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离网并网光伏电站容量设计完整电子文档配习题
离网并网光伏电站容量设计（完整电子文档，配习题）
光伏发电系统按大类可分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。
其中，离网光伏发电系统容量主要由负载用电情况决定；并网光伏电站容量主要由系统占地面积、纬度、跟踪方式等因素决定。
2.1离网光伏发电系统容量设计
2.1.1 离网光伏发电系统结构
1.离网光伏发电系统组成
（1）典型离网光伏发电系统
离网光伏发电系统结构如下图2-1所示，主要包括光伏阵列、控制器、蓄电池、逆变器和负载。
太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将太阳光昀光能直接转换成电能；并通过控制器把太阳能电池产生的电能存储于蓄电池中；当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。
太阳能电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。
太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来。
图2-1独立型太阳能光伏发电系统工作原理
（2）离网光伏发电系统各部件功能
太阳能电池组件（阵列）
太阳能电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分。
其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于推动负载工作。
当发电容量较大时，就需要用多块电池组件串、并联后构成太阳能电池方阵。
目前应用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。
蓄电池
蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。
太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：
自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。
目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器。
当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。
光伏控制器
太阳能光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，其功能主要有：
防止蓄电池过充电保护、防止蓄电池过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等。
在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。
另外控制器还有光控开关、时控开关等工作模式，以及充电状态、蓄电池电量等各种工作状态的显示功能。
光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率和风光互补控制器等。
交流逆变器
交流逆变器是把太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载使用的设备。
逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。
独立运行逆变器用于独立运行的太阳能发电系统，为独立负载供电。
并网逆变器用于并网运行的太阳能发电系统。
2.离网光伏发电系统分类
离网光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直流混合光伏发电系统。
而在直流光伏发电系统中又可分为有蓄电池的系统和没有蓄电池的系统。
（1）无蓄电池的直流光伏发电系统
无蓄电池的直流光伏发电系统如图2-2所示。
该系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。
太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。
系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。
该系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能的利用效率。
这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。
图2-2无蓄电池的直流光伏发电系统图图2-3有蓄电池的直流光伏发电系统
（2）有蓄电池的直流光伏发电系统
有蓄电池的直流光伏发电系统如图2-3所示。
该系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。
有阳光时，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。
夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。
这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。
当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。
（3）交流及交、直流混合光伏发电系统
交流及交、直流混合光伏发电系统如图2-4所示。
与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。
交、直流混合系统则既能为直流负载供电，也能为交流负载供电。
图2-4交流和交、直流混合光伏发电系统
（4）市电互补型光伏发电系统
所谓市电互补光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以大阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅，如图2-5所示。
这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。
我国大部分地区基本上全年都有三分之二以上的晴好天气，这样系统全年就有三分之二以上的时间用太阳能发电，剩余时间用市电补充能量。
这种形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过渡性的好办法。
这种形式的原理与下面将要介绍的无逆流并网型光伏发电系统有相似之处，但还不能等同于并网应用。
图2-5市电互补型光伏发电系统
市电互补型光伏发电系统的应用举例。
某市区路灯改造，如果将普通路灯全部换成太阳能路灯，一次性投资很大，无法实现。
而如果将普通路灯加以改造，保持原市电供电线路和灯杆不动，更换节能型光源灯具，采用市电互补光伏发电的形式，用小容量的太阳能电池和蓄电池（仅够当天使用，也不考虑连续阴雨天数），就构成了市电互补型太阳能光伏路灯，投资减少一半以上，节能效果显著。
2.1.2 离网光伏发电系统容量设计
所谓光伏发电系统容量是指发电系统中电池组件的功率值，用瓦或千瓦来表示。
1.离网光伏发电系统规划设计方法
离网光伏发电系统容量设计步骤如下图2-6所示。
图2-6离网光伏发电系统容量设计步骤
在设计光伏发电系统时，应当根据负载的要求和当地太阳能资源及气象地理条件，依照能量守恒的原则，综合考虑下列各种因素和技术条件。
2.离网光伏发电系统组件容量设计基本思路
太阳能电池组件的设计原则是:
太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。
因为天气条件有低于和高于平均值的情况，因此，设计太阳能电池组件要满足光照最差、太阳能辐射量最小季节的需要。
如果只按平均值去设计，势必造成全年三分之一多时间的光照最差季节蓄电池的连续亏电。
蓄电池长时间处于亏电状态将造成蓄电池的极板硫酸盐化，使蓄电池的使用寿命和性能受到很大影响，整个系统的后续运行费用也将大幅度增加。
设计时也不能考虑为了给蓄电池尽可能快地充满电而将太阳能电池组件设计得过大，这样在一年中的绝大部分时间里太阳能电池的发电量会远远大于负载的用电量，造成太阳能电池组件的浪费和系统整体成本的过高。
因此，太阳能电池组件设计的最好办法就是使太阳能电池组件能基本满足光照最差季节的需要，就是在光照最差的季节蓄电池也能够基本上天天充满电。
在有些地区，最差季节的光照度远远低于全年平均值，如果还按最差情况设计太阳能电池组件的功率，那么在一年中的其他时候发电量就会远远超过实际所需，造成浪费。
这时只能考虑适当加大蓄电池的设计容量，增加电能储存，使蓄电池处于浅放电状态，弥补光照最差季节发电量的不足对蓄电池造成的伤害。
有条件的地方还可以考虑采取风力发电与太阳能发电互相补充（简称风光互补）及市电互补等措施，达到系统整体综合成本效益的最佳。
3.太阳能电池组件及方阵的设计方法
上面已经说过，太阳能电池组件的设计就是满足负载年平均每日用电量的需求。
所以，设计和计算太阳能电池组件大小的基本方法就是用负载平均每天所需要的用电量（单位：
安时或瓦时）为基本数据，以当地太阳能辐射资源参数如峰值日照时数、年辐射总量等数据为参照，并结合一些相关因素数据或系数综合计算而得出的。
在设计和计算太阳能电池组件或组件方阵时，一般有两种方法。
一种方法是根据上述各种数据直接计算出太阳能电池组件或方阵的功率，根据计算结果选配或定制相应功率的电池组件，进而得到电池组件的外形尺寸和安装尺寸等。
这种方法一般适用于中小型光伏发电系统的设计。
另一种方法是先选定尺寸符合要求的电池组件，根据该组件峰值功率、峰值工作电流和日发电量等数据，结合上述数据进行设计计算，在计算中确定电池组件的串、并联数及总功率。
这种方法适用于中大型光伏发电系统的设计。
下面就以第一种方法为例介绍一个常用的太阳能电池组件的设计计算公式和方法。
（1）以峰值日照时数为依据的简易计算方法
这是一个常用的简单计算公式，常用于小型独立太阳能光伏发电系统的快速设计与计算，也可以用于对其他计算方法的验算。
其主要参照的太阳能辐射参数是当地峰值日照时数。
在本公式中，太阳能电池组件功率、用电器功率的单位都是瓦（W）;用电时间和当地峰值日照时数的单位都是小时（h）;蓄电池容量单位为安时（Ah）；系统电压是指蓄电池或蓄电池组的工作电压，单位是伏（V）。
