第七章.光伏系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

要建成一個(gè)合理、完善的光伏系統(tǒng)，需要進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)，如考慮不周，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。其中最重要的是容量設(shè)計(jì),內(nèi)容包括確定太陽電池方陣和蓄電池的容量,以及方陣的傾角。第七章.光伏系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要建成一個(gè)合理、完善的光伏1一.光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)

(一).設(shè)計(jì)原則光伏系統(tǒng)和產(chǎn)品要根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀蠹暗乩項(xiàng)l件,進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在充分滿足用戶負(fù)載用電需要的條件下,盡量減少太陽電池和蓄電池的容量,以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。一.光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)(一).設(shè)計(jì)原則2

要避免盲目追求低成本或高可靠性的傾向。當(dāng)前尤其要糾正為了競(jìng)爭市場(chǎng),片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益,任意減小系統(tǒng)容量的現(xiàn)象。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)是:按月能量平衡。要避免盲目追求低成本或高可靠性的傾向。當(dāng)前尤其要糾正為3(二).光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟:1.獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1).均衡性負(fù)載這類負(fù)載每個(gè)月份的平均日耗電量都相同,這是獨(dú)立光伏系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的。對(duì)于負(fù)載日平均耗電量變化不超過10%的,也可以當(dāng)作均衡性負(fù)載。(二).光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟:1.獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4(1).確定負(fù)載耗電量列出各種用電負(fù)載的耗電功率、工作電壓及平均每天使用時(shí)數(shù)，還要計(jì)入系統(tǒng)的輔助設(shè)備如控制器、逆變器等的耗電量。選擇蓄電池工作電壓V，算出負(fù)載平均日耗電量QL(Ah/d)。指定蓄電池維持天數(shù)為n

(通常n取3~7天)(1).確定負(fù)載耗電量5(2).計(jì)算方陣面上太陽輻照量根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砑皻庀筚Y料，先任意設(shè)定某一傾角β，根據(jù)前面所介紹的KlienSA和TheilackerJC所發(fā)表的計(jì)算月平均日輻照量的方法，計(jì)算在該傾斜面上的各月平均日太陽輻照量Ht（KWh/m2·d）。并得出全年平均太陽總輻照量(2).計(jì)算方陣面上太陽輻照量6

Ht的單位化成（KWh/m2·d）,除以標(biāo)準(zhǔn)輻照度1000w/m2

(h)在數(shù)值上就等于當(dāng)月平均日峰值日照時(shí)數(shù)Tt，以后就以單位化成（KWh/m2·d）的Ht來代替Tt。Ht的單位化成（KWh/m2·d）,除以標(biāo)7(3).算出各月發(fā)電盈虧量對(duì)于某個(gè)確定的傾角，方陣輸出的最小電流應(yīng)為

式中：η1為從方陣到蓄電池回路的輸入效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配及老化、防反充二極管及線路損耗、蓄電池充電效率等。η2為由蓄電池到負(fù)載的放電回路效率，包括蓄電池放電效率、控制器和逆變器的效率及線路損耗等。(3).算出各月發(fā)電盈虧量8

同樣也可由方陣面上各月平均太陽輻照量中的最小值Htmin得出方陣所需輸出的最大電流為

方陣實(shí)際工作電流應(yīng)在Imin和Imax之間，可先任意選取一中間值I

同樣也可由方陣面上各月平均太陽輻照量中的最小值Htm9

方陣各月發(fā)電量為

Qg=N·I·Ht·η1·η2

式中：N為當(dāng)月天數(shù)，Ht為該月太陽輻照量。各月負(fù)載耗電量為

Qc=N·QL

從而得到各月發(fā)電盈虧量

△Q=Qg-Qc

如果△Q<0為虧欠量，表示該月發(fā)電量不足，需要由蓄電池提供部分儲(chǔ)存的電量。方陣各月發(fā)電量為10(4).確定累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣以兩年為單位，列出各月發(fā)電盈虧量，如只有一個(gè)△Q<0的連續(xù)虧欠期，則累計(jì)虧欠量即為該虧欠期內(nèi)各月虧欠量之和。如有兩個(gè)或以上的不連續(xù)△Q<0的虧欠期，則累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣應(yīng)扣除連續(xù)兩個(gè)虧欠期之間△Qi為正的盈余量，最后得出累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣。(4).確定累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣11(5).決定方陣輸出電流將累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣代入

將n1與指定的蓄電池維持天數(shù)n相比較，若n1>n，則增大電流I，重新計(jì)算，反之亦然。直到n1≈n，即得出方陣輸出電流Im。(5).決定方陣輸出電流12(6).求出方陣最佳傾角改變傾角，重復(fù)以上計(jì)算，進(jìn)行比較，得出最小的方陣輸出電流Im值，相應(yīng)的傾角即為方陣最佳傾角βopt。(6).求出方陣最佳傾角13(7).得出蓄電池及方陣容量求出蓄電池容量為：

式中:(DOD)為蓄電池的放電深度,通常取0.3~0.8。(7).得出蓄電池及方陣容量14光伏方陣容量為:

P=k·Im·(Vb+Vd)其中：k為安全系數(shù),通常取1~1.5,可根據(jù)負(fù)載的重要程度、參數(shù)的不確定性、溫度的影響以及其他所需要考慮的因素而定；Vb為蓄電池充電電壓；Vd為防反充二極管及線路壓降。光伏方陣容量為:15(8).最終決定最佳搭配改變蓄電池維持天數(shù)n，重復(fù)以上計(jì)算，可得到一系列B~P組合。再根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)及單價(jià)等因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，最后決定蓄電池及光伏方陣容量的最佳組合。(8).最終決定最佳搭配16

17(9).總結(jié)先指定蓄電池維持天數(shù)n;任意選擇方陣傾角β;得到滿足維持天數(shù)要求的方陣輸出電流I。再改變方陣傾角，求出滿足維持天數(shù)要求的方陣最小輸出電流Im，此時(shí)對(duì)應(yīng)的β即為方陣最佳傾角βopt。由此得出方陣和蓄電池容量。改變維持天數(shù)n，可以得到一系列B~P組合，最后確定最佳的蓄電池和方陣搭配容量。(9).總結(jié)18實(shí)例分析

為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽能路燈，燈具功率為30W，每天工作6小時(shí)，工作電壓為12伏，蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?負(fù)載耗電量:

實(shí)例分析為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽能路燈，燈具功率為30W19沈陽地區(qū)緯度是41.440,任意取方陣傾角β=600,算出各月份方陣面上的太陽輻照量Ht選取參數(shù)：η1=η2=0.9得到

