光伏系统设井博Word文档下载推荐.docx

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夏至日：

陕西地区修正系数

计算每月月平均日及冬至（12月21日）、夏至（6月21日）、春分（3月20日）、秋分（9月23日）各日的太阳赤纬角

所用公式：

太阳时＝标准时间＋E±

4（Lst－Lloc）

E＝9.87sin2B－7.53cosB－1.5sinB

E=9.87×

（-0.309）-7.53×

（-0.988）-1.5×

0.156=4

西安：

试求西安地区2000年冬至日和夏至日，晴天时，真太阳时10:

30地表水平面上的太阳总辐射辐照度。

n=356,φ=34.05°

海拔=424m，

ω=-15°

（12:

00-10:

30）=-22.5°

⏹a0＊=0.4237-0.00821（6-A）2=0.168

⏹a1＊=0.5055+0.00595（6.5-A）2=0.7252

⏹k＊=0.2711+0.01858（2.5-A）2=0.3512

n=172,φ=34.05°

求西安地区冬至日，晴天时，真太阳时10:

30朝南放置的倾角为38°

的斜面上太阳总辐射辐照度，假设地面反射系数为0.2？

解：

n=356,φ=34.05°

β=38°

西安地区一年可能日照时间

．二.光伏系统的组成和原理

光伏系统由以下三部分组成：

太阳电池组件；

充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。

图是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。

其中包含了光伏系统中的几个主要部件：

●光伏组件方阵：

由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。

●蓄电池：

将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。

目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

●控制器：

它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。

随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

●逆变器：

在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。

太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。

光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。

对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的光伏系统进行详细地描述。

图直流负载的太阳能光伏系统

三.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就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两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。

光伏系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型，支架设计，逆变器的选择，电缆的选择，控制测量系统的设计，防雷设计和配电系统设计等。

在进行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。

光伏系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。

1．设计的基本原理

太阳电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求；

因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳电池组件和蓄电池在天气条件有别于平均值的情况下协调工作；

蓄电池在数天的恶劣气候条件下，其荷电状态（SOC）将会降低很多。

在太阳电池组件大小的设计中不要考虑尽可能快地给蓄电池充满电。

如果这样，就会导致一个很大的太阳电池组件，使得系统成本过高；

而在一年中的绝大部分时间里太阳电池组件的发电量会远远大于负载的使用量，从而造成太阳电池组件不必要的浪费；

蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值的情况下给负载供电；

在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下，太阳电池组件就会给蓄电池充电。

设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。

在进行太阳电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。

在那种情况下，太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。

但这也意味着每年都有将近一半的时间蓄电池处于亏电状态。

蓄电池长时间内处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。

而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度增加。

太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照情况最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。

这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。

如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值，在这种情况下仍然按照最差情况考虑设计太阳电池组件大小，那么所设计的太阳电池组件在一年中的其它时候就会远远超过实际所需，而且成本高昂。

这时就可以考虑使用带有备用电源的混合系统。

但是对于很小的系统，安装混合系统的成本会很高；

而在偏远地区，使用备用电源的操作和维护费用也相当高，所以设计独立光伏系统的关键就是选择成本效益最好的方案。

2．蓄电池设计方法

蓄电池的设计思想是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。

可以设想蓄电池是充满电的，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完全填满由于负载从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样在第一天

结束的时候，蓄电池就会处于未充满状态。

如果第二天光照度仍然低于平均值，蓄电池就仍然要放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态继续下降。

也许接下来的第三天第四天会有同样的情况发生。

但是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，直到蓄电池的荷电状态到达指定的危险值。

为了量化评估这种太阳光照连续低于平均值的情况，在进行蓄电池设计时，需要引入一个不可缺少的参数：

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。

这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。

一般来讲，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。

通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。

对于负载对电源要求不是很严格的光伏应用，在设计中通常取自给天数为3～5天。

对于负载要求很严格的光伏应用系统，在设计中通常取自给天数为7～14天。

光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，但是在较大的系统中考虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。

