第6章 光伏发电系统设计Word文档下载推荐.docx

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（3）电力电子类负载。

如荧光灯（带电子镇流器的）、电视机、计算机等，有冲击电流。

3.电感性负载的浪涌电流

（1）电动机。

额定电流的5~8倍，时间为50ms~150ms。

（2）电冰箱。

额定电流的5~10倍，时间为100ms~200ms。

（3）彩色电视机的消磁线圈和显示器。

额定电流的2~5倍，时间为20ms~100ms。

并根据负载的情况填写表6.1所示的负载情况统计表。

从理论上说，系统负载的总功耗可由表6.1直接求得，而实际的负载总功耗却很难确定。

例如，家用电器所要求的功率可直接从产品的铭牌上得知，但对它们具体的工作时间却很难把握。

这就极易造成对负载每日、每周的使用时间估算过高，从而导致光伏系统设计容量和造价上升。

因此，在实际应用中，较大功率的负载可交叉安排在不同的时间段使用。

对每天不同时间段的负载功率，特别是对于集中供电系统，在了解其用电规律之后应适时地加以控制。

6.1.2蓄电池组容量设计

对于独立光伏系统，因为没有像光伏并网系统那样引入备用电源，因此在对其设计时就要考虑采用蓄电池作为光伏发电电源系统的储能装置。

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。

与太阳电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。

它的容量比负载所需的电量大得多。

蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。

力了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。

一、蓄电池的选用

能够和太阳电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。

国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。

普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。

碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。

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。

二、蓄电池容量设计

蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。

在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。

方阵的发电量在不能满足用电需要的月份,要靠蓄电池的电能给以补足；

在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。

蓄电池的设计思路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。

首先将蓄电池充满，当光照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补由于负载从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，如果这种天气情况接连数天，蓄电池在接下来的日子中以放电的形式供给负载需要，使得蓄电池长时间处于亏电状态，极易造成蓄电池的极板硫酸盐化。

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，我们引入一个重要参数：

自给天数。

即系统没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。

自给天数是确定蓄电池容量的依据之一。

一般而言，自给天数的确定与两个因素有关：

一、负载对电源的要求程度；

二、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。

像电视机、收音机等负载，用户可以为适应恶劣天气带来的不便而稍微调节一下使用时间，对于这些负载要求不是很严格的光伏系统，在设计中通常取3~5为自给天数。

对于常用于通信、导航或者重要的健康设施，如医院、诊所等，这些对负载要求很严格的光伏系统，在设计中通常取7~14天。

此外还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很偏远的地点，必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员要到达现场需要花费很长的时间。

在光伏发电系统实际应用中，还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生影响，其中蓄电池的放电率和环境温度对蓄电池的容量影响很大。

（1）放电率对蓄电池容量的影响

随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。

因此设计蓄电池容量时应将蓄电池放电率的影响考虑进去。

通常，生产厂家提供的蓄电池的额定容量为10小时放电率下的蓄电池容量。

但是在光伏发电系统中，因为蓄电池中存储的能量主要是为在自给天数中的负载供电，蓄电池放电率通常较慢，光伏系统中蓄电池典型的放电率为100h~200h。

在设计中通常采用求蓄电池平均放电率的方法，其公式如下所示：

对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间为实际负载平均每天工作的时间；

对于多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间。

加权平均负载工作时间的计算方法如下：

综上所述，我们可以求得光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。

（2）温度对蓄电池容量的影响

蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。

通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的，随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的90%，而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%，所以必须考虑蓄电池的温度对其容量的影响。

如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，也就无法满足系统负载的用电需求。

在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。

因此，蓄电池生产商一般都会提供相应的蓄电池温度一容量修正曲线，在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数，除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正。

图6.2是一个典型的温度一放电率一容量变化曲线图。

由于低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度。

铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固，随着蓄电池的放电，蓄电池中不断生成的水稀释电解液，导致蓄电池电解液的凝结点不断上升，直到纯水的0℃。