Imax=11.52AImin=5.176A在最大和最小電流值之間?。?/p>

I=5.2A。沈陽地區(qū)緯度是41.440,任意取方陣傾角β=6020

算出各月方陣發(fā)電量Qg,并列出各月負(fù)載耗電量Qc,從而求出各月發(fā)電盈虧量△Q

具體數(shù)值見下表：

21月份HtQgQcQg

-Qc13.3467436.98465-28.01624.1618490.8242070.82134.4364579.27465114.2744.2092531.1245081.11854.1050536.46570.99863.8124481.7445031.73573.4893455.6465-9.400683.6602477.9246512.91694.2056531.4245081.423104.0399527.4946562.493113.3169419.13450-30.871122.9347383.19465-81.808月份HtQgQcQg-Qc13.3467436.9822由表中可見，當(dāng)年7月和11~12月及次年1月都是虧欠量，所以有兩個(gè)虧欠期，其中7月份虧欠量-9.4006，但是在8月份就有盈裕量12.916，可以全部補(bǔ)足。因此全年累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣是11月到1月份的虧欠量之和140.69。代入公式：=9.38由表中可見，當(dāng)年7月和11~12月及次年1月都是虧欠量，所以23

可見要比要求的蓄電池維持天數(shù)大得多，表示所取的方陣電流太小，因此要增加方陣電流。另取:I=5.5(A)，算出各月方陣發(fā)電量Qg，并列出各月負(fù)載耗電量Qc，從而求出各月發(fā)電盈虧量△Q

具體數(shù)值見下表：可見要比要求的蓄電池維持天數(shù)大得多，表示所取的方陣電流太小24月份HtQgQcQg

-Qc13.3467462.19465-2.805724.1618519.1442099.13734.4364612.69465147.6944.2092561.76450111.7654.1050566.92465101.9263.8124509.5345059.52873.4893481.8846516.88483.6602505.4946540.48894.2056562.08450112.08104.0399557.9346592.925113.3169443.31450-6.6901122.9347405.30465-59.701月份HtQgQcQg-Qc13.3467462.1925由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月都是虧欠量，但這是一個(gè)連續(xù)虧欠期。總虧欠量：=69.196Ah代入公式：=4.6131由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月都是虧欠量，但這是26與要求的維持天數(shù)5天相比要小。因此可以減少方陣電流，不斷重復(fù)以上步驟，最后取I=5.47565A，得到的結(jié)果如下表：與要求的維持天數(shù)5天相比要小。27月份HtQgQcQg

-Qc13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.83934.4364609.98465144.9844.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.59450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528122.9347403.51465-61.495月份HtQgQcQg-Qc13.3467460.1528

由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量，總虧欠量為74.49998Ah。由此求出n1=4.999天，與要求的維持天數(shù)n=5天基本相符。由此確定電流?。篒=5.47565A。接著再改變傾角，用同樣電流，比較累計(jì)虧欠量(或n1)。試取傾角β=620,重復(fù)以上計(jì)算,得到下表：由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量，29月份HtQgQcQg

-Qc13.3480460.33465-4.669924.1466514.9642094.95834.3920603.98465138.9844.1324549.8545099.84654.0143551.9446586.94163.7220495.2445045.24373.4128469.244654.241683.5917493.8446528.83194.1526552.54450102.54104.0174552.3746587.386113.3153441.13450-8.8727122.9386404.04465-60.959月份HtQgQcQg-Qc13.3480460.3330由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量。總虧欠量為74.501Ah。由此求出n1=4.9668天，與上面的n1=4.999天更小，可見取傾角620要比600更好。同樣繼續(xù)改變傾角，得出與維持天數(shù)n=5天基本相符的最小電流，該角度即為最佳傾角。本例中，最后得出I=5.47356A，相應(yīng)的角度是β=620,各月的盈虧情況如下表由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量?？?1月份HtQgQcQg

-Qc13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.76234.3920603.75465138.7544.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411122.9386403.89465-61.113月份HtQgQcQg-Qc13.3480460.1532

本例最后得出，方陣工作電流：Im=5.47356A所對(duì)應(yīng)的角度，即為方陣最佳傾角： βopt=620結(jié)果得到蓄電池容量為： B=104.4Ah太陽電池方陣容量為： P=107.2W本例最后得出，方陣工作電流：33

2).季節(jié)性負(fù)載這類系統(tǒng)的負(fù)載每天工作時(shí)間隨著季節(jié)而變化，不能當(dāng)作均衡負(fù)載處理。最典型的是光控太陽能光伏照明系統(tǒng)。光控照明系統(tǒng)的特點(diǎn)是以自然光線的強(qiáng)弱來決定負(fù)載工作時(shí)間長短的。天黑開燈，天亮關(guān)燈。每天的工作時(shí)間不一樣，因此負(fù)載耗電量也不相同。2).季節(jié)性負(fù)載34

此特點(diǎn)與太陽日照時(shí)間的規(guī)律正好相反，夏天日照時(shí)間長，輻照量大，而燈具需要照明的時(shí)間短;而冬天日照時(shí)間短，輻照量小，但燈具需要照明的時(shí)間長，所以此類光控照明系統(tǒng)在太陽能光伏電源應(yīng)用中的工作條件是最苛刻的。光控照明系統(tǒng)不同于均衡負(fù)載光伏系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)必須特別仔細(xì)考慮。此特點(diǎn)與太陽日照時(shí)間的規(guī)律正好相反，夏天日照時(shí)間長，輻照35先估計(jì)需要照明的時(shí)間:從日落到日出之間的無日照小時(shí)數(shù)為:

式中:φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為太陽赤緯

δ每天都在變化，所以t也每天在變.

先估計(jì)需要照明的時(shí)間:36不同地區(qū)t的差別很大,如?？诘貐^(qū)(φ=20.030),夏至(6月21日δ=23.45)時(shí)t=10.1h,冬至(12月21日δ=-23.45)時(shí)t=13.2h;哈爾濱地區(qū)(φ=45.450),夏至?xí)r

t=8.5h,冬至?xí)rt=15.5h,可見緯度越高,晚間需要照明時(shí)間相差越大。不同地區(qū)t的差別很大,37一般情況下,日出前半小時(shí)和日落后半小時(shí)內(nèi),天空尚有余光,為了節(jié)約起見,可以不必開燈。如負(fù)載的工作電流為i負(fù)載日耗電量應(yīng)為:QL=(t-1)·i各月耗電量則為:QC=NQL其中:N是當(dāng)月天數(shù)。顯然，各個(gè)月份的耗電量都不相同，夏天少，冬天多。這是季節(jié)性負(fù)載的工作特點(diǎn)。一般情況下,日出前半小時(shí)和日落后半小時(shí)內(nèi),天空尚有余光,38

