原创 光伏系统设计中的若干误区.docx

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原创光伏系统设计中的若干误区

原创光伏系统设计中的若干误区

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1.引言

在光伏系统建造过程中，光伏系统容量的设计是最重要的环节，由于光伏系统的应用与当地的气象条件有关，同样的负载，在不同地点使用，所需配置的容量也不一样；同时目前光伏发电的成本比较高，所以要建成一个合理、完善的光伏系统，必须进行科学的优化设计，使得光伏系统既能充分满足负载的用电需要，又能达到配备的光伏组件和蓄电池容量最小，做到可靠性与经济性的最佳结合。

现在有不少光伏产品和工程，甚至是大型光伏电站，并没有经过仔细的容量优化设计，虽然也能够工作，但是效率却相差很大，事实上，要使太阳电池的效率提高1%非常困难，然而由于系统设计不当，而导致发电效果降低10%的情况，却并不少见。

有些甚至可能导致系统无法长期正常运行，所以必须十分重jianfei视光伏系统的容量设计。

2.日照时间、日照时数与峰值日照时数

日（可）照时间是从日出到日落之间的小时数，这是当地最长可能的日照时间，不同地点的日照时间，不需要测量，可以通过公式计算得到，例如，上海地区冬至日的日照时间是9.98h；秋分日的日照时间是11.91h。

气象台测量的日照时数，是指在太阳达到一定的辐照度（一般是120W/m2）时开始记录，直至小于此辐照度时停止记录，期间所经历的小时数，所以要小于上面先容的日照时间。

例如，上海地区1971~1980年实际测量的平均日照时数是1963.4h，所以平均天天是5.38h。

同期拉萨地区的年日照时数是3010.5h，平均天天是8.24h；而重庆地区是1117.6h，平均天天是3.06h。

峰值日照时数是将当地的太阳辐照量，折算成标准测试条件（辐照度1000W/m2）下的小时数。

例如，上海地区冬至日的日照时间是9.98h，但并不是在这9.98h中太阳的辐照度都是1000W/m2，而是随时变化的，而且一般在冬至日光强也达不到1000W/m2。

如测得在这天累计的太阳辐照量是2300W·h/m2，则这天的峰值日照时数就是2.3h。

拉萨地区1981~2000年期间平均峰值日照时数是5.33h；同期上海地区的峰值日照时数是3.46h；重庆地区的峰值日照时数是2.44h。

这几个地区可大致代表我国太阳辐照量高、中、低不同地区的峰值日照时数。

显然，在计算光伏方阵的发电量时应该使用峰值日照时数，而不是日照时数。

有份资料提出：

"在上海建造一座100kW的光伏电站，按上海全年平均日照1900小时计算，全年可发电kWh---"。

显然这是将日照时数与峰值日照时数相混淆了，实际上上海水平面的全年平均峰值日照时数大约只有1263h。

3.3.倾斜面上辐照量的计算倾斜面上辐照量的计算

通常气象台提供的只是水平面上的太阳辐照量，而太阳电池方阵一般是倾斜放置的，需要将水平面上的太阳辐照量换算成倾斜方阵面上的辐照量。

不过在计算平均值时要取合适的时间间隔。

在太阳能应用系统的设计中，通常是进行逐月能量平衡计算，只要计算倾斜面上的月平均太阳辐照量即可，所以要将水平面上的月平均太阳辐照量换算成倾斜面上月平均太阳辐照量。

在计算倾斜面上月平均太阳辐照量时，不少人还在应用Liu和Jordan在1962年提出的计算方法。

这种方法虽然计算比较简单，但实际上只有在一年中的太阳二分点（三月和九月的春分、秋分日）才是正确的。

而且用此方法对于朝向赤道的倾斜面上月平均散射辐照量的计算结果会偏小。

目前国际上普遍采用的是Klien和Theilacker在1981年提出的计算方法，可以比较精确地算出在不同方位角的情况下，各种倾斜面上的月平均太阳辐照量。

只是计算公式相当复杂，我们已经开发编制了专门的计算程序来进行计算。

现在有一些设计，不进行倾斜面上太阳辐照量的计算，而直接应用气象台提供的水平面上的太阳辐照量数据，显然这是不合理的。

4.如何确定最佳倾角

确定光伏方阵的倾角大小是优化设计的重要环节。

方阵的最佳倾角，应根据不同情况而定，对于离网独立光伏系统，情况比较复杂，有些文献提出以当地设计月份（指水平面上太阳辐照量最弱的月份，北半球通常为12月）得到最大太阳辐照量，所对应的角度作为方阵的倾角。

