第三節(jié) 獨(dú)立運(yùn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第三節(jié) 獨(dú)立運(yùn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理一、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1 1、系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)構(gòu)成 2 2、系統(tǒng)框圖及種類、系統(tǒng)框圖及種類 3 3、工作原理、工作原理二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖三、容量計(jì)算三、容量計(jì)算 1 1、失電小時(shí)數(shù)、失電小時(shí)數(shù) 2 2、當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件、氣象數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射能資源、當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件、氣象數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射能資源 3 3、確定方陣最佳傾角、確定方陣最佳傾角 4 4、當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)載模型、當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)載模型 5 5、光伏組件方陣設(shè)計(jì)、光伏組件方陣設(shè)計(jì) 6 6、蓄電池設(shè)計(jì)、蓄電池設(shè)計(jì) 7 7、環(huán)境溫度模型、環(huán)境溫度模型 8 8、控制器、控制器

2、9 9、逆變器、逆變器 1010、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性指數(shù)、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性指數(shù)四、計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果四、計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅僅依靠太陽(yáng)能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，不和外部電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)系，在必要時(shí)可以由油機(jī)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電網(wǎng)電源或其他電源作為補(bǔ)充。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過(guò)充電控制器后以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在蓄電池中。在日照不足時(shí)，蓄電池中的能量經(jīng)過(guò)全橋逆變器后變成SPWM（正弦脈寬調(diào)制）波，然后再經(jīng)濾波和工頻變壓器升壓后變成交流220V、50HZ的正弦電壓供給交流負(fù)載。從電力系統(tǒng)

3、來(lái)說(shuō)，kW級(jí)以上的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。1、系統(tǒng)構(gòu)成 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池方陣、防反充二極管、控制器、逆變器、蓄電池組以及支架和輸配電設(shè)備等部分構(gòu)成。 其中，太陽(yáng)能電池方陣在國(guó)外文獻(xiàn)中常被稱為太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)（Solar Generator）,而其余部分則被統(tǒng)稱為太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)的“平衡系統(tǒng)”（Balance of System）或“配套系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“BOS”。有時(shí)BOS還包括太陽(yáng)能電池方陣所占用的土地和防雷安全系統(tǒng)。當(dāng)太陽(yáng)能電池十分昂貴時(shí)，BOS在整個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中所占的費(fèi)用比例較小，但隨著太陽(yáng)能電池的不斷降價(jià)，BOS所占費(fèi)用比例在逐漸增加。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、系統(tǒng)

4、框圖及種類獨(dú)立系統(tǒng)光伏系統(tǒng)的種類 直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)（與太陽(yáng)電池，蓄電池，控制器以及直流負(fù)載等構(gòu)成。如家庭庭園照明等）。 交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)（與太陽(yáng)電池，交流負(fù)載，逆變器以及充放電控制器等構(gòu)成。該系統(tǒng)主要用于家庭電器設(shè)備，如電視機(jī)，電冰箱等。） 直、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)（與太陽(yáng)電池，直流負(fù)載，交流負(fù)載，逆變器，蓄電池以及充放電控制器等構(gòu)成。該系統(tǒng)可同時(shí)為直流設(shè)備以及交流電器設(shè)備提供電能。) 交流負(fù)載帶有后備電源混合系統(tǒng)。3、 工作原理太陽(yáng)能電池方陣吸收太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負(fù)載通過(guò)開(kāi)關(guān)與控制器連接。控制器負(fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出

5、現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載；當(dāng)蓄電池達(dá)到過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測(cè)、遙信和遙控的功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC-AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電。 上圖中的防反充二極管也稱為“阻塞二極管”或“隔離二極管”。其功能是利用二極管的單向?qū)щ娦?，防止無(wú)日照時(shí)蓄電池組通過(guò)太陽(yáng)能電池方陣放電。 防反充二極管的最大輸出電流必須大于太陽(yáng)能電池方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的最高電壓。 在太陽(yáng)能電池方陣工作時(shí)，防反充二極管兩端的