光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟基本相同，只是每天的耗電量QL不一樣。所以一開始不是統(tǒng)計(jì)確定每天的耗電量，而是得出工作電流i，然后根據(jù)上述方法確定每天工作時(shí)間t

，才能求得各天的耗電量:QL=(t-1)·i

仍以上例進(jìn)行分析:光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)39為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套光控太陽能路燈,燈具功率為30W,工作電壓為12伏，蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?首先求出負(fù)載工作電流：

i=W/V=30/12=2.5(A)再應(yīng)用公式:求出每天工作時(shí)間t

為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套光控太陽能路燈,燈具功率為30W,工40

最后由公式：

QL=(t-1)·i

算得各天耗電量其余步驟與前相同，得到如下結(jié)果：最后由公式：41月份HtQgQcQg

-Qc13.34071045.01056.3-11.26924.10441159.6879.36280.2834.29391343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.3953.82541196.6671.85524.7863.53541070.2603.94466.2873.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.8994.03611221.8805.41416.37103.96121239.1941.23297.87113.3022999.631001.1-1.4333122.9377918.931080.5-161.57月份HtQgQcQg-Qc13.34071045.042由以上計(jì)算最后得出：太陽電池方陣傾角為：β=660蓄電池容量為：B=242.5Ah太陽電池方陣容量為：P=216.3W與上面討論的均衡性負(fù)載系統(tǒng)比較：太陽電池方陣傾角為：β=620

蓄電池容量為：B=104.2Ah太陽電池方陣容量為：P=107.2W

由以上計(jì)算最后得出：43光控太陽能照明系統(tǒng)冬天工作時(shí)間長，耗電量多，夏天耗電量少，與日照規(guī)律正好相反。光控太陽能照明系統(tǒng)與同樣功率的定時(shí)太陽能照明系統(tǒng)相比，所需要配置的太陽電池方陣和蓄電池的容量要大得多。前者太陽電池方陣的傾角要比后者大，其原因是要照顧冬天方陣面上的日照量。光控太陽能照明系統(tǒng)冬天工作時(shí)間長，耗電量多，夏天耗電量少44

所分析的光控太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為13495.66Ah，而燈具實(shí)際耗電量只有10027.33Ah,利用率只有74.3%。而上例定時(shí)太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為6087.12Ah,燈具實(shí)際耗電量5475Ah,利用率可達(dá)89.9%。所分析的光控太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為13495.45

3).特殊要求負(fù)載衡量供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能通?？捎秘?fù)載失電率LOLP(Loss-of-load-probability)來衡量。LOLP的定義為:LOLP=全年停電時(shí)間/全年時(shí)間3).特殊要求負(fù)載46LOLP值在0~1之間，數(shù)值越小，可靠程度越高。如LOLP=0，表示任何時(shí)間都能保證供電，全年停電時(shí)間為零。常規(guī)電網(wǎng)對(duì)大城市供電也只能達(dá)到LOLP=10-3數(shù)量級(jí)LOLP值在0~1之間，數(shù)值越小，可靠程度越高。如L47在一些特殊需要的場(chǎng)合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器、軍用裝備等供電的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，確實(shí)需要做到滿足一分鐘都不停電的要求。對(duì)于這類獨(dú)立光伏系統(tǒng)，不能夠盲目地增加系統(tǒng)的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)要特別仔細(xì)，稍有不慎，其結(jié)果不但可能造成大量浪費(fèi)，還會(huì)影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在一些特殊需要的場(chǎng)合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器48

對(duì)于均衡負(fù)載要求LOLP=0的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，同樣可以用上面提到的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，只是蓄電池的維持天數(shù)先用n=0代入，使得各個(gè)月份的方陣發(fā)電量都大于負(fù)載耗電量，即可確定太陽電池方陣的容量。再根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖铋L連續(xù)陰雨天數(shù)，作為蓄電池的維持天數(shù)n，確定蓄電池的容量。對(duì)于均衡負(fù)載要求LOLP=0的獨(dú)立光伏系49

實(shí)例分析為上海地區(qū)設(shè)計(jì)一套全天工作，失電率為零的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，負(fù)載平均每天耗電量為10W，工作電壓取12V，試確定系統(tǒng)的容量。求出每天負(fù)載耗電量為20Ah。實(shí)例分析50

重復(fù)上述計(jì)算,或以蓄電池維持天數(shù)n=0代入,即可得到最佳傾角為470,方陣輸出電流為10.46A,太陽電池方陣容量為204.9W。根據(jù)上海地區(qū)最長連續(xù)陰雨天數(shù)為8天,用n=8,并取蓄電池放電深度為0.6,求出蓄電池容量為313.7Ah。實(shí)際可采用2只12V-160Ah蓄電池并聯(lián)使用。各月能量平衡表如下:

重復(fù)上述計(jì)算,或以蓄電池維持天數(shù)n=0代入,即可51月份HtQgQcQg

-Qc1月2.6557620.036200.032月2.9795628.3156068.313月3.0011700.6662080.664月3.6500824.66600224.665月3.8399896.50620276.56月3.569758.45600158.457月3.9046911.59620291.598月4.0097936.14620316.149月3.7106838.35600238.3510月3.4880814.37620194.3711月3.1002700.44600100.4412月2.8832673.1362053.13月份HtQgQcQg-Qc1月2.6557620.052

2.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于有電網(wǎng)作為儲(chǔ)能裝置,不必像蓄電池那樣受到容量的限制。所以太陽電池方陣的安裝傾角應(yīng)該是以全年能接收到最大太陽輻射量所對(duì)應(yīng)的角度。電網(wǎng)可以隨時(shí)補(bǔ)充電力,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要獨(dú)立光伏系統(tǒng)那樣嚴(yán)格。2.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)53

通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種:1).根據(jù)準(zhǔn)備安裝的太陽電池方陣的容量，進(jìn)行設(shè)計(jì)，要找出全年能夠得到最大發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的方陣最佳傾角，并且計(jì)算出系統(tǒng)各個(gè)月份的發(fā)電量及全年的總發(fā)電量。首先可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩碣Y料,求出全年能接收到最大太陽輻射量所對(duì)應(yīng)的角度即為方陣最佳傾角。通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種:54

根據(jù)已知方陣容量,求出方陣輸出電流,再根據(jù)最佳傾角時(shí)方陣面上各個(gè)月份所接收到的太陽輻射量,利用公式:

Qg=N·P·Ht·η1·η2

即可得到各個(gè)月份系統(tǒng)的發(fā)電量。將12個(gè)月份的發(fā)電量相加,就是全年并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。根據(jù)已知方陣容量,求出方陣輸出電流,再根據(jù)最佳傾角時(shí)方陣面552).根據(jù)用戶負(fù)載的用電量，在能量平衡的條件下要確定所需要最小的太陽電池方陣容量及其安裝傾角。同樣根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩碣Y料,求出全年能接收到最大太陽輻射量所對(duì)應(yīng)的角度即為方陣最佳傾角。