损耗系数主要有线路损耗、控制器接入损耗、太阳能电池组件玻璃表面脏污及安装倾角不能兼顾冬季和夏季等因素，可根据需要在1.6~2之间选取。
系统安全系数主要是为蓄电池放电深度（剩余电量）、冬天时蓄电池放电容量减小、逆变器转换效率等因素所加的系数，计算时可根据需要在1.6～2之间选取。
设计实例某地安装一套太阳能庭院灯，使用两只9W/12V节能灯做光源，每日工作4h。
已知当地的峰值日照时数是4.46h，求太阳能电池总功率。
计算：
（2）以年辐射总量为依据的计算方法
这是一个以太阳能年辐射总量为依据的计算公式，与上一个公式异曲同工。
本公式中，太阳能电池组件功率的单位是瓦（W）、用电器工作电压单位是伏（V）；用电器工作电流单位是安培（A）；用电时间单位是小时（h）;蓄电池容量单位为安时（Ah）；年辐射总量单位是千焦／平方厘米（kj/cm2）。
公式中K为辐射量修正数，单位是千焦／平方厘米·小时（kj/cm2·h），对于不同的运行情况，K可以适当调整，当光伏发电系统处于有人维护和一般使用状态时，K取230；当系统处于无人维护且要求可靠时，K取251；当系统处于无法维护、环境恶劣、要求非常可靠时，K取276。
蓄电池放电容量修正系数和安全系数，采用碱性蓄电池取1.5，采用铅酸蓄电池时取1.8。
低温系数是指若蓄电池放置地点的最低温度可达到-10℃时，温度系数取1.1，可达到-20℃时取1.2。
为对比两种计算公式的区别，还用上个设计实例的条件计算。
设计实例1某地安装一套太阳能庭院灯，使用两只9W/12V节能灯做光源，每日工作4h，要求能连续工作3个阴雨天。
已知当地的全年辐射总量是580kj/cm2，求太阳能电池总功率和蓄电池容量。
计算：
先计算用电器工作电流=18W/12V=1.5A
带入公式求太阳能电池组件功率P，
设计实例2:
某移动通信基站设备负载功率125W，工作电压48V，工作电流2.6A，24h全天候工作，该地区年辐射总量640kj/cm2，蓄电池放置地点温度-20℃，最长连续阴雨天数7天。
该基站无人值守维护，环境条件恶劣，要求不间断供电。
计算：
求太阳能电池组件功率P
3.以年辐射总量和斜面修正系数为依据的计算方法
这也是一个常用的简单计算公式，常用于独立太阳熊光伏发电系统的快速设计与计算，也可以用于对其他计算方法的验算。
其主要参照的太阳能辐射参数是当地年辐射总量和斜面修正系数。
首先根据各用电器的额定功率和每日平均工作的小时数，计算出总用电量：
为方便计算，系数5618是将充放电效率系数、电池组件衰降系数等因素，经过单位换算及简化处理后，得出的系数。
安全系数是根据使用环境、有无备用电源、是否有人值守等因素确定。
一般在1.1～1.3之间选取。
水平面年平均辐射量的单位是kj/m2·d。
设计实例：
北京地区一套太阳能庭院灯带有两个灯头，一个是11W/12V节能灯，每天工作5小时，另一个是3W/12V的LED球泡灯，每天工作12h，试计算电池组件功率和蓄电池容量。
通过参数表查得北京的斜面修正系数为1.0976，水平面年平均日辐射量为15261（kj/m2.d），安全系数取1.2。
2.2并网光伏发电系统容量设计
2.2.1 并网光伏发电系统结构
所谓并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。
并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统，也有分散式小型并网光伏系统。
集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。
但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。
而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。
常见并网光伏发电系统一般有下列几种形式。
1.有逆流并网光伏发电系统
有逆流并网光伏发电系统如图2-8所示。
当太阳能光伏系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电（卖电）；当太阳能光伏系统提供的电力不足时，由电网向负载供电（买电）。
由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。
图2-8有逆流并网光伏发电系统
2.无逆流并网光伏发电系统
无逆流并网光伏发电系统如图2-9所示。
太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公；电网供电，但当太阳能光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。
图2-9无逆流并网光伏发电系统
3.切换型并网光伏发电系统
切换型光伏并网发电系统如图2-10所示。
所谓切换型并网光伏发电系统，实际上是具有自动运行双向切换的功能。
一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电一侧，由电网向负载供电；二是当电网因为某种原因，然停电时，光伏系统可以自动切换使与电网分离，成为独立光伏发电系统工作状态。
有些切换型光伏发电系统，还可以在需要时断开为一般负载的供电，接通对应急负载的供电，一般切换型并网光伏发电系统都带有储能装置。
图2-10切换型并网光伏发电系统
