光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理課件

第七章.光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一.光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容光伏系統(tǒng)的設(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);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。其中最重要的是容量設(shè)計(jì),內(nèi)容包括確定太陽(yáng)電池方陣和蓄電池的容量,以及方陣的傾角。

二.光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則:在充分滿足用戶負(fù)載用電需要的條件下,盡量減少太陽(yáng)電池和蓄電池的容量,以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。光伏系統(tǒng)和產(chǎn)品要根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀蠹暗乩項(xiàng)l件,進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。要避免盲目追求高可靠性或低成本的傾向。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)是:按月能量平衡。三.光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟:

根據(jù)負(fù)載性質(zhì)不同,設(shè)計(jì)的要求也不一樣.(一)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.首先討論應(yīng)用最廣的均衡性負(fù)載,這類負(fù)載每個(gè)月份的平均耗電量都相同.對(duì)于負(fù)載月平均耗電量變化不超過10%的,也可以當(dāng)作均衡性負(fù)載(2).計(jì)算方陣面上太陽(yáng)輻照量

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砑皻庀筚Y料，先任意設(shè)定某一傾角β,根據(jù)前面所介紹的KlienSA和TheilackerJC所發(fā)表的計(jì)算月平均日輻照量的方法，計(jì)算在該傾斜面上的各月平均日太陽(yáng)輻照量Ht（KWh/m2·d），并得出全年平均太陽(yáng)總輻照量(3).算出各月發(fā)電盈虧量對(duì)于某個(gè)確定的傾角，方陣輸出的最小電流應(yīng)為

式中：η1為從方陣到蓄電池回路的輸入效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配及老化、防反充二極管及線路損耗、蓄電池充電效率等。η2為由蓄電池到負(fù)載的放電回路效率，包括蓄電池放電效率、控制器和逆變器的效率及線路損耗等。

同樣也可由方陣面上各月平均太陽(yáng)輻照量中的最小值Htmin得出方陣所需輸出的最大電流為

方陣實(shí)際工作電流應(yīng)在Imin和Imax之間，可先任意選取一中間值I

(4).確定累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣以兩年為單位，列出各月發(fā)電盈虧量，如只有一個(gè)△Q<0的連續(xù)虧欠期，則累計(jì)虧欠量即為該虧欠期內(nèi)各月虧欠量之和。如有兩個(gè)或以上的不連續(xù)△Q<0的虧欠期，則累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣應(yīng)扣除連續(xù)兩個(gè)虧欠期之間⊿Qi為正的盈余量，最后得出累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣。(5).決定方陣輸出電流將累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣代入

將n1與指定的蓄電池維持天數(shù)n相比較，若n1>n，則增大電流I，重新計(jì)算，反之亦然。直到n1≈n，即得出方陣輸出電流Im。(6).求出方陣最佳傾角改變傾角，重復(fù)以上計(jì)算，進(jìn)行比較，得出最小的方陣輸出電流I

m值，相應(yīng)的傾角即為方陣最佳傾角βopt。光伏方陣容量為:

P=k·Im·(Vb+Vd)其中：k為安全系數(shù),通常取1~1.5,可根據(jù)負(fù)載的重要程度、參數(shù)的不確定性以及其他所需要考慮的因素而定；Vb為蓄電池充電電壓；Vd為防反充二極管及線路壓降。(8).最終決定最佳搭配改變蓄電池維持天數(shù)n，重復(fù)以上計(jì)算，可得到一系列B~P組合。再根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)及單價(jià)等因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，最后決定蓄電池及光伏方陣容量的最佳組合。

案例分析

為沈陽(yáng)地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽(yáng)能路燈,燈具功率為30W,每天工作6小時(shí),工作電壓為12伏,蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽(yáng)電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?負(fù)載耗電量:

沈陽(yáng)地區(qū)緯度是41.440,任意取方陣傾角β=600,算出各月份方陣面上的太陽(yáng)輻照量Ht選取參數(shù)：η1=η2=0.9得到

Imax=11.52AImin=5.176A在最大和最小電流值之間取：

I=5.5A。

算出各月方陣發(fā)電量Qa,并列出各月負(fù)載耗電量Qc,從而求出各月發(fā)電盈虧量△Q具體數(shù)值見下表：由表中可見,當(dāng)年11~12月和次年1月都是虧欠量,但這是一個(gè)連續(xù)虧欠期。總虧欠量：=69.196Ah代入公式：=4.6131與要求的維持天數(shù)5天相比要小。因此可以減少方陣電流,另取I=5.4A,重新進(jìn)行計(jì)算,得到下表：月份HtQaQcQa-Qc13.3467453.79465-11.20924.1618509.7042089.69934.4364601.55465136.5544.2092551.55450101.5554.1050556.6146591.61363.8124500.2645050.26373.4893473.124658.122583.6602496.3046531.29794.2056551.86450101.86104.0399547.7846582.781113.3169435.25450-14.75123.9347397.93465-67.07月份HtQaQcQa-Qc13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.83934.4364609.98465144.9844.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.59450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528123.9347403.51465-61.495