2).根據(jù)用戶負(fù)載的用電量，在能量平衡的條件下要確定所56任意選取某個(gè)方陣輸出電流I，算出各個(gè)月份的方陣發(fā)電盈虧量，如全年總的盈虧量為正，則減少電流I;如全年總的盈虧量為負(fù)，則增加電流I，重新進(jìn)行計(jì)算，直到全年總的盈虧量為零，這時(shí)方陣的輸出電流Im即為所需的最佳電流。再與電壓及安全系數(shù)相乘，就可得到所需要最小的太陽電池方陣容量。任意選取某個(gè)方陣輸出電流I，算出各個(gè)月份的方陣發(fā)電57(三).光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些誤區(qū)1.光伏發(fā)電系統(tǒng)必須根據(jù)負(fù)載和現(xiàn)場(chǎng)的地理及氣象條件進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.日照時(shí)數(shù)與峰值日照時(shí)數(shù)不能混淆。3.方陣面應(yīng)盡量朝南傾斜放置。4.方陣最佳傾角不單取決于緯度,會(huì)隨不同的P-B組合而變化。5.P/B的比例并不固定。(三).光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些誤區(qū)1.光伏發(fā)電系統(tǒng)必須根據(jù)負(fù)586.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮某個(gè)月份的輻照量。7.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各個(gè)月份的能量平衡。8.要注意方陣全年發(fā)電量和有效發(fā)電量的區(qū)別，兩者差別越小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)得越好。9.蓄電池容量要恰當(dāng)，并不是越大越好。否則可能造成與太陽電池方陣容量失配，因而經(jīng)常充電不足,容易損壞。6.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮某個(gè)月份的輻照量。5910.影響光伏發(fā)電量的因素很多，有的列出了十幾個(gè)損失系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，沒有必要一一考慮。11.在一定范圍內(nèi)，有一系列P~B組合都能滿足負(fù)載的用電要求，其規(guī)律是比較大的光伏方陣與比較小的蓄電池容量相搭配，反之亦然。但n越大，B也越大，而P卻減少得不多，在最終決定容量時(shí)要加以注意。10.影響光伏發(fā)電量的因素很多，有的列出了十幾個(gè)損失系數(shù)60

案例分析:太陽能庭院燈工作電壓7.2V，每天耗電量:5W×8h/7.2V=5.6Ah以連續(xù)工作3天計(jì)，耗電量為16.7Ah。即使不計(jì)蓄電池效率、放電深度、受蓄電池容量限制，能量不能全部利用等因素，實(shí)際配備的6Ah蓄電池也是無法正常工作的。

案例分析:61

完成光伏系統(tǒng)的容量優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還需要進(jìn)行一系列設(shè)計(jì):二.光伏系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，確定太陽電池方陣的安裝位置。要求方陣面上盡量不要有建筑物或樹木遮蔭。否則在遮蔭部分，非但沒有電力輸出，反而要消耗電力，形成局部發(fā)熱，產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞太陽電池。完成光伏系統(tǒng)的容量優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還需要進(jìn)行一系列設(shè)計(jì):62

2.根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得出的太陽電池組件數(shù)量和尺寸大小以及方陣最佳傾角，設(shè)計(jì)方陣支架。要求方陣支架牢固可靠，要充分考慮到承重、通風(fēng)、抗震等因素。在一些特殊地區(qū)，如海邊，還要考慮防強(qiáng)風(fēng)，防潮濕，防鹽霧腐蝕等，有時(shí)還要加設(shè)驅(qū)鳥裝置。2.根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得出的太陽電池組件數(shù)量和尺寸大小以及63

3.根據(jù)蓄電池的數(shù)量和尺寸大小，對(duì)安放蓄電池的房間進(jìn)行總體布置，設(shè)計(jì)蓄電池的支架及其結(jié)構(gòu)，要做到連接線路盡量短，排列整齊，干燥通風(fēng)，維護(hù)操作方便。

太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)剖析課件64

4.合理進(jìn)行配電房的布置，安排好控制器和逆變器的位置，盡量與蓄電池靠近，但最好又能相互隔開。使得布局適當(dāng)，接線可靠，測(cè)量方便。如果是并網(wǎng)系統(tǒng)，還要考慮電網(wǎng)連接位置及方式等。4.合理進(jìn)行配電房的布置，安排好控制器和逆變器的位65

對(duì)于重要或比較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平面或立體結(jié)構(gòu)布置圖。進(jìn)行基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，特別要注意方陣支架的固定，接地線的安排等。有時(shí)還需要進(jìn)行安放蓄電池和控制和逆變器房間的設(shè)計(jì)及布置。對(duì)于重要或比較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平面或66

三.電氣設(shè)計(jì)1.根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得出的太陽電池方陣中組件的串并聯(lián)要求，確定組件的連接方式，如串并聯(lián)組件數(shù)目比較多時(shí)，最好采用混合連接方式。串聯(lián)組件數(shù)目比較多時(shí)，應(yīng)該并聯(lián)旁路二極管。同時(shí)還要決定防反充二極管的位置及連接方法。三.電氣設(shè)計(jì)67

合理安排連接線路走向，盡量采用最短的連接途徑。確定分線盒和總線盒的位置及連接方式，決定開關(guān)及接插件的配置。根據(jù)光伏系統(tǒng)各部分的工作電壓及電流，按照有關(guān)電工標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，選擇采用合適的連接電線、電纜等附件。對(duì)于比較重要的工程,應(yīng)該畫出電氣原理及結(jié)構(gòu)圖,以便于維修及檢查。合理安排連接線路走向，盡量采用最短的連接途徑。68

四.輔助設(shè)備選配1.蓄電池根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，決定蓄電池的電壓及容量，選擇合適的蓄電池種類及型號(hào)，再確定其數(shù)量及連接方式。一般場(chǎng)合可以采用密封鉛酸蓄電池，有些為重要負(fù)載供電的系統(tǒng)，也可采用鎳-鎘電池。

四.輔助設(shè)備選配69

2.控制器按照負(fù)載的要求和系統(tǒng)的重要程度，確定光伏系統(tǒng)控制器應(yīng)具有的充分而又必要的功能，并配置相應(yīng)的控制器?？刂破鞴δ懿⒎窃蕉嘣胶?，否則可能不但增加了成本，而且還增添了出現(xiàn)故障的可能性。2.控制器70