6、電壓降要盡量低（硅二極管一般為0.6V，鍺二極管為0.3V，大功率肖特基二極管可以在0.3V以下），以便降低系統(tǒng)的功耗。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 各種獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)視其用途不同、功率大小不同、使用環(huán)境和條件不同而異。顯然，每一種獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)都要有針對(duì)性地獨(dú)立設(shè)計(jì)。 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括容量設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、熱力設(shè)計(jì)、防火防雷等安全設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、包裝運(yùn)輸設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試運(yùn)行設(shè)計(jì)以及維修檢測(cè)設(shè)計(jì)等等。其總體設(shè)計(jì)框圖如圖所示。 其中最具特色的是光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)，它根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能輻照資源和使用要求，確定必要的太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池的規(guī)模容量。三、容量設(shè)

7、計(jì) 目標(biāo)：優(yōu)化太陽(yáng)能電池方陣容量和蓄電池組容量的相互關(guān)系，在保證獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠工作的前提下，達(dá)到成本最低。 要求：首先對(duì)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能輻照資源、地理及氣象數(shù)據(jù)有盡量詳細(xì)的了解，一般要求掌握日平均太陽(yáng)輻照量、月平均太陽(yáng)輻照量和連續(xù)陰雨天數(shù)。 方法：依據(jù)各部件的數(shù)理模型，采用計(jì)算機(jī)仿真，可以擬合出太陽(yáng)能電池方陣每小時(shí)發(fā)電量、蓄電池組充電量和負(fù)載工作情況，并預(yù)測(cè)在不同的供電可靠性要求下所需要的太陽(yáng)能電池方陣及蓄電池組的容量。 通過(guò)數(shù)值分析法，可以解析太陽(yáng)能電池方陣容量及蓄電池組容量之間存在的相互關(guān)系，然后在特定的供電可靠性要求下，根據(jù)成本最低化的原則，確定二者各自的容量。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

8、程序框圖1、失電小時(shí)數(shù) 在容量設(shè)計(jì)中，失電小時(shí)數(shù)（Loss of Load Hours，簡(jiǎn)稱LOLH），直接與光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性有關(guān)。 一年中的失電小時(shí)數(shù)表示光伏發(fā)電系統(tǒng)能量的短缺程度，它并不包括因部件失效或系統(tǒng)維護(hù)必須花費(fèi)的時(shí)間。因此，對(duì)失電小時(shí)數(shù)的計(jì)算是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 如果獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的失電小時(shí)數(shù)是0，即系統(tǒng)全年供電可靠性是100%，就意味著在遇到一年中最長(zhǎng)的連續(xù)陰雨天時(shí)仍然能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。這就需要有足夠的光伏方陣和蓄電池組組成光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)比較昂貴。 若以當(dāng)?shù)?0年來(lái)氣象資料中最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天的記錄為依據(jù)來(lái)預(yù)計(jì)20年中該地區(qū)最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天

9、數(shù)，則系統(tǒng)造價(jià)還要增加。 此時(shí)若考慮遇到最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天的幾率，以此來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的可靠性，并且在出現(xiàn)系統(tǒng)失電時(shí)用應(yīng)急的油機(jī)發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行補(bǔ)充，以減小失電時(shí)間，就可節(jié)省數(shù)量可觀的太陽(yáng)能電池方陣及蓄電池組的容量，從而大幅度降低獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)。 在日照極其豐富的季節(jié)，為防止蓄電池組過(guò)充電，有時(shí)需要配備過(guò)充放電器（也稱泄流器），將多余的電能釋放掉。 2、當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件、氣象數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射能資源任何太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)都必須因地制宜，因而需要提前取得當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件、氣象數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射能資源的基本數(shù)據(jù)。 當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、海拔高度及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)狀況、地震狀況、洪水狀況； 近十年月平均最高氣溫、最低氣溫、極高