由表中可見,當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量,總虧欠量為74.49998Ah。由此求出n1=4.999天,與要求的維持天數(shù)n=5天基本相符。由此確定電流?。篒=5.47565A。接著再改變傾角,用同樣電流,比較累計(jì)虧欠量(或n1)。試取傾角β=620,重復(fù)以上計(jì)算,得到下表：月份HtQaQcQa-Qc13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.76234.3920603.75465138.7544.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411122.9386403.89465-61.113

本例最后得出,方陣工作電流：Im=5.47356A所對(duì)應(yīng)的角度,即為方陣最佳傾角： βopt=620結(jié)果得到蓄電池容量為： B=104.18Ah太陽(yáng)電池方陣容量為： P=95.05W2.季節(jié)性負(fù)載獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

這類系統(tǒng)的負(fù)載每天工作時(shí)間隨著季節(jié)而變化,不能當(dāng)作均衡負(fù)載處理。最典型的是光控太陽(yáng)能光伏照明系統(tǒng)。光控照明系統(tǒng)的特點(diǎn)是以自然光線的強(qiáng)弱來決定負(fù)載工作時(shí)間長(zhǎng)短的。天黑開燈,天亮關(guān)燈。每天的工作時(shí)間不一樣,因此負(fù)載耗電量也不相同。

此特點(diǎn)與太陽(yáng)日照時(shí)間的規(guī)律正好相反,夏天日照時(shí)間長(zhǎng),輻照量大,但燈具需要照明的時(shí)間短;而冬天日照時(shí)間短,輻照量小,而燈具需要照明的時(shí)間長(zhǎng),所以此類光控照明系統(tǒng)在太陽(yáng)能光伏電源應(yīng)用中的工作條件是最苛刻的。光控照明系統(tǒng)不同于獨(dú)立光伏系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)必須特別仔細(xì)考慮。先估計(jì)需要照明的時(shí)間:從日落到日出之間的無(wú)日照小時(shí)數(shù)為:

式中:φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為太陽(yáng)赤緯

δ每天都在變化,所以t也每天在變.

不同地區(qū)t的差別很大,如?？诘貐^(qū)(φ=20.030),夏至(6月21日δ=23.45)時(shí)t=10.1h,冬至(12月21日δ=-23.45)時(shí)t=13.2h;哈爾濱地區(qū)(φ=45.450),夏至?xí)rt=8.5h,冬至?xí)rt=15.5h,可見緯度越高,晚間需要照明時(shí)間相差越大。一般情況下,日出前半小時(shí)和日落后半小時(shí)內(nèi),天空尚有余光,為了節(jié)約起見,可以不必開燈。如負(fù)載的工作電流為,負(fù)載日耗電量應(yīng)為:各月耗電量則為:其中:N是當(dāng)月天數(shù)。顯然,各個(gè)月份的耗電量都不相同,夏天少,冬天多。這是季節(jié)性負(fù)載的工作特點(diǎn)。

光控太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟相同,只是每天的耗電量QL不一樣。所以一開始不是統(tǒng)計(jì)確定每天的耗電量,,而是得出工作電流i,然后根據(jù)上述方法確定每天工作時(shí)間t,才能求得各天的耗電量仍以上例進(jìn)行分析:為沈陽(yáng)地區(qū)設(shè)計(jì)一套光控太陽(yáng)能路燈,燈具功率為30W,工作電壓為12伏,蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽(yáng)電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?首先求出負(fù)載工作電流：

i=W/V=30/12=2.5(A)再應(yīng)用公式:求出每天工作時(shí)間t

最后由公式：

Qi=(t-1)·I算得各天耗電量其余步驟與前相同,得到如下結(jié)果：月份HtQaQcQa-Qc13.34071045.01056.3-11.26924.10441159.6879.36280.2834.29391343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.3953.82541196.6671.85524.7863.53541070.2603.94466.2873.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.8994.03611221.8805.41416.37103.96121239.1941.23297.87113.3022999.631001.1-1.4333122.9377918.931080.5-161.57太陽(yáng)電池方陣傾角為：β=660蓄電池容量為：B=242.5Ah太陽(yáng)電池方陣容量為：P=216.3W由以上計(jì)算最后得出：與上面討論的獨(dú)立光伏系統(tǒng)比較：太陽(yáng)電池方陣傾角為：β=620