3.逆變器對(duì)于交流負(fù)載，必須配備相應(yīng)的逆變器。通常光伏方陣的工作電壓，要根據(jù)逆變器的要求來決定。一般情況下，逆變器的額定功率應(yīng)稍大于負(fù)載的功率;不過在有些場(chǎng)合也可稍小于負(fù)載的功率。

3.逆變器71

逆變器輸出的波形，通常有方波、改良方波和正弦波等多種，在滿足負(fù)載正常工作的前提下，應(yīng)盡量選用前兩種,以降低成本。如果是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，還必須配備必要的檢測(cè)、并網(wǎng)、報(bào)警、自動(dòng)控制及測(cè)量等一系列功能，特別是必須具備防止“孤島效應(yīng)”的功能，以確保光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全。逆變器輸出的波形，通常有方波、改良方波和正弦波等多種72

4.“三遙”功能對(duì)于大型或重要的實(shí)驗(yàn)光伏系統(tǒng)，常常要求具有遙測(cè)、遙控和遠(yuǎn)程通訊的功能，這就需要配備合適的設(shè)備。對(duì)于一般系統(tǒng),除非十分必要，不必考慮。4.“三遙”功能73

5.防雷裝置對(duì)于大型或安裝在高山上的光伏系統(tǒng)，特別是在雷暴多發(fā)地區(qū)，必須配備防雷裝置。防雷裝置接地必須可靠。5.防雷裝置74

五.熱環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)于太陽電池方陣，應(yīng)盡量降低其工作溫度，特別是在南方，要注意采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?組件之間保持一定間隔，方陣與其他物體之間留有相當(dāng)距離，以便通風(fēng)。在連接線路時(shí)，要考慮溫度的影響，尤其在夏天安裝時(shí)，連線不要太緊，以免天冷時(shí)發(fā)生斷裂。五.熱環(huán)境設(shè)計(jì)75

蓄電池在溫度降低時(shí)，輸出容量會(huì)受到影響。在200C以下時(shí)，溫度每降低10C,容量要下降1%。尤其是在北方，冬天低溫會(huì)對(duì)蓄電池容量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，必須采取一定措施，如:加熱、保溫或埋入地下等。同時(shí)也要注意，并不是溫度越高，對(duì)蓄電池越有利，溫度過高時(shí)，蓄電池會(huì)發(fā)生自放電增加，極板消耗加速。蓄電池在溫度降低時(shí)，輸出容量會(huì)受到影響。在200C76

六.其它設(shè)計(jì)1.標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)2.備品、備件設(shè)計(jì)3.包裝、運(yùn)輸設(shè)計(jì)4.施工設(shè)計(jì)5.竣工驗(yàn)收設(shè)計(jì)6.人員培訓(xùn)設(shè)計(jì)7.有時(shí)還需要輔助能源設(shè)計(jì)六.其它設(shè)計(jì)77

在完成設(shè)計(jì)后通常還需要提供有關(guān)文件、資料、圖紙等材料,一般包括:設(shè)計(jì)資料安裝手冊(cè)人員培訓(xùn)手冊(cè)運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)運(yùn)行記錄質(zhì)保承諾書此外還要提供備品、備件供應(yīng)等在完成設(shè)計(jì)后通常還需要提供有關(guān)文件、資料、圖紙等材料,一78

總之，大型光伏系統(tǒng)的建造是一項(xiàng)綜合的系統(tǒng)工程，影響的因素很多，為了保證光伏系統(tǒng)可靠、合理、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量掌握現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)資料，采用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，一絲不茍，認(rèn)真負(fù)責(zé)，兼顧全局，重視每一個(gè)環(huán)節(jié)，才能取得良好的實(shí)際效果?？傊笮凸夥到y(tǒng)的建造是一項(xiàng)綜合的系統(tǒng)工程，影響的因素很79二.軟件介紹（一）.輻射資料庫1.課題來源國家發(fā)改委/GEF/世界銀行中國可再生能源項(xiàng)目辦公室：2003年快速反應(yīng)基金項(xiàng)目2.氣象資料來源（1）中央氣象局1981~2000年太陽輻射資料。（2）一些省區(qū)的計(jì)算資料（3）刊物上介紹臺(tái)、港、澳地區(qū)的資料

二.軟件介紹（一）.輻射資料庫80

3.軟件內(nèi)容(1).我國595個(gè)地區(qū)的各月太陽總輻照量和直接輻照量，以及用3種不同單位求直接輻照量。（2）計(jì)算朝向赤道不同傾角的傾斜面上12個(gè)月份的太陽輻照量。（3）計(jì)算各種方位角度、不同傾角的傾斜面上12個(gè)月份的太陽輻照量。3.軟件內(nèi)容81

（二）獨(dú)立光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1.均衡負(fù)載光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定太陽電池方陣和蓄電池容量，并且得出方陣最佳傾角。還可以顯示出各個(gè)月份的能量平衡情況

2.光控照明光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣可以確定太陽電池方陣和蓄電池容量，并且得出方陣最佳傾角。（二）獨(dú)立光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)82

（三）.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：（1）由光伏方陣容量求各個(gè)月份的發(fā)電量及最佳傾角。（2）由負(fù)載用電量求最小的光伏方陣容量及最佳傾角。（三）.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)83

例題.為埃及開羅地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽能路燈，燈具功率為30W，每天工作6小時(shí)，工作電壓為12伏，蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?1.負(fù)載耗電量:

例題.為埃及開羅地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽能路燈，燈具功率為384

2.確定水平面上太陽輻照量查出開羅的地理位置是北緯30.080,東經(jīng)31.240。根據(jù)四舍五入的原則，取北緯300,東經(jīng)310。利用東北半球的數(shù)據(jù)，找出在該緯度和經(jīng)度的12個(gè)月份水平面上太陽總輻照量，依照直散分離法得到12個(gè)月份的太陽直接輻照量。

2.確定水平面上太陽輻照量853.再用獨(dú)立光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行計(jì)算，得到太陽電池方陣容量為80.4W，所需要配備的蓄電池容量為104.4Ah。方陣的安裝傾角為500。與上面討論的沈陽地區(qū)相同系統(tǒng)比較：太陽電池方陣傾角為：β=620

蓄電池容量為：B=104.2Ah太陽電池方陣容量為：P=107.2W可見，蓄電池容量不變，太陽電池方陣容量變小了。3.再用獨(dú)立光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行計(jì)算，得到太陽86謝謝!謝謝!87第七章.光伏系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

要建成一個(gè)合理、完善的光伏系統(tǒng)，需要進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)，如考慮不周，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。其中最重要的是容量設(shè)計(jì),內(nèi)容包括確定太陽電池方陣和蓄電池的容量,以及方陣的傾角。第七章.光伏系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要建成一個(gè)合理、完善的光伏88一.光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)