其实这是不恰当的，因为这样往往在夏天时方阵面上接收

下列北京地区12月份得到最大辐照量的倾角是63o，然而此时全年辐照量却减少很

（图省略）

还有些资料提出光伏方阵的安装倾角可以由以下的关系来确定：

纬度0o~25o，倾角等于纬度；

纬度26o~40o，倾角等于纬度加上5o~10o；减肥产品排行榜

纬度41o~55o，倾角等于纬度加上10o~15o；

纬度25o，倾角等于纬度加上15o~20o

实际上，即使纬度相同的两个地方，其太阳辐照量及其组成也往往相差很大，如拉萨（29.40o）和重庆（29.31o）地区纬度基本相同，而水平面上的太阳辐照量却要相差一倍以上，拉萨地区的太阳直射辐照量占总辐照量的67.7%，而重庆地区的直射辐照量只占33.8%，显然加上相同的度数作为方阵倾角是不妥当的。

有的资料不讲使用条件，列出了我国部分城市的最佳倾角，这是不妥的，因为负载及使用要求不同，最佳倾角是不一样的。

确定太阳电池方阵的最佳倾角，首先要分析不同类型负载的情况。

要确定为均衡性（即负载每天的耗电量基本相同）负载供电的独立光伏系统方阵的最佳倾角最为复杂，要综合考虑方阵面上接收到太阳辐照量的均衡性和极大性等因素，要经过反复计算，

比较各种不同的倾角所需配置的太阳电池方阵和蓄电池容量的大小，才能得到既符合要求的蓄电池维持天数，又能使所需要的太阳电池方阵容量最小所对应的方阵倾角。

计算发现，即使其它条件一样，对于不同的蓄电池维持天数，要求的系统累计亏欠量不一样，其相应的方阵最佳倾角也不一定相同。

另外一类是季节性负载，最典型的是光控太阳能光伏照明系统，这类系统的负载每天工作时间随着季节而变化，其特点是以自然光线的强弱来决定负载工作时间的长短。

冬天时负载耗电量大，所以设计时要考虑照顾冬天，使得冬天时倾斜面上得到的辐照量大，因此所对应的最佳倾角应该比为均衡性负载供电方阵的倾角大。

而对于并网光伏系统方阵倾角的确定就比较简单，由于所产生的电能可以全部输入电网，得到充分利用，因此，只要使得方阵面上全年能接收到最大辐照量即可。

所以对于某个地点，只要掌握了当地的太阳辐照量数据，即可确定在该地区安装并网光伏系统的方阵最佳倾角，对于朝向赤道的方阵，除了极个别地区，方阵的最佳倾角都要小于当地纬度。

武汉某大学发表的"太阳能光伏发电并网电站设计与研究"的论文，先容该校在屋顶建造的功率为18.36kW的并网光伏示范电站，提出"根据计算和武汉的纬度，以及考虑增大冬季发电量的需求，太阳能电池板倾角增大了些，设计倾角为35o"。

增大方阵倾角，可以增加冬季发电量。

但是必定会减少夏季的发电量，结果肯定得不偿失。

总之，方阵安装倾角总的规律是：

对于同一地点，并网光伏系统的方阵倾角最小；其次是为均衡负载供电的独立光伏系统；而为光控负载供电的独立光伏系统，冬天耗电量大，方阵的最佳倾角也比较大。

如果方阵倾角选择不当，特别是对于大型电站，即使影响1%，对于一个MW级光伏电站来说，每年就会损失上万kWh的电能，所以绝对不能掉以轻心

5.离网光伏系统必须进行逐月能量平衡计算

很多论文和专著先容在系统设计时，其基本思想是满足年平均日负载的用电需求。

在确定太阳电池方阵的容量时，先根据蓄电池电压等算出方阵中太阳电池组件的串联数，再由日平均负载与组件日输出相除求得并联组件数，然后与每块组件的功率相乘得到方阵的容量。

这种方法计算得出的方阵的容量会偏小，原因是太阳辐照量不是各个月份都相同的，夏天太阳辐照量比较大，对于离网光伏系统，在蓄电池充满后，多余的能量通常就只能浪费掉了，不能再供给负载使用，所以离网光伏系统所发出的电力，有一部分是无法利用的。