在寒冷的气候条件下，如果蓄电池放电过多，随着电解液凝结点的上升，电解液就可能凝结，从而损坏蓄电池。

即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池，其最大的放电深度也不能超80%，图6.3给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度和蓄电池温度的关系，在设计蓄电池容量时可以参考该图得到所需的调整因子。

综上所述，蓄电池容量的计算公式为：

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%。

如果在寒冷地区，即温度低于-8℃时，就要考虑低温防冻问题，对最大允许放电深度进行修正。

设计时候可以适当减少这个值，扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。

例如，如果使用深循环蓄电池，进行设计时，将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为60%而不是80%，这样既可以提高蓄电池的使用寿命，减少蓄电池系统的维护费用，同时又对系统初始成本不会有太大的冲击，根据实际情况可对此进行灵活处理。

例：

建立一套光伏供电系统给一个地处偏远的通信站供电，该系统的负载有两个：

负载一，工作电流为1A，每天工作24h；

负载二，工作电流为5A，每天工作12h。

该系统所处的地点，24h平均最低气温为-20℃，系统的自给天数时间为5天。

使用深循环工业用蓄电池（最大放电深度为80%）。

因为该光伏系统所在地区的24h平均最低温度为-20℃，所以必须修正蓄电池的最大允许放电深度。

由图6.3最大放电深度一蓄电池温度的关系图可以确定最大允许放电深度为50%。

所以

根据图6.2中，典型温度一放电率一容量变化曲线图，与平均放电率计算数值最为接近的放电率为50小时率，-20℃时在该放电率下所对应的温度修正系数为0.7（也可根据供应商提供的性能表进行查询）。

如果计算出来的放电率在两个数据之间，那么选择较快的放电率（短时间）比较保守可靠。

因此蓄电池容量为：

三、蓄电池的串、并联

（1）串联蓄电池数

每个蓄电池都有自己的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，需要将蓄电池串联起来给负载供电，串联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。

（2）并联蓄电池数

确定了蓄电池的容量之后，便可确定蓄电池组的并联数。

由上述公式可知，一个独立光伏发电系统蓄电池并联数的选择有很多种，例如，一个蓄电池的容量为400A.h，我们可以选择一个400A.h的单体蓄电池，也可以选择两个200A.h的蓄电池并联，还可以选择四个100A.h的蓄电池并联。

从理论上讲，这些选择都可以满足要求，但是在实际应用中，应尽量减少并联的数目。

也就是说最好选择大容量的蓄电池以减少所需要的并联数目。

这样做到目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响。

因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联的蓄电池发生不平衡。

并联的组数越多，发生不平衡的可能性就越大。

一般而言，建议并联的数目不要超过4组。

目前，很多光伏系统采用的是两组并联模式。

这样，如果有一组蓄电池出现故障，不能正常工作，就可以将该组蓄电池断开进行维修，而使用另外一组正常的蓄电池，虽然电流有所下降，但系统还能保持在标称电压状态下正常工作。

总之，蓄电池组的并联设计需要考虑不同的实际情况，根据不同的需要作出不同的选择。

例如对于一个独立光伏系统，巳知该系统电压为24V，蓄电池组的总容量为380A.h,如果选用12V/200A.h的蓄电池，那么需要串联的电池数：

蓄电池串联数=24V/12V=2（个）

需要并联的蓄电池数：

蓄电池并联数=380A.h/200=1.9（个）

取整数为2。

所以该光伏系统需要使用12V/200A.h的蓄电池个数为：

2串联×

2并联=4个。

6.1.3太阳电池方阵设计

在光伏系统实际使用中，往往一块太阳电池组件并不能满足使用现场的要求，可将若干太阳电池组件按一定方式组装，在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳电池方阵。

太阳电池方阵在安装的时候，应固定牢靠，能够经受当地最大风力。

且离地面要有一定的高度，以免冬天积雪掩埋。

方阵与地面之间要有一定的倾角。

有些方阵的组件两端并联有旁路二极管，有的方阵带有跟踪系统成聚光装置，均要根据实际情况采用不同的设计方案。

一、太阳的日辐射量

太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。

太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：

当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射值、散分量的比例、地表而的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。