(一).設(shè)計(jì)原則光伏系統(tǒng)和產(chǎn)品要根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀蠹暗乩項(xiàng)l件,進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在充分滿足用戶負(fù)載用電需要的條件下,盡量減少太陽電池和蓄電池的容量,以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。一.光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)(一).設(shè)計(jì)原則89

要避免盲目追求低成本或高可靠性的傾向。當(dāng)前尤其要糾正為了競(jìng)爭市場(chǎng),片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益,任意減小系統(tǒng)容量的現(xiàn)象。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)是:按月能量平衡。要避免盲目追求低成本或高可靠性的傾向。當(dāng)前尤其要糾正為90(二).光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟:1.獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1).均衡性負(fù)載這類負(fù)載每個(gè)月份的平均日耗電量都相同,這是獨(dú)立光伏系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的。對(duì)于負(fù)載日平均耗電量變化不超過10%的,也可以當(dāng)作均衡性負(fù)載。(二).光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟:1.獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)91(1).確定負(fù)載耗電量列出各種用電負(fù)載的耗電功率、工作電壓及平均每天使用時(shí)數(shù)，還要計(jì)入系統(tǒng)的輔助設(shè)備如控制器、逆變器等的耗電量。選擇蓄電池工作電壓V，算出負(fù)載平均日耗電量QL(Ah/d)。指定蓄電池維持天數(shù)為n

(通常n取3~7天)(1).確定負(fù)載耗電量92(2).計(jì)算方陣面上太陽輻照量根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砑皻庀筚Y料，先任意設(shè)定某一傾角β，根據(jù)前面所介紹的KlienSA和TheilackerJC所發(fā)表的計(jì)算月平均日輻照量的方法，計(jì)算在該傾斜面上的各月平均日太陽輻照量Ht（KWh/m2·d）。并得出全年平均太陽總輻照量(2).計(jì)算方陣面上太陽輻照量93

Ht的單位化成（KWh/m2·d）,除以標(biāo)準(zhǔn)輻照度1000w/m2

(h)在數(shù)值上就等于當(dāng)月平均日峰值日照時(shí)數(shù)Tt，以后就以單位化成（KWh/m2·d）的Ht來代替Tt。Ht的單位化成（KWh/m2·d）,除以標(biāo)94(3).算出各月發(fā)電盈虧量對(duì)于某個(gè)確定的傾角，方陣輸出的最小電流應(yīng)為

式中：η1為從方陣到蓄電池回路的輸入效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配及老化、防反充二極管及線路損耗、蓄電池充電效率等。η2為由蓄電池到負(fù)載的放電回路效率，包括蓄電池放電效率、控制器和逆變器的效率及線路損耗等。(3).算出各月發(fā)電盈虧量95

同樣也可由方陣面上各月平均太陽輻照量中的最小值Htmin得出方陣所需輸出的最大電流為

方陣實(shí)際工作電流應(yīng)在Imin和Imax之間，可先任意選取一中間值I

同樣也可由方陣面上各月平均太陽輻照量中的最小值Htm96

方陣各月發(fā)電量為

Qg=N·I·Ht·η1·η2

式中：N為當(dāng)月天數(shù)，Ht為該月太陽輻照量。各月負(fù)載耗電量為

Qc=N·QL

從而得到各月發(fā)電盈虧量

△Q=Qg-Qc

如果△Q<0為虧欠量，表示該月發(fā)電量不足，需要由蓄電池提供部分儲(chǔ)存的電量。方陣各月發(fā)電量為97(4).確定累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣以兩年為單位，列出各月發(fā)電盈虧量，如只有一個(gè)△Q<0的連續(xù)虧欠期，則累計(jì)虧欠量即為該虧欠期內(nèi)各月虧欠量之和。如有兩個(gè)或以上的不連續(xù)△Q<0的虧欠期，則累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣應(yīng)扣除連續(xù)兩個(gè)虧欠期之間△Qi為正的盈余量，最后得出累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣。(4).確定累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣98(5).決定方陣輸出電流將累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣代入

將n1與指定的蓄電池維持天數(shù)n相比較，若n1>n，則增大電流I，重新計(jì)算，反之亦然。直到n1≈n，即得出方陣輸出電流Im。(5).決定方陣輸出電流99(6).求出方陣最佳傾角改變傾角，重復(fù)以上計(jì)算，進(jìn)行比較，得出最小的方陣輸出電流Im值，相應(yīng)的傾角即為方陣最佳傾角βopt。(6).求出方陣最佳傾角100(7).得出蓄電池及方陣容量求出蓄電池容量為：

式中:(DOD)為蓄電池的放電深度,通常取0.3~0.8。(7).得出蓄電池及方陣容量101光伏方陣容量為:

P=k·Im·(Vb+Vd)其中：k為安全系數(shù),通常取1~1.5,可根據(jù)負(fù)載的重要程度、參數(shù)的不確定性、溫度的影響以及其他所需要考慮的因素而定；Vb為蓄電池充電電壓；Vd為防反充二極管及線路壓降。光伏方陣容量為:102(8).最終決定最佳搭配改變蓄電池維持天數(shù)n，重復(fù)以上計(jì)算，可得到一系列B~P組合。再根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)及單價(jià)等因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，最后決定蓄電池及光伏方陣容量的最佳組合。(8).最終決定最佳搭配103

104(9).總結(jié)先指定蓄電池維持天數(shù)n;任意選擇方陣傾角β;得到滿足維持天數(shù)要求的方陣輸出電流I。再改變方陣傾角，求出滿足維持天數(shù)要求的方陣最小輸出電流Im，此時(shí)對(duì)應(yīng)的β即為方陣最佳傾角βopt。由此得出方陣和蓄電池容量。改變維持天數(shù)n，可以得到一系列B~P組合，最后確定最佳的蓄電池和方陣搭配容量。(9).總結(jié)105實(shí)例分析

為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽能路燈，燈具功率為30W，每天工作6小時(shí)，工作電壓為12伏，蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?負(fù)載耗電量:

實(shí)例分析為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套太陽能路燈，燈具功率為30W106沈陽地區(qū)緯度是41.440,任意取方陣傾角β=600,算出各月份方陣面上的太陽輻照量Ht選取參數(shù)：η1=η2=0.9得到