蓄電池容量為：B=104.18Ah太陽(yáng)電池方陣容量為：P=95.05W

光控太陽(yáng)能照明系統(tǒng)冬天工作時(shí)間長(zhǎng),耗電量多,夏天耗電量少,與日照規(guī)律正好相反。光控太陽(yáng)能照明系統(tǒng)與同樣功率的定時(shí)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)相比,所需要配置的太陽(yáng)電池方陣和蓄電池的容量要大得多。前者太陽(yáng)電池方陣的傾角要比后者大,其原因是要照顧冬天方陣面上的日照量。

所分析的光控太陽(yáng)能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為13495.66Ah，而燈具實(shí)際耗電量只有10027.33Ah,利用率只有74.3%。而上例定時(shí)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為6087.12Ah,燈具實(shí)際耗電量5475Ah,利用率可達(dá)89.9%。3.某些特殊要求光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衡量供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能通常可用負(fù)載缺電率(Loss-of-load-probability).LOLP的定義為光伏系統(tǒng)全年停電時(shí)間與供電時(shí)間之比，LOLP值在0~1之間，數(shù)值越小，可靠程度越高。如LOLP=0，表示任何時(shí)間都能保證供電，全年停電時(shí)間為零。常規(guī)電網(wǎng)對(duì)大城市供電也只能達(dá)到LOLP=10-3數(shù)量級(jí)在一些特殊需要的場(chǎng)合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器、電網(wǎng)分段斷路器、軍用裝備等供電的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，確實(shí)需要做到滿足一分鐘都不停電的要求。對(duì)于這類獨(dú)立光伏系統(tǒng)，不能夠盲目地增加系統(tǒng)的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)要特別仔細(xì)，稍有不慎，其結(jié)果不但可能造成大量浪費(fèi)，還會(huì)影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

對(duì)于均衡負(fù)載要求LOLP=0的獨(dú)立光伏系統(tǒng),同樣可以用上面提到的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟,只是用蓄電池的維持天數(shù)n=0代入,使得各個(gè)月份的方陣發(fā)電量都大于負(fù)載耗電量,即可確定太陽(yáng)電池方陣的容量。再根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖铋L(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù),作為蓄電池的維持天數(shù),確定蓄電池的容量。

實(shí)例分析為上海地區(qū)設(shè)計(jì)一套全天工作，缺電率為零的光伏系統(tǒng)，負(fù)載平均每天耗電量為10W，工作電壓取12V，試確定系統(tǒng)的容量。求出每天負(fù)載耗電量為20Ah。

重復(fù)上述計(jì)算,或以蓄電池維持天數(shù)n=0代入,即可得到最佳傾角為470,方陣輸出電流為10.46A,太陽(yáng)電池方陣容量為204.9W。根據(jù)上海地區(qū)最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)為8天,用n=8,并取蓄電池放電深度為0.6,求出蓄電池容量為313.7Ah。實(shí)際可采用2只12V-160Ah蓄電池并聯(lián)使用。各月能量平衡表如下:

月份HtQaQcQa-Qc1月2.6557620.036200.032月2.9795628.3156068.313月3.0011700.6662080.664月3.65824.66600224.665月3.8399896.5620276.56月3.569758.45600158.457月3.9046911.59620291.598月4.0097936.14620316.149月3.7106838.35600238.3510月3.4880814.37620194.3711月3.1002700.44600100.4412月2.8832673.1362053.13

(二).并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于有電網(wǎng)作為儲(chǔ)能裝置,不必像蓄電池那樣受到容量的限制。所以太陽(yáng)電池方陣的安裝傾角應(yīng)該是以全年能接收到最大太陽(yáng)輻射量所對(duì)應(yīng)的角度。電網(wǎng)可以隨時(shí)補(bǔ)充電力,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要獨(dú)立光伏系統(tǒng)那樣嚴(yán)格。

通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩種:1.根據(jù)準(zhǔn)備安裝的太陽(yáng)電池方陣的容量，進(jìn)行設(shè)計(jì)，要找出全年能夠得到最大發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的方陣最佳傾角，并且計(jì)算出系統(tǒng)各個(gè)月份的發(fā)電量及全年的總發(fā)電量。首先可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩碣Y料,求出全年能接收到最大太陽(yáng)輻射量所對(duì)應(yīng)的角度即為方陣最佳傾角。

根據(jù)已知方陣容量,求出方陣輸出電流,再根據(jù)最佳傾角時(shí)方陣面上各個(gè)月份所接收到的太陽(yáng)輻射量,利用公式:

Qg=