在下面内容中涉及到的蓄电池没有特别说明指的都是铅酸蓄电池。

蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。

首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。

（1）基本公式

I.第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。

II.第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。

因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。

最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。

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。

设计蓄电池容量的基本公式见下：

自给天数X日平均负载

蓄电池容量=---------------------

最大放电深度

下面确定蓄电池串并联的方法。

每个蓄电池都有它的标称电压。

为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。

负载标称电压

串联蓄电池数=--------------

蓄电池标称电压

假设西安地区光伏系统交流负载的耗电量为10KWh/天，如果在该光伏系统中，选择使用的逆变器的效率为90％，输入电压为24V，那么可得所需的直流负载需求为462.96Ah/天。

（10000Wh÷

0.9÷

24V=462.96Ah）。

假设这是一个负载对电源要求并不是很严格的系统，使用者可以比较灵活的根据天气情况调整用电。

选择5天的自给天数，并使用深循环电池，放电深度为80％。

那么：

蓄电池容量＝5天×

462.96Ah/0.8＝2893.51Ah。

如果选用2V/400Ah的单体蓄电池，那么需要串连的电池数：

串联蓄电池数＝24V/2V=12（个）

需要并联的蓄电池数：

并联蓄电池数＝2893.51/400＝7.23

取整数为8。

所以该系统需要使用2V/400Ah的蓄电池个数为：

12串联×

8并联=96（个）。

2）完整的蓄电池容量设计计算

考虑到以上所有的计算修正因子，可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式。

蓄电池容量（@指定放电率）＝

下面对每个参数进行总结分析：

●最大允许放电深度：

一般而言，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50％，而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80％。

如果在严寒地区，就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正。

设计时可以适当地减小这个值扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。

●温度修正系数：

当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。

温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求。

●指定放电率：

指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。

使用供应商提供的数据，可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。

如果在没有详细的有关容量－放电速率的资料的情况下，可以粗略的估计认为，在慢放电率（C/100到C/300）的情况下，蓄电池的容量要比标准状态多30％。

3．光伏组件方阵设计

算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时

数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。

将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。

基本计算公式如下：

并联的组件数量＝

串联组件数量＝

（2）光伏组件方阵设计的修正

太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正。

I.将太阳电池组件输出降低10％

在实际情况工作下，太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低。

泥土，灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出。

通常的做法就是在计算的时候减少太阳电池组件的输出10％来解决上述的不可预知和不可量化的因素。

II.将负载增加10％以应付蓄电池的库仑效率

在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说着太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。

所以用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。

。

（3）完整的太阳电池组件设计计算

考虑了环境因素和组件自身衰减造成的太阳电池组件日输出的减少，给出了一个在实际情况下太阳电池组件输出的保守估计值。

可以得到下面的计算公式。

串联组件数量＝

I.考虑季节变化对光伏系统输出的影响，逐月进行设计计算

对于全年负载不变的情况，太阳电池组件的设计计算是基于辐照最低的月份。

负载的工作情况是变化的，即每个月份的负载对电力的需求是不一样的，那么在设计时采取的最好方法就是按照不同的季节或者每个月份分别来进行计算，计算出的最大太阳电池组件数目就为所求。

通常在夏季、春季和秋季，太阳电池组件的电能输出相对较多，而冬季相对较少，但是负载的需求也可能在夏季比较的大，所以在这种情况下只是用年平均或者某一个月份进行设计计算是不准确的，因为为了满足每个月份负载需求而需要的太阳电池组件数是不同的，那么就必须按照每个月所需要的负载算出该月所必须的太阳电池组件。