Imax=11.52AImin=5.176A在最大和最小電流值之間取：

I=5.2A。沈陽地區(qū)緯度是41.440,任意取方陣傾角β=60107

算出各月方陣發(fā)電量Qg,并列出各月負(fù)載耗電量Qc,從而求出各月發(fā)電盈虧量△Q

具體數(shù)值見下表：

108月份HtQgQcQg

-Qc13.3467436.98465-28.01624.1618490.8242070.82134.4364579.27465114.2744.2092531.1245081.11854.1050536.46570.99863.8124481.7445031.73573.4893455.6465-9.400683.6602477.9246512.91694.2056531.4245081.423104.0399527.4946562.493113.3169419.13450-30.871122.9347383.19465-81.808月份HtQgQcQg-Qc13.3467436.98109由表中可見，當(dāng)年7月和11~12月及次年1月都是虧欠量，所以有兩個(gè)虧欠期，其中7月份虧欠量-9.4006，但是在8月份就有盈裕量12.916，可以全部補(bǔ)足。因此全年累計(jì)虧欠量∑∣-⊿Qi∣是11月到1月份的虧欠量之和140.69。代入公式：=9.38由表中可見，當(dāng)年7月和11~12月及次年1月都是虧欠量，所以110

可見要比要求的蓄電池維持天數(shù)大得多，表示所取的方陣電流太小，因此要增加方陣電流。另取:I=5.5(A)，算出各月方陣發(fā)電量Qg，并列出各月負(fù)載耗電量Qc，從而求出各月發(fā)電盈虧量△Q

具體數(shù)值見下表：可見要比要求的蓄電池維持天數(shù)大得多，表示所取的方陣電流太小111月份HtQgQcQg

-Qc13.3467462.19465-2.805724.1618519.1442099.13734.4364612.69465147.6944.2092561.76450111.7654.1050566.92465101.9263.8124509.5345059.52873.4893481.8846516.88483.6602505.4946540.48894.2056562.08450112.08104.0399557.9346592.925113.3169443.31450-6.6901122.9347405.30465-59.701月份HtQgQcQg-Qc13.3467462.19112由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月都是虧欠量，但這是一個(gè)連續(xù)虧欠期。總虧欠量：=69.196Ah代入公式：=4.6131由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月都是虧欠量，但這是113與要求的維持天數(shù)5天相比要小。因此可以減少方陣電流，不斷重復(fù)以上步驟，最后取I=5.47565A，得到的結(jié)果如下表：與要求的維持天數(shù)5天相比要小。114月份HtQgQcQg

-Qc13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.83934.4364609.98465144.9844.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.59450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528122.9347403.51465-61.495月份HtQgQcQg-Qc13.3467460.15115

由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量，總虧欠量為74.49998Ah。由此求出n1=4.999天，與要求的維持天數(shù)n=5天基本相符。由此確定電流取：I=5.47565A。接著再改變傾角，用同樣電流，比較累計(jì)虧欠量(或n1)。試取傾角β=620,重復(fù)以上計(jì)算,得到下表：由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量，116月份HtQgQcQg

-Qc13.3480460.33465-4.669924.1466514.9642094.95834.3920603.98465138.9844.1324549.8545099.84654.0143551.9446586.94163.7220495.2445045.24373.4128469.244654.241683.5917493.8446528.83194.1526552.54450102.54104.0174552.3746587.386113.3153441.13450-8.8727122.9386404.04465-60.959月份HtQgQcQg-Qc13.3480460.33117由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量。總虧欠量為74.501Ah。由此求出n1=4.9668天，與上面的n1=4.999天更小，可見取傾角620要比600更好。同樣繼續(xù)改變傾角，得出與維持天數(shù)n=5天基本相符的最小電流，該角度即為最佳傾角。本例中，最后得出I=5.47356A，相應(yīng)的角度是β=620,各月的盈虧情況如下表由表中可見，當(dāng)年11~12月和次年1月還都是虧欠量。總118月份HtQgQcQg

-Qc13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.76234.3920603.75465138.7544.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411122.9386403.89465-61.113月份HtQgQcQg-Qc13.3480460.15119

本例最后得出，方陣工作電流：Im=5.47356A所對(duì)應(yīng)的角度，即為方陣最佳傾角： βopt=620結(jié)果得到蓄電池容量為： B=104.4Ah太陽電池方陣容量為： P=107.2W本例最后得出，方陣工作電流：120

2).季節(jié)性負(fù)載這類系統(tǒng)的負(fù)載每天工作時(shí)間隨著季節(jié)而變化，不能當(dāng)作均衡負(fù)載處理。最典型的是光控太陽能光伏照明系統(tǒng)。光控照明系統(tǒng)的特點(diǎn)是以自然光線的強(qiáng)弱來決定負(fù)載工作時(shí)間長短的。天黑開燈，天亮關(guān)燈。每天的工作時(shí)間不一樣，因此負(fù)載耗電量也不相同。2).季節(jié)性負(fù)載121

此特點(diǎn)與太陽日照時(shí)間的規(guī)律正好相反，夏天日照時(shí)間長，輻照量大，而燈具需要照明的時(shí)間短;而冬天日照時(shí)間短，輻照量小，但燈具需要照明的時(shí)間長，所以此類光控照明系統(tǒng)在太陽能光伏電源應(yīng)用中的工作條件是最苛刻的。光控照明系統(tǒng)不同于均衡負(fù)載光伏系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)必須特別仔細(xì)考慮。此特點(diǎn)與太陽日照時(shí)間的規(guī)律正好相反，夏天日照時(shí)間長，輻照122先估計(jì)需要照明的時(shí)間:從日落到日出之間的無日照小時(shí)數(shù)為:

式中:φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為太陽赤緯

δ每天都在變化，所以t也每天在變.

先估計(jì)需要照明的時(shí)間:123不同地區(qū)t的差別很大,如海口地區(qū)(φ=20.030),夏至(6月21日δ=23.45)時(shí)t=10.1h,冬至(12月21日δ=-23.45)時(shí)t=13.2h;哈爾濱地區(qū)(φ=45.450),夏至?xí)r

t=8.5h,冬至?xí)rt=15.5h,可見緯度越高,晚間需要照明時(shí)間相差越大。不同地區(qū)t的差別很大,124一般情況下,日出前半小時(shí)和日落后半小時(shí)內(nèi),天空尚有余光,為了節(jié)約起見,可以不必開燈。如負(fù)載的工作電流為i負(fù)載日耗電量應(yīng)為:QL=(t-1)·i各月耗電量則為:QC=NQL其中:N是當(dāng)月天數(shù)。顯然，各個(gè)月份的耗電量都不相同，夏天少，冬天多。這是季節(jié)性負(fù)載的工作特點(diǎn)。一般情況下,日出前半小時(shí)和日落后半小時(shí)內(nèi),天空尚有余光,125

光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟基本相同，只是每天的耗電量QL不一樣。所以一開始不是統(tǒng)計(jì)確定每天的耗電量，而是得出工作電流i，然后根據(jù)上述方法確定每天工作時(shí)間t