如果设计时考虑光伏发电总量刚好等于负载的耗电总量，则全年就不能够满足负载的用电要求。

例如：

为沈阳地区设计一套太阳能路灯，灯具功率为30W，每天工作6小时，工作电压为12伏，蓄电池维持天数取5天。

经过优化设计结果得到：

方阵最佳倾角βopt=62o

太阳电池方阵容量为：

107.2W

蓄电池容量为：

104.2Ah

各月能量平衡情况见下表

各月能量平衡情况表

（略）

可见在系统运行前，蓄电池容量为104.2Ah，处于充满状态。

在1月份，光伏系统发电量全部利用还不够，亏损了4.8456Ah。

到2月份，系统所发电量除了满足负载使用以外，再补足1月份亏损的4.8456Ah，多余的89.9144Ah只好浪费。

此后的3~10月，多余的电量也都不能利用。

各月发电量相加得到全年太阳电池方阵发电量为6087.12Ah，而灯具实际耗电量为5475Ah，另外有612Ah的电力是浪费掉了，如果太阳电池方阵容量比较小，全年发电量只有5475Ah，显然是不能够满足灯具全年的用电需要的。

有文献先容：

设计一个离网光伏系统，负载为24V，400Ah/天，该地区最低的光照辐射是一月份，如果采jianfei用30o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，最佳工作电流为4.4A,每天的输出为组件日输出=3.0峰值小时×4.4A=13.2Ah/天

假使蓄电池的库伦效率为90%，太阳电池组件的输出衰减为10%，可得到：

并联组件数目=日平均负载（Ah）/库伦效率×[组件日输出（Ah）×衰减因子]

=400（Ah）/0.9×[13.2（Ah）×0.9]=37.4

串联组件数目=系统电压（V）/组件电压（V）

=24/12=2

因此选择并联组件数目为38，串联组件数量为2,总的太阳电池组件数=2串38并=76块

讨论：

（1）该设计考虑了辐照量最低的1月份方阵的发电量也能够满足负载的用电需要，其它月份也肯定能够满足负载的用电需要，但是这样对于一般的光伏系统，容量配置偏大了，没有实现优化设计的要求。

（2）上例中24V是蓄电池的标称电压，组件电压不是12V。

6.影响系统效率参数的确定影响系统效率参数的确定

《甘肃科技》2009年6月刊登的一篇文章提出：

太阳电池组件并联数

Np=PlH/V·Hp·Imp·Kp1·Kp2·Kp3·Kp4·Kp5·Kp6

其中：

Kp1蓄电池充电效率，可取0.8~0.9Kp2-逆变器转换效率,可取0.8~0.9；

Kp3-配合损失系数可取0.95~0.98；

Kp4-方阵组合损失系数可取0.95~0.98；

Kp5-灰尘遮蔽损失系数可取0.9~0.95Kp6-温度补偿系数可取0.9~0.98

由于影响光伏系统发电的因素很多，有本书甚至提出三、四十个效率和修正系数。

进行比较仔细的分析是对的，但是如果要对每个因素进行定量分析，既无必要，也不切实际。

通常只要引入一、两个必要的效率系数即可，如对于离网光伏系统，可以引入输入部分效率和输出部分效率，根据光伏系统的具体情况，确定其数值。

对于并网光伏系统，如果满足方阵面向赤道，按最佳倾角安装，设计、制造、安装、维护及部件质量都比较好的条件下，可以用一个综合效率（PerformanceRatio）来描述，IEAPVPS推荐：

在屋顶安装的光伏系统可取PR=0.75；在地面安装的光伏系统可取PR=0.8。

7.两排方阵之间的最小距离

有的资料介绍高度为H障碍物的阴影长度,计算公式是d=0.707H/tan[arcsin（0.648cosφ-0.399sinφ）]