10、和極低氣溫； 近十年月平均風(fēng)速、極大風(fēng)速及發(fā)生時(shí)間； 近十年最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天及發(fā)生幾率； 雷暴、沙塵暴、冰雹、暴雨等災(zāi)害性氣象狀況； 近十年月平均太陽(yáng)輻射能、日照時(shí)數(shù)、日照百分率及月變化等。月平均太陽(yáng)輻射能可通過(guò)查閱當(dāng)?shù)貧庀筚Y料、測(cè)量、計(jì)算等方法并修正后得到。從氣象站得到的資料一般只有水平面上的太陽(yáng)總輻射量H、直射輻射量Hb及散射輻射量Hd，需換算到傾斜面上的太陽(yáng)輻射量。3、確定方陣最佳傾角 太陽(yáng)能電池方陣通常面向赤道放置，傾角不同造成各個(gè)月份方陣面接受的太陽(yáng)輻射量差別很大。 對(duì)于全年負(fù)載均勻的固定式光伏方陣，如果設(shè)計(jì)斜面的輻射量小，意味著需要更多的太陽(yáng)能電池來(lái)保證向用戶供電； 如果傾斜面各月太

11、陽(yáng)輻射量起伏很大，意味著需要大量的蓄電池來(lái)保證太陽(yáng)輻射量低的月份用電供應(yīng)。 這些都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)，因此確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 連續(xù)性 一年中太陽(yáng)輻射總量大體上是連續(xù)變化的，多數(shù)是單調(diào)升降，個(gè)別也有少量起伏； 均勻性 傾角的選擇最好滿足使方陣表面上全年接收到的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接收輻射量過(guò)大，造成浪費(fèi)；而冬天接收到的輻射量太小，造成蓄電池過(guò)放電以至損壞，降低系統(tǒng)使用壽命，影響系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。 極大性 選擇傾角時(shí)，不但要使方陣表面上輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時(shí)還要兼顧全年日平均輻射量不能太??； 特殊性 對(duì)特定的情況要做具體分析，有

12、時(shí)要針對(duì)連續(xù)陰雨天最長(zhǎng)的時(shí)段獲取最多的太陽(yáng)輻射能；夏天消耗功率多，方陣傾角的取得應(yīng)使方陣夏日接收輻射量相對(duì)于冬天要多才合適；也有時(shí)考慮冬季積雪負(fù)重，故意將增大；還要考慮到建筑整體的協(xié)調(diào)美觀來(lái)確定方陣的值等。對(duì)于方陣傾角的選擇應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行綜合考慮對(duì)于方陣傾角的選擇應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行綜合考慮： 一般原則：對(duì)于全年，取= =；對(duì)于夏半年（春分到秋分）， 取= =-（1015）；對(duì)于冬半年（秋分到第二年春分）， 取= =+（1015）。 同時(shí)，最佳傾角的概念，在不同的應(yīng)用中是不一樣的在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于受到蓄電池荷電在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于受到蓄電池荷電狀態(tài)等因素的限制，要綜合考慮光伏組

13、件方陣狀態(tài)等因素的限制，要綜合考慮光伏組件方陣 平面上太陽(yáng)輻射量的平面上太陽(yáng)輻射量的連續(xù)性、均勻性和極大性連續(xù)性、均勻性和極大性。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等通?？偸且蟛⒕W(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等通?？偸且笤谠谌曛械玫阶畲蟮奶?yáng)輻射量全年中得到最大的太陽(yáng)輻射量。 獨(dú)立光伏系統(tǒng)最佳傾角的確定：對(duì)于負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射均勻性對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響很大，對(duì)其進(jìn)行量化處理是很有必要的。為此，可以引入一個(gè)量化參數(shù)，即輻射累計(jì)偏差，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： iMHHitt121傾斜面上各月平傾斜面上各月平均日太陽(yáng)輻射量均日太陽(yáng)輻射量?jī)A斜面上的年平傾斜面上的年平均日太陽(yáng)輻射量均日太陽(yáng)輻射量第第i月的天月的