要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。

从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量，直接辐射量及散射辐射量Hd，且有：

H≈HB+Hd（6.1）

当太阳电池组件倾斜放置时，原始气象数据就不能代表斜面上的太阳辐射数据，所以必须测量斜面上的辐射数据或者采用数学方法对原始的水平面的气象数据进行修正，换算成倾斜面上的太阳辐射量。

对于倾斜面上的太阳辐射总量及太阳辐射的直散分离原理可得：

倾斜面上的太阳辐射总量HT是由直接太阳辐射量HBT、天空散射量HdT和地面反射辐射量HrT三部分组成。

HT≈HBT+HdT+HrT（6.2）

（1）直接辐射分量HBT

HBT=RB+HB（6.3）

其中RB为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值。

对于朝向赤道的倾斜面来说：

式中：

Φ为光伏发电系统当地纬度；

β为光伏方阵倾角；

δ为太阳赤纬；

ωS水平面上日落时角；

ωST倾斜面上日落时角。

太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，在一年之中，太阳赤纬每天都在发生变化，但不超过±

23°

27'

的范围。

夏天最大变化到夏至日的+23°

；

冬天最小变化到冬至日的-23°

。

太阳赤纬随季节变化,按照库伯（cooper）方程，可知太阳赤纬的计算公式为：

n为一年中的天数。

如：

在春分，n=81，δ=0，自春分日起第d天的太阳赤纬为:

表6.2列出了各月每隔4日得太阳赤纬。

单位是：

℃。

（2）天空散射辐射分量HdT

对于天空散射采用Hay模型。

Hay模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射量两部分组成，可表示为：

H0为大气层外水平面上辐射量。

其计算公式为：

ISC为太阳常数，取1367W/m2。

若天空散射各向同性时，式子6.10可以化简为：

（3）地面反射辐射分量HrT

通常可将地面的反射辐射看成是各向同性的，其大小为：

其中p为地面反射率，其数值取决于地面状态，各种地面的反射率如下表所示:

一般计算时，可取ρ=0.2，综上所述，斜面上太阳辐射量即为:

如考虑天空散射的各向同性，式6.14则可化简为下式计算：

二、太阳电池方阵的倾角

在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接受到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。

光伏组件的放置形式有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪装置包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装置。

与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量:

太阳电池组件倾角；

太阳电池组件方位角。

太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角。

光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南面的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。

一般在北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°

）时，太阳电池组件的发电量是最大的。

对于固定式光伏系统，一旦安装完成，太阳电池组件倾角和太阳电池组件方位角就无法改变。

而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统，光伏组件方阵可以随着太阳的运行而跟踪移动，使太阳电池组件一直朝向太阳，增加了光伏组件方阵接受的太阳辐射量。

但是目前太阳能光伏供电系统中使用跟踪装置获得额外的太阳辐射产生的效益无法抵消安装该系统所需要的成本，大部分光伏发电系统都采用固定安装的形式。

固定安装的光伏系统涉及两个重要的方面，即如何选择最佳倾角以及如何计算斜面上的太阳辐射。

地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方阵平面要朝向赤道，相对地平面有一定倾角。

倾角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。

因此，确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。

在独立光伏系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀和极大性，而对于并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。

对于光伏发电系统方阵倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑：

①连续性。

一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的，多数是单调升降，个别也有少量起伏，但一般不会大起大落。

