件下(即現(xiàn)場(chǎng)的地理位置、太陽(yáng)輻射能、氣候、氣象、地形和地物等,設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟(jì)效益,又要保證系統(tǒng)的高可靠性。某特定地點(diǎn)的太陽(yáng)輻射能量數(shù)據(jù),以氣象臺(tái)提供的資料為依據(jù),供設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池方陣用。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值。地球上各地區(qū)受太陽(yáng)光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區(qū)的太陽(yáng)能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化,其規(guī)律與太陽(yáng)照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天,方陣就幾乎不能發(fā)電,只能靠蓄電池來(lái)供電,而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補(bǔ)充好。設(shè)計(jì)者多

5、數(shù)以氣象臺(tái)提供的太陽(yáng)每天總的輻射能量或每年的日照時(shí)數(shù)的平均值作為設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)。由于一個(gè)地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同,為可靠起見(jiàn)應(yīng)取近十年內(nèi)的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負(fù)載的耗電情況,在日照和無(wú)日照時(shí),均需用蓄電池供電。氣象臺(tái)提供的太陽(yáng)能總輻射量或總?cè)照諘r(shí)數(shù)對(duì)決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。對(duì)太陽(yáng)能電池方陣而言,負(fù)載應(yīng)包括系統(tǒng)中所有耗電裝置(除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等的耗量。方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關(guān),串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓,并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流,適當(dāng)數(shù)量的組件經(jīng)過(guò)串并聯(lián)即組成所需要的太陽(yáng)能電池方陣。蓄電池組容量設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池。與太陽(yáng)能電池

6、方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下,其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽(yáng)能電池匹配,要求蓄電池工作壽命長(zhǎng)且維護(hù)簡(jiǎn)單。1.蓄電池的選用能夠和太陽(yáng)能電池配套使用的蓄電池種類很多,目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國(guó)內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池,因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對(duì)環(huán)境較少污染的特點(diǎn),很適合用于性能可靠的太陽(yáng)能電源系統(tǒng),特別是無(wú)人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大,所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過(guò)充、

7、過(guò)放性能,但由于其價(jià)格較高,僅適用于較為特殊的場(chǎng)合。2.蓄電池組容量的計(jì)算蓄電池的容量對(duì)保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內(nèi),方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份,要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足;在超過(guò)用電需要的月份,是靠蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。所以方陣發(fā)電量的不足和過(guò)剩值,是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣,連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須從蓄電池取得。所以,這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。因此,蓄電池的容量BC計(jì)算公式為:BC=A×QL×NL×TO/CCAh?穴1?雪式中:A為安全系數(shù),取1.11.4之間; QL為負(fù)載日平均耗電量

8、,為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù);NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù);TO為溫度修正系數(shù),一般在0以上取1,-10以上取1.1,-10以下取1.2;CC為蓄電池放電深度,一般鉛酸蓄電池取0.75,堿性鎳鎘蓄電池取0.85。太陽(yáng)能電池方陣設(shè)計(jì)1.太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns太陽(yáng)能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來(lái),就可獲得所需要的工作電壓,但是,太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當(dāng)。串聯(lián)數(shù)太少,串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓,方陣就不能對(duì)蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓時(shí),充電電流也不會(huì)有明顯的增加。因此,只有當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時(shí),才能達(dá)到最佳的充電狀態(tài)。計(jì)算方法如下:Ns=UR/Uoc=

9、(Uf+UD+Uc/Uoc(2式中:UR為太陽(yáng)能電池方陣輸出最小電壓; Uoc為太陽(yáng)能電池組件的最佳工作電壓;Uf為蓄電池浮充電壓;UD為二極管壓降,一般取0. 7V;UC為其它因數(shù)引起的壓降。電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數(shù)有關(guān),應(yīng)等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯(lián)的電池?cái)?shù)。2.太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)Np在確定NP之前,我們先確定其相關(guān)量的計(jì)算方法。(1將太陽(yáng)能電池方陣安裝地點(diǎn)的太陽(yáng)能日輻射量Ht,轉(zhuǎn)換成在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時(shí)數(shù)H:H=Ht×2.778/10000h(3式中:2.778/10000(h·m2/kJ為將日輻射量換算為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)(100 0W

10、/m2下的平均日輻射時(shí)數(shù)的系數(shù)。(2太陽(yáng)能電池組件日發(fā)電量Qp Qp=Ioc×H×Kop×CzAh?穴4?雪式中:Ioc為太陽(yáng)能電池組件最佳工作電流;Kop為斜面修正系數(shù);Cz為修正系數(shù),主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失,一般取0.8。(3兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw,此數(shù)據(jù)為本設(shè)計(jì)之獨(dú)特之處,主要考慮要在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來(lái),需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為:Bcb=A×QL×NLAh?穴5?雪(4太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算方法為:Np=(Bcb+Nw×QL/(Qp×Nw?穴6?雪式(6的

11、表達(dá)意為:并聯(lián)的太陽(yáng)能電池組組數(shù),在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量,不僅供負(fù)載使用,還需補(bǔ)足蓄電池在最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。3.太陽(yáng)能電池方陣的功率計(jì)算根據(jù)太陽(yáng)能電池組件的串并聯(lián)數(shù),即可得出所需太陽(yáng)能電池方陣的功率P:P=Po×Ns×NpW(7式中:Po為太陽(yáng)能電池組件的額定功率。設(shè)計(jì)實(shí)例以某地面衛(wèi)星接收站為例,負(fù)載電壓為12V,功率為25W,每天工作24h,最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天為15 d,兩最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為30d,太陽(yáng)能電池采用云南半導(dǎo)體器件廠生產(chǎn)的38D975×400型組件,組件標(biāo)準(zhǔn)功率為38W,工作電壓17.1V,工作電流2.22A,蓄

12、電池采用鉛酸免維護(hù)蓄電池,浮充電壓為(14±1V。其水平面太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)參照表1,其水平面的年平均日輻射量為12110(kJ/m2,Kop值為0.885,最佳傾角為16.13°,計(jì)算太陽(yáng)能電池方陣功率及蓄電池容量。1.蓄電池容量Bc Bc=A×QL×NL×To/CC=1.2×(25/12×24×15×1/0.75=1200Ah2.太陽(yáng)能電池方陣率P因?yàn)?Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+UC/Uoc=(14+0.7+/17.1=0.921Qp=Io c×H×Kop×Cz=2.22×12110×(2.778/10000×0.885×0.85.29AhBcb=A×QL×NL=1.2×?穴2 5/12?雪×24