14、天數(shù)數(shù) 理想情況是 選擇為最大值、為最小值。但實(shí)際情況是二者所對(duì)應(yīng)的傾角有一定的間隔，為此需要定義一個(gè)新的量來(lái)描述傾斜面上太陽(yáng)輻射的綜合特性，稱其為斜面輻射系數(shù)，以K表示： tHHHKt365365水平面上的年平水平面上的年平均日太陽(yáng)輻射量均日太陽(yáng)輻射量 由于 和都與太陽(yáng)電池組件的傾角有關(guān)，所以當(dāng)K取極大值時(shí)，應(yīng)當(dāng)有 tH0ddK求解上式，即可求得最佳傾角。求解上式，即可求得最佳傾角。下表為利用上述方法采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，取步長(zhǎng)為下表為利用上述方法采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，取步長(zhǎng)為1，計(jì)算出我國(guó)部分主要城市對(duì)于計(jì)算出我國(guó)部分主要城市對(duì)于負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最

15、佳輻射傾角。獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最佳輻射傾角。4、當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)載模型當(dāng)?shù)赜脩舻挠秒娯?fù)載模型是設(shè)計(jì)光伏電站的必要條件，應(yīng)當(dāng)盡量準(zhǔn)確地把預(yù)計(jì)的日負(fù)載變化曲線和月負(fù)載變化曲線設(shè)定下來(lái)。若作為一個(gè)無(wú)電地區(qū)的集中供電系統(tǒng)，則要求提供供電方式（交、直流）、供電半徑、電壓等級(jí)、用電負(fù)荷的同時(shí)率及允許失電小時(shí)數(shù)等。每min曲線涵蓋的面積即為該時(shí)段負(fù)載的耗電量QL 若以類似的方法畫出各月及全年的用電負(fù)載曲線，并將時(shí)段取為一個(gè)月或全年，則很容易獲得各月負(fù)載耗電量或全年負(fù)載耗電量。 ttPtQttWL215、光伏組件方陣設(shè)計(jì)光伏組件方陣設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題：設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池組件要滿足光照最差季節(jié)的需要。在進(jìn)行太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的時(shí)

16、候，首先要考慮的問(wèn)題就是設(shè)計(jì)的太陽(yáng)電池組件輸出要等于全年負(fù)載需求的平均值。在這種情況下，太陽(yáng)電池組件將提供負(fù)載所需的所有能量。但這也意味著每年將有近一半的時(shí)間蓄電池處于虧電狀態(tài)。蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)將使得蓄電池的極板硫酸鹽化。而在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中沒(méi)有備用電源在天氣較差的情況下給蓄電池進(jìn)行再充電，這樣蓄電池的使用壽命和性能將會(huì)受到很大的影響，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用也將大幅度增加。 一般設(shè)計(jì)方法： 太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。 計(jì)算太陽(yáng)電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量（安時(shí)數(shù)）除以一塊太陽(yáng)電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量（安時(shí)數(shù)），這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)

17、的太陽(yáng)電池組件數(shù)，使用這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電流。 將系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓除以太陽(yáng)電池組件的標(biāo)稱電壓，就可以得到太陽(yáng)電池組件需要串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件數(shù)，使用這些太陽(yáng)電池組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓。 一般設(shè)計(jì)方法 基本公式 ：).hAhA組件日輸出（）日平均負(fù)載（并聯(lián)的組件數(shù)量 ）組件電壓（系統(tǒng)電壓（串聯(lián)組件數(shù)量VV)太陽(yáng)電池組件的輸出，會(huì)受到一些外在因素的影響而降低，太陽(yáng)電池組件的輸出，會(huì)受到一些外在因素的影響而降低，根據(jù)上述基本公式計(jì)算出的太陽(yáng)電池組件，在實(shí)際情況下通根據(jù)上述基本公式計(jì)算出的太陽(yáng)電池組件，在實(shí)際情況下通常不能滿足光伏系統(tǒng)的用電需求，為了得到更加正確的結(jié)果，