2.2.2地面并网光伏发电系统容量基本设计
1.地面并网光伏电站
地面并网光伏发电系统容量一般由光伏电站可建设面积来决定。
从光伏电站的转换效率、组件方阵最小间距、站区布局等角度出发，10MW地面固定倾斜安装方式的并网光伏电站约占地300亩～340亩土地。
（1）并网光伏电站发电分析
光伏方阵年发电量计算公式为：
式中光伏方阵面积不仅仅是指占地面积，也包括光伏建筑一体化并网发电系统占用的屋顶、外墙立面等。
组件转换效率，单晶硅组件取17%，多晶硅组件取15%。
其中K1为太阳能电池长期运行性能衰降修正系数，一般取0.8:
K2为灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正，一般取0.82;K3为线路损耗修正，一般取0.95;K4为逆变器效率，一般取0.85，也可根据逆变器生产商提供的技术参数确定；K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数。
表2-1太阳能电池组件朝向与倾斜角的修正系数
光伏组件朝向
太阳能电池组件方阵与地面的倾斜角
0°
30°
60°
90°
东
93%
90%
78%
55%
东南
93%
96%
88%
66%
南
93%
100%
91%
68%
西南
93%
96%
88%
66%
西
93%
90%
78%
55%
同一系统有不同方向和倾斜角的光伏方阵时，要根据各自条件分别计算发电量。
（2）并网光伏电站容量分析
对于并网光伏电站容量是指系统中组件功率总和。
在给定区域内，并网光伏电站的容量主要由电池组件有效面积决定，电池组件有效面积是指电池组件面的面积总和。
电池组件实际占地面积估算
电池组件有效面积与当地维度、组件间距、站址面积等参数相关。
例如位于新疆阿克苏市（80.3度，纬度为41.2度）10MW光伏电站电池组件间距如下图2-11所示。
图2-11组件间距
从上图中可知，组件倾斜角ω为41º，每行组件长度L为1590*2mm，其在地面的有效长度为
，可见组件在水平面的投影约占电站面积的36%，如果把组件实际面积投影到电站面积中，约占44.4%，即光伏电站站区面积的44.4%为电池组件的有效面积。
在光伏电站站区中，除了组件及组件间距面积还包含站区通道、配电房等占地面积。
所以光伏电站中电池组件的有效面积约占站区面积的0.35%左右，其值受纬度、倾斜角、组件方阵的跟踪方式而影响。
电站容量估算
从上分析来看，在给定站区面积情况下，并网光伏电站的装机容量可用下述表达式估算。
上式中，Szq为站区面积，ρ为有效面积系数（取0.35），Pz为单体组件功率，Szj为单体组件面积。
例如占地60亩土地的固定倾斜光伏电站，采用250W（1.63m2）的电池组件，则该电站可建容量为：
。
另外上述公式也可以从电池转换效率角度对光伏电站容量进行估算：
。
上式β为电池组件转换效率。
在上述案例中，电池组件功率250W，面积1.63m2，即表示该电池转换效率为15.33%。
带入公式后，
。
2.屋顶分布式光伏电站容量设计
屋顶光伏电站属于分布式并网电站，一般都是在低压配电侧并网。
对电网公司来说其电源是不受控，配电侧并网电网公司对其不作为发电站来管理，不监测，不控制，但需要从总量上加以限制。
在日本，屋顶分布式光伏电站容量基本按不超过配电容量的20%；美国，一般不超过配电容量的15%；中国还没有文件明确规定比例要求，基本掌握不超过30%。
上述15%、20%或30%是按照负荷来计算的，主要是为了发出来的电要基本在配电侧全部用掉，而尽可能少发生逆流（用不掉而向高压侧反送电）。
例如，按照北京地区建筑设计配电要求，住宅：
21.7VA/㎡，办公、大型公建：
80～100VA/㎡，对于住宅和办公建筑的设备实际使用率大约为30%以上。
也就是说光伏发电系统容量＜30%配电容量，所发电量基本可全部自发自用。
2.3本章练习
1.从当前光伏发电应用领域及我们在日常生活中的所见，你认为光伏发电可以在哪些应用领域。
2.分析归纳光伏发电优缺点特性。
3.分析典型离网光伏发电系统结构及每个部件的功能。
4.分析典型并网光伏发电系统结构及每个部件的功能。
5.简述离网光伏发电系统容量设计的方法。
6.简述并网光伏发电系统容量设计方法。
7.简述离网、并网光伏发电系统容量设计的影响因素。
8.一个家用并网光伏发电系统如下图所示。
分析每个部件内容及功能。
图2-12案例8图
9.一地面光伏电站约占地100亩，维度30度，组件最优倾斜角40度。
估算该电站系统容量。
10.已知一离网光伏发电系统用电负载平均用电情况如下表所示。
该系统采用直流负载，负载工作电压48V，用电量为每天150Ah，该地区最低的光照辐射是1月份，其顸斜面峰值日照时数是4.0h，选定125W太阳能电池组件，其主要参数：
峰值功率125W、峰值工作电压34.2V、峰值工作电流3.65A，计算该光伏发电系统容量。
表7-3负载分析表
序号
负载名称
AC/DC
负载功率/W
负载数量
合计功率/W
每日工作时间/h
每日耗电量/Wh
1
日常照明
DC
30
4
120
3
360
2
通信设备
DC
50
1
50
8
400
11.在北京地区某大型公建约20000m2，拟在屋顶建设以自发自用为主的分布式光伏电站，其容量最大为多少。
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