其中：

H为阵列前排最高点与后排最低位

置的高度差，φ是当地纬度。

对于上海地区，d=1.904H

实际上这个计算公式是不正确的，原因是在推导过程中混淆了方位角和时角的概念。

同样，两排方阵之间的最小距离也出现了偏差。

（1）高度为H的阴影长度

根据日地相对运动的规律，在冬至日上午9：

00至下午3：

00之间，后排的太阳电池方阵不应被遮挡的原则，计算公式是：

---

其中：

d是阴影长度；φ是当地纬度

由此计算得出对于上海地区d=1.938H

---

（2）.两排方阵之间的最小距离D

---

其中：

L是方阵高度；β是方阵倾角

&#；

8.8.正确选择太阳的电池组件串连数目正确选择太阳的电池组件串连数目

《阳光电源》2009年第10期上介绍了某市1MW并网光伏电站示范项目设计方案，提出：

额定功率为W，当地平均逐日标准日照3.52小时，计算可得，并网发电示范项目全年发电量为1283.72×/1000=129.09万kWh。

其中没有考虑任何损耗，系统效率为100%，实际上是不可能的。

同时也没有考虑倾面上的太阳辐射量。

在该文中还谈到"选用SG250K3并网逆变器的MPPT电压范围450Vdc~820Vdc，因此采用14块光伏组件串联，工作电压为366.8V，开路电压为467.6V，满足SG250K3控制逆变器的工作电压范围"。

显然工作电压为366.8V，并不在并网逆变器的MPPT电压范围内，这样会对光伏电站的效率产生较大的影响。

在我国第一个著名10MW光伏电站的预可行性研究报告中，提出采用250kW并网逆变器的直流工作电压的范围为：

450~880V，最佳直流电压的工作点为560V。

每块组件的最佳工作电压为23.5V，则太阳电池组件串的组件数量为：

Ns=560/23.5=23.8

但是考虑到温度变化系数，实际采用18块组件串联。

而18块组件串联时，其最佳工作电压只有18×23.5=423V

已经超出了并网逆变器的直流工作电压范围，而且在多数时间太阳辐照度达不到标准测试条件的1000W/m2，其实际工作电压更低。

这样的连接方法将严重影响光伏电站的效率。

如要考虑夏天温度升高时最佳工作电压下降的影响，应该是增加串联组件的数量而不是减少。

9.CO2排放指数

在讨论光伏发电的环境效益时，一个重要指标是CO2排放指数，定义是光伏系统在当地每发电1kWh电能，相当于减少CO2的数量。

确定CO2减排指数的一种方法是根据发电平均耗煤量估算。

有个为江苏建造光伏电站的设计资料，对于社会效益中CO2排放指数的计算方法是：

目前我国每kWh发电平均耗标煤为390g/kWh，每发1kWh电排放CO2

C+O2=CO2

123244390*44/12=1430g/kWh~1.4kg/kWh

每瓦光伏组件平均每年发2kWh,所以每瓦光伏组件平均每年相当减排CO2吨数

2kWh×1.4×103t/kWh=2.8×103t显然，这些数据是夸大了。

（1）煤炭的成分并不全部是碳，当成100%的碳燃烧成CO2来计算，结果肯定与实际情况相差甚远。

根据IEA的统计，全球的CO2排放指数平均为0.6kg/kWh，我国的CO2排放指数要稍大一些。

（2）对于江苏地区，无论采取什么措施，要每瓦光伏组件平均每年发2kWh的电力，是不现实的。

10.合理配置容量

根据产品介绍：

青岛市某光伏照明设备厂生产的SS-33太阳能庭院灯，采用6W多晶硅组件，蓄电池组用6节1.2V镍氢电池（容量：

6Ah），环境光低于4Lx时，光控开启，8小时后定时关闭。

光源用超高亮白5WLED（光通量200Lm），亮度相当于一个50W的白炽灯，可连续工作3~5个阴雨天。

太阳能庭院灯每天耗电量：

5W×8h/d=40Wh/d

以维持3天计，总共耗电量：

40Wh/d×3d=120Wh

而蓄电池的容量只有：

1.2V×6Ah×6=43.2Wh

即使不计蓄电池效率、放电深度等因素，这样配置的蓄电池容量也是无法正常工作的。

同时，负载每天耗电5W×8h=40Wh，只配备6W太阳电池组件，即使不考虑各种损耗，太阳电池发电只维持当天的用电，每天的峰值日照时数也至少需要：

40Wh/6W=6.7h，显然，在中国任何地点都达不到如此太阳辐照量，所以这种产品是不可能正常工作的。

总之，光伏系统的建造是一项综合性的系统工程，影响的因素很多，在设计、选择部件、加工、安装、运行、维护等各个环节中，系统的容量设计，确定太阳电池方阵和蓄电池容量及方阵的倾角，是最重要的基础。

只有进行科学、合理的优化设计，才能保证光伏系统做到可靠、安全、经济地运行。

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