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电力案例五：太阳能光伏发电系统设计计算作者：李华芳、, 、-前言太阳能光伏发电是目前发展最快、最具潜力的新能源利用方式之一， 太阳能光伏发电系统又分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两种类 型，两者在设计过程中考虑的因素有所不同， 从而设计计算也有一定区别 其中独立光伏发电系统的设计计算独具特色，本文以 2kW独立光伏发电系统和200kW并网光伏发电系统的设计为例，简单介绍光伏发电系统的设计 计算1．独立太阳能光伏发电系统的结构及设计1. 独立太阳能光伏发电系统结构框图独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主 要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油机发电、风力 发电、电网电源或其他电源作为补充从电力系统来说， kW级以上的独立 光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统独立光伏发电系统由太阳能电池方阵、防反充二极管、控制器、逆变 器、蓄电池组以及支架和输配电设备等部分构成太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的 控制下为蓄电池组充电防反充二极管也称为“阻塞二极管”或“隔离二 极管”其功能是利用二极管的单向导电性，防止无日照时蓄电池组通过 太阳能电池方阵放电。

直流或交流负载通过开关与控制器连接控制器负责保护蓄电池，防 止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将 自动切断负载； 当蓄电池达到过充电状态时， 控制器将自动切断充电电路 有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数 据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能在交流光伏发电系统中， DC-AC 逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电2 ． 独立光伏发电系统设计框图图2独立光伏发电系统总体设计框图其中最重要的是光伏发电系统的容量设计，它根据当地的太阳能辐照 资源和使用要求，确定必要的太阳能电池方阵和蓄电池的规模容量及方阵 最佳倾角，这也是本文讨论的重点3．独立光发电系统容量设计框图4． 光伏系统优化设计的目标是优化太阳能电池方阵容量和蓄电池组容量 的相互关系，在保证光伏发电系统可靠工作的前提下，达到成本最低在 现阶段 ,太阳能电池的价格还较高 , 设计光伏系统同时应当根据负载的要求 对当地的太阳能辐照资源、地理及气象数据有尽量详细的了解，一般要求 掌握日平均太阳辐照量、 月平均太阳辐照量和连续阴雨天数等 , 依照能量平 衡的原则 , 综合考虑各种因素。

光伏系统优化设计的原则是在充分满足用户负载用电需要的前提下， 尽量减少太阳电池方阵和蓄电池的容量，以达到可靠性和经济性的最佳结 合，避免盲目追求低成本或高可靠性的倾向容量设计的主要内容是确定 太阳能电池方阵和蓄电池的容量，以及确定光伏方阵的倾角设计实例 1：独立光伏发电系统 以西安地区某农户家庭为例 , 设计一套家用独立光伏发电系统 , 家用电 器日耗电量2000W h，蓄电池维持天数为5天，蓄电池电压为48V要求 太阳电池方阵和蓄电池容量及方阵倾角是多少？ 设计步骤如下：负载平均日耗电量为：5-1)根据附表1推荐，先取方阵倾角B =48°,根据太阳辐射相关章节知识, 算出各月份方阵面上的各月月平均日太阳辐照量 Ht，可得全年太阳辐照量 ，并找出 12 月份时为最小的太阳辐照量 考虑到此值是基于标准晴空大气透明度指数计算出的，实际遇到阴雨天时太阳辐照量会减少，若每月平均有 80% 的天气是晴天，则可确定太阳能电池方阵输出的最小电流和最大电流分别 为：(5-2)(5-3)式中，n i为从方阵到蓄电池的输入回路效率，通常取 0.9n 2为由蓄 电池到负载的输出回路效率，取0.9Tt为该倾斜面上当月平均每天峰值日 照时数。

在最大和最小电流值之间任取l=14Ao计算出各月份方阵发电量 Q为：(5-4 ) 式中，N为当月天数；T为该月平均日倾斜面上的峰值日照时数并计算出各月负载耗电量 Q为：(5-5 ) 从而得到各月发电盈亏量：(5-6) 如果△ Q>0,为盈余量，表示该月中系统发电量大于耗电量，方阵所发电能 除了满足负载使用外，还有多余电能，可以给蓄电池充电，如果此时蓄电池 已充满，则多余的电能通常只能白白浪费，成为无效能量；如果△ QK 0,为亏 欠量,表示该月发电量不足，需要由蓄电池提供部分储存的电量具体数值 见表1o表1 B =48°、I=14A时各月能量平衡情况月 份Ht (kW・ h/m2 - d)Qg(A - h)Q(A - h)△ Q(A- h)1月4.41312411294-532月4.84012291169603月5.114143812941444月4.984135612521045月4.94413901294966月4.84013171252657月4.87213701294768月4.80813521294589月4.796130512525310月4.746133512944111月4.49812241252-2812月4.24811951294-99次年1月4.41312411294-53由表1可见，11月至次年1月都是亏欠的，全年累计亏欠量之和为：(5-7) 得：(5-8)得到的n1与指定的蓄电池维持天数n相比较，若m>n,表示所考虑的 电流太小，以致亏欠量太大，所以应该增大电流 I，重新计算；反之亦然， 直到n,即得出方阵输出电流I m。