18、常不能滿足光伏系統(tǒng)的用電需求，為了得到更加正確的結(jié)果，有必要對(duì)上述基本公式進(jìn)行修正。有必要對(duì)上述基本公式進(jìn)行修正。光伏組件設(shè)計(jì) 將太陽(yáng)電池組件輸出降低10% 在實(shí)際情況下，太陽(yáng)電池組件的輸出會(huì)受到外在環(huán)境的影響而降低。泥土、灰塵的覆蓋和組件性能的慢慢衰變都會(huì)降低太陽(yáng)電池組件的輸出。通常的做法就是在計(jì)算的時(shí)候減少太陽(yáng)電池組件的輸出10%來(lái)解決上述的不可預(yù)知和不可量化的因素?？梢钥闯墒枪夥到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的工程上的安全系數(shù)。又因?yàn)楣夥╇娤到y(tǒng)的運(yùn)行還依賴于天氣狀況，所以有必要對(duì)這些因素進(jìn)行評(píng)估和技術(shù)估計(jì)，因此設(shè)計(jì)上留有一定的余量將使得系統(tǒng)可以年復(fù)一年地長(zhǎng)期正常使用。 將負(fù)載增加10%以應(yīng)付蓄電池

19、的庫(kù)侖效率 在蓄電池的充放電過(guò)程中，鉛酸蓄電池會(huì)電解水，產(chǎn)生氣體逸出，這也就是說(shuō)太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電流中將有一部分不能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存起來(lái)而是耗散掉。 所以可以認(rèn)為必須有一小部分電流用來(lái)補(bǔ)償損失，我們用蓄電池的庫(kù)侖效率來(lái)評(píng)估這種電流損失。 不同的蓄電池其庫(kù)侖效率不同，通?？梢哉J(rèn)為有5%10%的損失，所以保守設(shè)計(jì)中有必要將太陽(yáng)能電池組件的功率增加10%，以抵消蓄電池的耗散損失。 完整的太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)計(jì)算 衰減因子組件日輸出庫(kù)侖效率）日平均負(fù)載（并聯(lián)的組件數(shù)量hAhA其他應(yīng)考慮的問(wèn)題： 考慮季節(jié)變化對(duì)光伏系統(tǒng)輸出的影響，逐月進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于全年負(fù)載不變的情況，太陽(yáng)電池組件的設(shè)計(jì)計(jì)算是基于輻照最低的月份。

20、如果負(fù)載的工作情況是變化的，即每個(gè)月份的負(fù)載對(duì)電力的需求是不一樣的，那么在設(shè)計(jì)時(shí)采取的最好辦法就是按照不同的季節(jié)或每個(gè)月份分別來(lái)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的最大太陽(yáng)電池組件數(shù)目就是所求的值。 根據(jù)太陽(yáng)電池組件電池片的串聯(lián)數(shù)量選擇合適的太陽(yáng)電池組件 太陽(yáng)電池組件的日輸出與太陽(yáng)電池組件中電池片的串聯(lián)數(shù)量有關(guān)。太陽(yáng)電池在光照下的電壓會(huì)隨著溫度的升高而降低，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池組件的電壓會(huì)隨溫度的升高而降低。根據(jù)這一物理現(xiàn)象，太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)商根據(jù)太陽(yáng)電池組件工作的不同氣候條件，設(shè)計(jì)了不同的組件：36片串聯(lián)組件與33片串聯(lián)組件。采用36片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件最好應(yīng)用在炎熱地區(qū)，也可以使用在安裝了峰值功率跟蹤設(shè)備的系統(tǒng)

21、中，這樣可以最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池組件的潛力。33片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件最好用在溫和氣候條件下。 使用峰值小時(shí)數(shù)的方法估算太陽(yáng)電池組件的輸出 因?yàn)樘?yáng)電池組件的輸出是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定的，但在實(shí)際使用中，日照條件以及太陽(yáng)電池組件的環(huán)境條件是不可能與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)完全相同，因此有必要找出一種可以利用太陽(yáng)電池組件額定輸出和氣象數(shù)據(jù)來(lái)估算實(shí)際情況下太陽(yáng)電池組件輸出的辦法，我們可以使用峰值小時(shí)數(shù)的方法估算太陽(yáng)電池組件的日輸出。 該方法是將斜面上的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成等同的利用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射1000W/m2照射的小時(shí)數(shù)。將該小時(shí)數(shù)乘以太陽(yáng)電池組件的峰值輸出就可以估算出太陽(yáng)電池組件每天輸出的安時(shí)數(shù)。太陽(yáng)電池組件的輸出為峰值