②均匀性。

选择倾角，最好使方阵表面上全年接收到的日平均辐射量比较均匀，以免夏天接收辐射置过大，造成浪费；

而冬天接受到的辐射量太小，造成蓄电池过放以至损坏，降低系统寿命，影响系统供电稳定性。

③极大性。

选择倾角时，不但要使方阵表面上辐射量最弱的月份获得最大的辐射量，同时还要兼顾全年日平均辐射量不能太小。

同时，对特定的情况要作具体分析。

如有些特殊的负载（灌溉用水泵、制冷机等）夏天消耗功率多，方阵倾角的取值当然应使得方阵夏日接收辐射量相对冬天要多才合适。

在这里，我们采用一种较近似的方法来确定方阵倾角。

一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度增加10°

~15°

在北方地区倾角可比当地纬度增加5°

~10°

，纬度较大时，增加的角度可小一些。

在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。

同时，为方阵支架的设计、安装方便，方阵倾角常取成整数。

下表为我国各大主要城市的纬度及辐射量。

表6.4我国各大主要城市的纬度及辐射量

城市

纬度

曰辐射量（Ht）

斜面日辐射量

修正值kop

1哈尔滨

45.68

12703

15838

1.1400

2长春

43.90

13572

17127

1.1548

3沈阳

41.77

13793

16263

1.0671

4北京

39.80

15261

18035

1.0976

5天津

39-10

14356

16722

1.0962

6呼和浩特

40.78

16574

20075

1.1468

7太原

37.78

15061

17394

1.1005

8乌鲁木齐

43.78

14464

16594

1.0092

9西宁

36.75

16777

19617

1.1360

10兰州

36.05

14966

15842

0.9m

11银川

38.48

16533

19615

1.1559

12西安

34,30

12781

12952

0,9275

13上海

31.17

12760

13691

0.9900

14南京

32.0

13099

14207

1,0249

15合肥

31.85

12525

13299

0-9988

16杭州

30.23

11668

12372

0.9362

17南昌

28.67

13094

13714

0.9640

18福州

26.08

12001

12451

0.8978

19济南

36.68

14043

15994

1.0630

20郑州

34.72

13332

14558

1.0476

21武汉

30.63

13201

13707

0.9036

22长沙

28,20

11377

11589

0,8028

23广州

23,13

12110

12702

0.8850

24海口

20.03

13835

13510

0.8761

25南宁

22,82

12515

12734

0.8231

26成都

30.67

10392

10304

0.7553

27贵阳

26.58

10327

10235

0.8135

28昆明

25.02

14194

15333

0.9216

29拉萨

29.70

21301

24151

1.0964

三、太阳电池方阵的容量

（1）太阳电池方阵的输出电流

将历年逐月平均水平面上太阳直接辐射及散射辐射量代入6.1~6.15各公式即可算出逐月辐射总量，然后求出全年平均日太阳辐射总量HT，单位化成Wh/m2，除以标准日光强即求出平均日照时数：

则方阵应输出的最小电流为：

Q为负载每天总耗电量；

η1为蓄电池充电效率；

η2为方阵表面灰尘遮蔽损失。

同时，由于倾斜面上各月中最小的太阳总辐射量可算出各月中最少的峰值日照数Tmin。

对应最少峰值日照数，太阳电池方阵应输出的最大电流为：

（2）太阳电池方阵最佳电流

方阵的最佳额定电流介于和这两个极限值之间，具体数值可用尝试法确定。

先选定一电流值I，然后对蓄电池全年荷电状态进行检验，方法是按月求出方阵输出的发电量：

n为当月天数。

而各月负载耗电量为：

两者相减，ΔQ=Qout-Qload为止，表示该月方阵发电量大于耗电量，能给蓄电池充电。

若ΔQ为负，表示该月方阵发电量小于耗电量，要用蓄电池储存的能量来补足。

如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度，就应增加方阵输出电流；

如果荷电状态始终大大高于放电深度允许的值，则可减少方阵电流。

当然也可相应地增加或减少蓄电池容量。

若有必要，还可修改方阵倾角，以求得最佳的方阵输出电流Im。

（3）方阵电压的输出电压

方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。

方阵在任何季节的工作电压应满足：

V=Vf+Vd（6.21）

Vf为蓄电池浮充电压；

Vd为因线路（包括阻塞二极管）损耗引起的电压降。

（4）太阳电池方阵的功率

由于温度升高时，太阳电池的输出功率将下降