其中的最大值就是一年中所需要的太阳电池组件数目。

II.根据太阳电池组件电池片的串联数量选择合适的太阳电池组件

太阳电池组件的日输出与太阳电池组件中电池片的串联数量有关。

太阳电池在光照下的电压会随着温度的升高而降低，从而导致太阳电池组件的电压会随着温度的升高而降低。

36片太阳电池组件主要适用于高温环境应用，36片太阳电池组件的串联设计使得太阳电池组件即使在高温环境下也可以在Imp附近工作。

通常，使用的蓄电池系统电压为12V，36片串联就意味着在标准条件（25℃）下太阳电池组件的Vmp为17V，大大高于充电所需的12V电压。

当这些太阳电池组件在高温下工作时，由于高温太阳电

池组件的损失电压约为2V，这样Vmp为15V，即使在最热的气候条件下也足够可以给各种类型的蓄电池充电。

采用36片串联的太阳电池组件最好是应用在炎热地区，也可以使用在安装了峰值功率跟踪设备的系统中，这样可以最大限度的发挥太阳电池组件的潜力。

33片串联的太阳电池组件适宜于在温和气候环境下使用33片串联就意味着在标准条件（25℃）下太阳电池组件的Vmp为16V，稍高于充电所需的12V电压。

当这些太阳电池组件在40-45℃下工作时，由于高温导致太阳电池组件损失电压约为1V，这样Vmp为15V，也足够可以给各种类型的蓄电池充电。

但如果在非常热的气候条件下工作，太阳电池组件电压就会降低更多。

如果到50℃或者更高，电压会降低到14V或者以下，就会发生电流输出降低。

这样对太阳电池组件没有害处，但是产生的电流就不够理想，所以33片串联的太阳电池组件最好用在温和气候条件下。

III.使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的输出

因为太阳电池组件的输出是在标准状态下标定的，但在实际使用中，日照条件以及太阳电池组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同，因此有必要找出一种可以利用太阳电池组件额定输出和气象数据来估算实际情况下太阳电池组件输出的方法，可以使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的日输出。

该方法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000W/m2照射的小时数。

将该小时数乘以太阳电池组件的峰值输出就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数。

太阳电池组件的输出为峰值小时数×

峰值功率。

如果西安一个月的平均辐射为5.0kWh/m2，可以将其写成5.0hours×

1000W/m2，而1000W/m2正好也就是用来标定太阳电池组件功率的标准辐射量，那么平均辐射为5.0kWh/m2就基本等同于太阳电池组件在标准辐射下照射5.0小时。

这当然不是实际情况，但是可以用来简化计算。

因为1000W/m2是生产商用来标定太阳电池组件功率的辐射量，所以在该辐射情况下的组件输出数值可以很容易从生产商处得到。

为了计算太阳电池组件每天产生的安时数，可以使用峰值小时×

太阳电池组件的Imp。

假设在西安地区倾角为30度的斜面上按月平均每天的辐射量为5.0kWh/m2，可以将其写成5.0hours×

1000W/m2。

对于一个典型的75W太阳电池组件，Imp为4.4Amps，就可得出每天发电的安时数为5.0×

4.4Amps=22.0Ah/天。

使用峰值小时方法存在一些缺点，因为在峰值小时方法中做了一些简化，导致估

算结果和实际情况有一定的偏差。

首先，太阳电池组件输出的温度效应在该方法中被忽略。

在计算中对太阳电池组件的Imp要进行补偿。

因为在工作的时候，蓄电池两端的电压通常是稍微低于Vmp，这样太阳电池组件输出电流就会稍微高于Imp，使用Imp作为太阳电池组件的输出就会比较保守。

这样，温度效应对于由较少的电池片串联的太阳电池组件输出的影响就比对由较多的电池片串联的太阳电池组件的输出影响要大。

所以峰值小时方法对于36片串联的太阳电池组件比较准确，对于33片串联的太阳电池组件则较差，特别是在高温环境下。

对于所有的太阳电池组件，在寒冷气候的预计会更加准确。

其次，在峰值小时方法中，利用了气象数据中测量的总的太阳辐射，将其转换为峰值小时。

实际上，在每天的清晨和黄昏，有一段时间因为辐射很低，太阳电池组件产生的电压太小而无法供给负载使用或者给蓄电池充电，这就将会导致估算偏大。

通常，这一点造成的误差不是很大，但对于由较少电池片串联的太阳电池组件的影响比较大。

所以对36片串联的太阳电池组件每天输出的估算就比较准确，而对于33片串联的太阳电池组件的估算则较差。

再次，在利用峰值小时方法进行太阳电池组件输出估算时默认了一个假设，即假设太阳电池组件的输出和光照完全成线性关系，并假设所有的太阳电池组件都会同样地把太阳辐射转化为电能。