计算结果比要求的蓄电池维持天数 5要小，表示所取方阵电流大了，因此要减小电流，重新计算取I=13.75A，同样计算出各月份方阵发电量Q,列出各月负载耗电量 Q,从而求出各月份的发电盈亏量 △ Q,具体数值 见表2表2 B =48 °、l=13.75A时各月能量平衡情况月 份Ht (kW・ h/m2 - d)Q(A - h)Q(A - h)△ Q(A- h)1月4.41312191294-752月4.84012071169383月5.114141212941184月4.98413321252805月4.94413651294716月4.84012931252417月4.87213451294528月4.80813281294349月4.796128212523010月4.746131112941711月4.49812021252-5012月4.24811731294-121次年1月4.41312191294-75由表2可见，倾斜面上的太阳辐照量 H和各个月份耗电量Q没有改变, 由于方阵输出电流有所减少，各个月份的发电量Q就有所减少，因此，11月 至次年1月累计亏欠量之和为：(5-9)得:5-12)计算结果比要求的蓄电池维持天数 5要大，表示所取方阵电流小了，因此要增大电流，再重新计算。

取 l=13.9A，同样计算出各月份方阵发电量Q,列出各月负载耗电量 Q,从而求出各月份的发电盈亏量 △ Q具体数 值见表3表3 B =48°、l=13.9A时各月能量平衡情况月 份Ht (kW・ h/m2 - d)Qg(A - h)QC(A - h)△ Q(A・ h)1月4.41312321294-622月4.84012211169523月5.114142812941344月4.98413471252955月4.94413801294866月4.84013081252567月4.87213601294668月4.80813421294489月4.796129612524410月4.746132512943111月4.49812151252-3612月4.24811861294-108次年1月4.41312321294-62再次计算11月至次年1月累计亏欠量之和为:(5-11 ) 计算结果与要求的蓄电池维持天数 5 基本相符，因此确定电流取 13.9A 但这只是倾角为B =48°时，满足维持天数的方阵电流，并不一定是方 阵最小电流接着应该再改变倾角，用同样的电流，比较累计亏欠量（或 ni），重复以上计算，直至找到满足蓄电池维持天数的最小电流，此时的方 阵电流及方阵倾角即为该系统方阵电流及最佳倾角。

计算方法相同，这里 不再重复，只讨论方法，读者可自己进行计算比较假设我们刚计算的电流l=13.9A即为方阵工作电流Im,则可据此计算 方阵容量和蓄电池容量光伏方阵容量为： （5-13）式中，k为安全系数，通常取1.05〜1.3，可根据负载的重要程度、参 数的不确定性、负载在白天还是晚上工作、温度的影响以及其他所需考虑 的因素而定；Ub为蓄电池充电电压，本案例蓄电池取48V,充电电压要高于 蓄电池电压，取65〜68V; Ud为防反充二极管及线路等的电压降，取 IVIm取计算值13.9A，将以上数据代入式5-13，得：计算得992〜1228W/68V 一般蓄电池组件为36片串联供12V蓄电池供电使用，空载电压约20〜21V,充电电压17〜 18V因此考虑实际可配置太阳能电池板容量为四组 1100W/20V电池组件串 联蓄电池容量为： （5-14）式中，DOC为蓄电池的放电深度，通常取 0.3〜0.8本例选用深循环 型蓄电池，放电深度为80%计算得蓄电池容量为286Ah,参考厂家实际标称容量，可选用 300Ah/48V 的蓄电池组2． 并网光伏系统设计 由于在并网光伏系统中，电网可以随时补充电力，所以系统设计不需 要象独立光伏发电系统那样严格。

而且以电网作为储能装置，不象独立光 伏系统中要受到蓄电池容量的限制所以太阳电池方阵的安装倾角应该是 全年接收到最大太阳辐照量所对应的角度设计并网光伏系统时， 应注意每块有 36 片太阳能电池串联的组件， 其 工作电压不是12V,而是17 V左右一般并网光伏系统的容量都比较大，如果光伏系统是由若干个子方阵 组成，则应当尽量使得各个子方阵的工作电压保持一致通常，并网光伏系统设计计算有两种情况：(1) 根据准备安装的太阳电池方阵的容量进行设计 这种方法要找出全年能够得到最大发电量所对应的方阵最佳倾角，并 且计算出系统各个月份的发电量及全年的总发电量首先可以根据当地的气象和地理资料，求出全年能接收到最大太阳辐 照量所对应的角度，即为方阵最佳倾角根据已知方阵容量和在最佳倾角时，方阵面上各个月份所接收到的太 阳辐照量，可以得到各月发电量为：(5-15 ) 式中，N为当月天数；P为太阳能电池方阵功率；Tt为方阵面上所得到的该 月平均日太阳辐射峰值小时数；n 1和n 2为修正系数由此即可得到各个月份系统的发电量再将 12个月份的发电量相加，就是全年并网光伏系统的发电量2)根据用户负载的用电量确定方阵容量若用户负载的用电量一。