22、小時(shí)數(shù)峰值功率 例如：如果一個(gè)月的平均日輻射為5.0kWh/m2,可以將其寫成5.0h1000W/m2,而1000W/m2正好也就是用來(lái)標(biāo)定太陽(yáng)電池組件功率的標(biāo)準(zhǔn)輻射量，那么平均輻射為5.0kWh/m2就基本等同于太陽(yáng)電池組件在標(biāo)準(zhǔn)輻射下照射5.0h。 這當(dāng)然不是實(shí)際情況，但是可以用來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。 因?yàn)?000W/m2是生產(chǎn)商用來(lái)標(biāo)定太陽(yáng)電池組件功率的輻射量，所以在該輻射情況下的組件輸出數(shù)值很容易從生產(chǎn)商處得到。 例1：一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)的光伏供電系統(tǒng)，使用直流負(fù)載為24V，400Ah/天。該地區(qū)最低的光照輻射是一月份，如果采用30的傾角，斜面上的平均日太陽(yáng)輻射為3.0kWh/m2，也就是相當(dāng)于3

23、個(gè)標(biāo)準(zhǔn)峰值小時(shí)。對(duì)于一個(gè)典型的75W太陽(yáng)電池組件，每天的輸出為：天峰值小時(shí)組件日輸出/2 .134 . 40 . 3hAA4.4A是是75W組件峰值電流（組件峰值電流（75W/17V=4.4A） 假設(shè)蓄電池的庫(kù)侖效率為90%，太陽(yáng)電池組件的輸出衰減為10%。4 .379 . 02 .139 . 0400hAhAhAhA衰減因子組件日輸出庫(kù)倫效率日平均負(fù)載并聯(lián)組件數(shù)量 21224VVVV組件電壓系統(tǒng)電壓串聯(lián)組件數(shù)量根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，可以選擇并聯(lián)組件數(shù)量為根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，可以選擇并聯(lián)組件數(shù)量為38，串聯(lián)，串聯(lián)組件數(shù)量為組件數(shù)量為2，所需的太陽(yáng)電池組件數(shù)為：，所需的太陽(yáng)電池組件數(shù)為：塊并串總的太陽(yáng)

24、電池組件數(shù)763826、蓄電池設(shè)計(jì) 蓄電池的設(shè)計(jì)思想是保證在太陽(yáng)光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。 自給天數(shù)：系統(tǒng)在沒(méi)有任何外來(lái)能源的情況下負(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選擇所需使用蓄電池容量大小的依據(jù)。 自給天數(shù)的確定： 與兩個(gè)因素有關(guān)：負(fù)載對(duì)電源的要求程度； 光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣象條件，及最大連續(xù)陰雨天數(shù)。 通?？梢园压夥到y(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的自給天數(shù)，但還要綜合考慮負(fù)載對(duì)電源的要求。對(duì)于負(fù)載對(duì)電源要求不是很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為35天。對(duì)于負(fù)載要求很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用系統(tǒng)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為714天。所謂負(fù)載要求不

25、嚴(yán)格的系統(tǒng)通常是指用戶可以稍微調(diào)節(jié)一下負(fù)載需求從而適應(yīng)惡劣天氣帶來(lái)的不便，而嚴(yán)格系統(tǒng)指的是用電負(fù)載比較重要，例如常用通信、導(dǎo)航或者重要的健康設(shè)施，如醫(yī)院、診所等。此外還要考慮光伏系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)，如果在很偏遠(yuǎn)的地區(qū)，必須設(shè)計(jì)較大的蓄電池容量，因?yàn)榫S護(hù)人員要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。 基本公式：最大放電深度日平均負(fù)載自給天數(shù)蓄電池容量 最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中選擇使用的蓄最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中選擇使用的蓄電池的性能參數(shù)，可以從蓄電池供應(yīng)商得到詳細(xì)的有關(guān)該蓄電池的性能參數(shù)，可以從蓄電池供應(yīng)商得到詳細(xì)的有關(guān)該蓄電池最大放電深度的資料。電池最大放電深度的資料。 通常情況下，如果