但实际上不是这样的，这种使用峰值小时数乘以电流峰值的方法有时候会过高地估算某些太阳电池组件的输出。

陕北偏远地区建设的光伏供电系统，该系统使用直流负载，负载为24V，400Ah/天。

该地区最低的光照辐射是一月份，如果采用30度的倾角，斜面上的平均日太阳辐射为3.0kWh/m2，也就是相当于3个标准峰值小时。

对于一个典型的75W太阳电池组件，每天的输出为：

组件日输出=3.0峰值小时×

4.4安培=13.2Ah/天

假设蓄电池的库仑效率为90%，太阳电池组件的输出衰减为10％。

根据上述公式，

并联组件数量=

＝

=37.4

串联组件数量＝

＝

=2

根据以上计算数据，可以选择并联组件数量为38，串联组件数量为2，所需的太阳电池组件数为：

总的太阳电池组件数=2串×

38并=76块

四．校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不会过放电。

计算公式如下，但是如果自给天数很大，那么实际的每天DOD可能相当小，不需要进行校核计算。

蓄电池日放电深度＝

＝

（4.10）

如果一个光伏系统使用了4000Ah的深循环蓄电池，每天的负载为500Ah，那么平均每天的DOD校核计算如下：

500Ah/4000Ah＝0.125<

0.8。

所以该系统中蓄电池不会过放电。

另外一个校核计算就是校核设计光伏组件方阵给蓄电池的充电率。

在太阳辐射处于峰值时，光伏组件方阵对于蓄电池的充电率不能太大，否则会损害蓄电池。

蓄电池生产商将提供指定型号蓄电池的最大充电率，计算值必须小于该最大充电率。

下面给出了最大的充电率的校核公式，用总的蓄电池容量除以总的峰值电流即可。

最大充电率＝

将计算值和蓄电池生产商提供的该设计选用型号蓄电池的最大充电率进行比较，如果计算值较小，则设计安全，光伏组件方阵对蓄电池的充电不会损坏蓄电池；

如果计算值较大，则设计不合格，需要重新进行设计。

接地和防雷设计

太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面：

（可参考GB50057-94《建筑防雷设计规范》）

Ø

电站站址的选择;

尽量避免将光伏电站建筑在雷电易发生的和易遭受雷击的位置;

尽量避免避雷针的投影落在太阳电池组件上;

防止雷电感应：

控制机房内的全部金属物包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。

防止雷电波侵入:

在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器。

要在每条回路的出线和零线上装设。

架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆。

接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。

接地系统的要求

所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。

光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此要实测数据,建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。

光伏电站接地接零的要求

电气设备的接地电阻R≤4欧姆，满足屏蔽接地和工作接地的要求。

在中性点直接接地的系统中，要重复接地，R≤10欧姆

防雷接地应该独立设置，要求R≤30欧姆，且和主接地装置在地下的距离保持在3M以上。

总的来讲，光伏系统的接地包括以下方面。

防雷接地:

包括避雷针、避雷带以及低压避雷器、外线出线杆上的瓷瓶铁脚还有连接架空线路的电缆金属外皮。

工作接地:

逆变器、蓄电池的中性点、电压互感器和电流互感器的二次线圈。

保护接地:

光伏电池组件机架、控制器、逆变器、以配电屏外壳、蓄电池支架、电缆外皮、穿线金属管道的外皮。

屏蔽接地:

电子设备的金属屏蔽。

重复接地:

低压架空线路上，每隔1公里处接地。

接闪器可以采用12mm圆钢，如果采用避雷带，则使用圆钢或者扁钢，圆钢直径≥48mm，厚度不应该小于等于4mm2。

引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8mm，扁钢的截面不应该小于4mm。

接地装置:

人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢。

水平接地体宜采用扁钢或者圆钢。

圆钢的直径不应该小于10mm，扁钢截面不应小于100mm2，角钢厚度不宜小于4mm，钢管厚度不小于3-5mm。

人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。

根据实际情况安装电涌保护器。

参考GB5