26、使用的是通常情況下，如果使用的是深循環(huán)型蓄電池深循環(huán)型蓄電池，推薦使用，推薦使用80%放電深度放電深度；如果使用的是；如果使用的是淺循環(huán)蓄電池淺循環(huán)蓄電池，推薦使用，推薦使用50%放電深度。放電深度。 蓄電池的容量會(huì)隨著蓄電池溫度的變化而變化，當(dāng)蓄電池溫度下降時(shí)，蓄電池的容量會(huì)下降。通常，鉛酸蓄電池的容量是在25時(shí)標(biāo)定的。隨著溫度的降低，0時(shí)的容量大約下降到額定容量的90%，而在-20的時(shí)候大約下降到額定容量的80%，所以必須考慮蓄電池的環(huán)境溫度對(duì)其容量的影響。 完整的蓄電池容量計(jì)算公式為：溫度修正因子最大允許放電深度日平均負(fù)載自給天數(shù)蓄電池容量 確定了蓄電池容量后，就要選擇用多少個(gè)單體蓄電確

27、定了蓄電池容量后，就要選擇用多少個(gè)單體蓄電池通過(guò)串并聯(lián)得到所需蓄電池容量。池通過(guò)串并聯(lián)得到所需蓄電池容量。蓄電池標(biāo)稱電壓負(fù)載標(biāo)稱電壓串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)串聯(lián)蓄電池的個(gè)數(shù)由負(fù)載電壓確定，串聯(lián)蓄電池的個(gè)數(shù)由負(fù)載電壓確定，因?yàn)閱误w蓄電池電壓為因?yàn)閱误w蓄電池電壓為2V。 并聯(lián)蓄電池的個(gè)數(shù)理論上可以選擇任何標(biāo)稱容量的單體蓄電池并聯(lián)而成，但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，要盡量減少并聯(lián)數(shù)目。也就是說(shuō)最好是選擇大容量的蓄電池以減少所需的并聯(lián)數(shù)目。這樣做的目的就是為了盡量減少蓄電池之間的不平衡所造成的影響。一般來(lái)講，建議并聯(lián)的數(shù)目不要超過(guò)4組。 目前很多光伏系統(tǒng)采用的是兩組并聯(lián)模式。這樣，如果有一組蓄電池出現(xiàn)故障，不能正常工作，就

28、可以將該組蓄電池?cái)嚅_(kāi)進(jìn)行維修，而使用另外一組正常的蓄電池，雖然電流有所下降，但系統(tǒng)還能保持在標(biāo)稱電壓正常工作?？傊?，蓄電池的并聯(lián)設(shè)計(jì)需要考慮不同的實(shí)際情況，根據(jù)不同的需要做出不同的選擇。例2：一小型光伏應(yīng)用系統(tǒng)，負(fù)載的耗電量為10kWh/天，如果在該光伏系統(tǒng)中，我們選擇使用的逆變器的效率為90%，輸入電壓為48V，那么可得所需的直流負(fù)載需求為231.486Ah/天（10000Wh0.948V=231.48Ah）。我們假設(shè)這是一個(gè)負(fù)載對(duì)電源要求并不是很嚴(yán)格的系統(tǒng)，使用者可以比較靈活地根據(jù)天氣情況調(diào)整用電。我們選擇5天的自給天數(shù)，并使用深循環(huán)電池，放電深度為80%，考慮工作溫度0電池容量下降到90

29、%，那么hAhA5 .16079 . 08 . 048.2315天蓄電池容量如果選用2V/（400Ah）的單體蓄電池，那么需要串聯(lián)的電池?cái)?shù)個(gè)串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)24248VV44005 .1607并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)需要并聯(lián)的蓄電池?cái)?shù)需要并聯(lián)的蓄電池?cái)?shù)所以該系統(tǒng)需要使用所以該系統(tǒng)需要使用2V/400Ah的蓄電池個(gè)數(shù)為的蓄電池個(gè)數(shù)為： 24串聯(lián)串聯(lián)4并聯(lián)并聯(lián)=96（個(gè)）（個(gè)）例3：鄉(xiāng)村小屋的光伏供電系統(tǒng)（純直流系統(tǒng)），只在周末使用，可以使用低成本的淺循環(huán)蓄電池以降低系統(tǒng)成本。該鄉(xiāng)村小屋的負(fù)載為90Ah/天。系統(tǒng)電壓為24V。我們選擇自給天數(shù)為2天，蓄電池允許的最大放電深度為50%，hAhA3605 . 0902

30、天蓄電池容量 如果選用如果選用12V/400Ah的蓄電池，那么只需要兩只的蓄電池，那么只需要兩只串聯(lián)就可以了。串聯(lián)就可以了。 7、環(huán)境溫度模型假設(shè)每天環(huán)境溫度從極大到極小符合正弦曲線，于是有： 242sin21)(minmaxminmaxpaaaaattTTTTtTTa(t)t時(shí)刻環(huán)境溫度；時(shí)刻環(huán)境溫度； Tamax當(dāng)天最高環(huán)境溫度，也可近似取當(dāng)月平均最高氣溫；當(dāng)天最高環(huán)境溫度，也可近似取當(dāng)月平均最高氣溫； Tamin-當(dāng)天最低環(huán)境溫度，也可近似取當(dāng)月平均最低氣溫；當(dāng)天最低環(huán)境溫度，也可近似取當(dāng)月平均最低氣溫； Tp當(dāng)?shù)刈罡邷囟瘸霈F(xiàn)的時(shí)間。當(dāng)?shù)刈罡邷囟瘸霈F(xiàn)的時(shí)間。因?yàn)樘?yáng)能電池和蓄電池都對(duì)環(huán)境

31、溫度比較敏感，因而需要認(rèn)因?yàn)樘?yáng)能電池和蓄電池都對(duì)環(huán)境溫度比較敏感，因而需要認(rèn)真對(duì)待。真對(duì)待。8、控制器 控制器自身功耗由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分組成，與控制器的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)及所采用元件密切相關(guān)。采用新型半導(dǎo)體器件的優(yōu)質(zhì)控制器，功耗小于整個(gè)光伏系統(tǒng)功耗的1%。9、逆變器 DC/AC逆變器的逆變效率隨負(fù)載多少而變，優(yōu)質(zhì)逆變器在滿負(fù)荷的20%80%之間都有較高的逆變效率，平均逆變效率可以高達(dá)90%96%。隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，各種不同功率逆變器的效率都會(huì)不斷提高。 逆變器容量設(shè)計(jì)原則 逆變器的額定功率應(yīng)略大于系統(tǒng)中計(jì)算出的功率，即應(yīng)加一個(gè)安全系數(shù)，通常取1.21.5。 根據(jù)不同類型的負(fù)載確定逆變

32、器容量，對(duì)于純電阻型負(fù)載，逆變器的功率即為系統(tǒng)中負(fù)載之和，而對(duì)于有感性負(fù)載的系統(tǒng)，則要根據(jù)感性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流加大逆變器容量。 根據(jù)以上原則，則可得出一個(gè)簡(jiǎn)單的逆變器計(jì)算表達(dá)式：CGNPnPKCCN逆變器容量；逆變器容量； K安全系數(shù)，一般取安全系數(shù)，一般取1.21.5； n感性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流為額定電流的倍數(shù)；感性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流為額定電流的倍數(shù)； PG系統(tǒng)中感性負(fù)載的功率；系統(tǒng)中感性負(fù)載的功率； PC系統(tǒng)中純電阻性負(fù)載的功率。系統(tǒng)中純電阻性負(fù)載的功率。10、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性指數(shù)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)全年失電小時(shí)數(shù)（LOLH，Loss of Load Hours）和全年失電次數(shù) （LOLE，Loss of Load Events）都會(huì)直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的成本，也直接影響到輔助能源容量配備及控制程序的設(shè)計(jì)。圖示為某獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一年中的失電小時(shí)數(shù)和失電次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖（a）中Z（t）1表示一年中光伏發(fā)電系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷的供電時(shí)間；而Z（t）0表示系統(tǒng)能向負(fù)荷供電的時(shí)間即失電時(shí)間。圖（b）表示全年失電小時(shí)數(shù)累加的情況。 在某時(shí)刻t，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的供電狀態(tài)Z（t）為： 系統(tǒng)向負(fù)荷停止供電 系