，才能求得各天的耗電量:QL=(t-1)·i

仍以上例進(jìn)行分析:光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)126為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套光控太陽能路燈,燈具功率為30W,工作電壓為12伏，蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?首先求出負(fù)載工作電流：

i=W/V=30/12=2.5(A)再應(yīng)用公式:求出每天工作時(shí)間t

為沈陽地區(qū)設(shè)計(jì)一套光控太陽能路燈,燈具功率為30W,工127

最后由公式：

QL=(t-1)·i

算得各天耗電量其余步驟與前相同，得到如下結(jié)果：最后由公式：128月份HtQgQcQg

-Qc13.34071045.01056.3-11.26924.10441159.6879.36280.2834.29391343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.3953.82541196.6671.85524.7863.53541070.2603.94466.2873.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.8994.03611221.8805.41416.37103.96121239.1941.23297.87113.3022999.631001.1-1.4333122.9377918.931080.5-161.57月份HtQgQcQg-Qc13.34071045.0129由以上計(jì)算最后得出：太陽電池方陣傾角為：β=660蓄電池容量為：B=242.5Ah太陽電池方陣容量為：P=216.3W與上面討論的均衡性負(fù)載系統(tǒng)比較：太陽電池方陣傾角為：β=620

蓄電池容量為：B=104.2Ah太陽電池方陣容量為：P=107.2W

由以上計(jì)算最后得出：130光控太陽能照明系統(tǒng)冬天工作時(shí)間長，耗電量多，夏天耗電量少，與日照規(guī)律正好相反。光控太陽能照明系統(tǒng)與同樣功率的定時(shí)太陽能照明系統(tǒng)相比，所需要配置的太陽電池方陣和蓄電池的容量要大得多。前者太陽電池方陣的傾角要比后者大，其原因是要照顧冬天方陣面上的日照量。光控太陽能照明系統(tǒng)冬天工作時(shí)間長，耗電量多，夏天耗電量少131

所分析的光控太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為13495.66Ah，而燈具實(shí)際耗電量只有10027.33Ah,利用率只有74.3%。而上例定時(shí)太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為6087.12Ah,燈具實(shí)際耗電量5475Ah,利用率可達(dá)89.9%。所分析的光控太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為13495.132

3).特殊要求負(fù)載衡量供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能通?？捎秘?fù)載失電率LOLP(Loss-of-load-probability)來衡量。LOLP的定義為:LOLP=全年停電時(shí)間/全年時(shí)間3).特殊要求負(fù)載133LOLP值在0~1之間，數(shù)值越小，可靠程度越高。如LOLP=0，表示任何時(shí)間都能保證供電，全年停電時(shí)間為零。常規(guī)電網(wǎng)對(duì)大城市供電也只能達(dá)到LOLP=10-3數(shù)量級(jí)LOLP值在0~1之間，數(shù)值越小，可靠程度越高。如L134在一些特殊需要的場(chǎng)合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器、軍用裝備等供電的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，確實(shí)需要做到滿足一分鐘都不停電的要求。對(duì)于這類獨(dú)立光伏系統(tǒng)，不能夠盲目地增加系統(tǒng)的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)要特別仔細(xì)，稍有不慎，其結(jié)果不但可能造成大量浪費(fèi)，還會(huì)影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在一些特殊需要的場(chǎng)合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器135

對(duì)于均衡負(fù)載要求LOLP=0的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，同樣可以用上面提到的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，只是蓄電池的維持天數(shù)先用n=0代入，使得各個(gè)月份的方陣發(fā)電量都大于負(fù)載耗電量，即可確定太陽電池方陣的容量。再根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖铋L連續(xù)陰雨天數(shù)，作為蓄電池的維持天數(shù)n，確定蓄電池的容量。對(duì)于均衡負(fù)載要求LOLP=0的獨(dú)立光伏系136

實(shí)例分析為上海地區(qū)設(shè)計(jì)一套全天工作，失電率為零的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，負(fù)載平均每天耗電量為10W，工作電壓取12V，試確定系統(tǒng)的容量。求出每天負(fù)載耗電量為20Ah。實(shí)例分析137

重復(fù)上述計(jì)算,或以蓄電池維持天數(shù)n=0代入,即可得到最佳傾角為470,方陣輸出電流為10.46A,太陽電池方陣容量為204.9W。根據(jù)上海地區(qū)最長連續(xù)陰雨天數(shù)為8天,用n=8,并取蓄電池放電深度為0.6,求出蓄電池容量為313.7Ah。實(shí)際可采用2只12V-160Ah蓄電池并聯(lián)使用。各月能量平衡表如下:

重復(fù)上述計(jì)算,或以蓄電池維持天數(shù)n=0代入,即可138月份HtQgQcQg

-Qc1月2.6557620.036200.032月2.9795628.3156068.313月3.0011700.6662080.664月3.6500824.66600224.665月3.8399896.50620276.56月3.569758.45600158.457月3.9046911.59620291.598月4.0097936.14620316.149月3.7106838.35600238.3510月3.4880814.37620194.3711月3.1002700.44600100.4412月2.8832673.1362053.13月份HtQgQcQg-Qc1月2.6557620.0139

2.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于有電網(wǎng)作為儲(chǔ)能裝置,不必像蓄電池那樣受到容量的限制。所以太陽電池方陣的安裝傾角應(yīng)該是以全年能接收到最大太陽輻射量所對(duì)應(yīng)的角度。電網(wǎng)可以隨時(shí)補(bǔ)充電力,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要獨(dú)立光伏系統(tǒng)那樣嚴(yán)格。2.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)140

通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種:1).根據(jù)準(zhǔn)備安裝的太陽電池方陣的容量，進(jìn)行設(shè)計(jì)，要找出全年能夠得到最大發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的方陣最佳傾角，并且計(jì)算出系統(tǒng)各個(gè)月份的發(fā)電量及全年的總發(fā)電量。首先可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩碣Y料,求出全年能接收到最大太陽輻射量所對(duì)應(yīng)的角度即為方陣最佳傾角。通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種:141

根據(jù)已知方陣容量,求出方陣輸出電流,再根據(jù)最佳傾角時(shí)方陣面上各個(gè)月份所接收到的太陽輻射量,利用公式:

Qg=N·P·Ht·η1·η2

即可得到各個(gè)月份系統(tǒng)的發(fā)電量。將12個(gè)月份的發(fā)電量相加,就是全年并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。根據(jù)已知方陣容量,求出方陣輸出電流,再根據(jù)最佳傾角時(shí)方陣面1422).根據(jù)用戶負(fù)載的用電量，在能量平衡的條件下要確定所需要最小的太陽電池方陣容量及其安裝傾角。同樣根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩碣Y料,求出全年能接收到最大太陽輻射量所對(duì)應(yīng)的角度即為方陣最佳傾角。

2).根據(jù)用戶負(fù)載的用電量，在能量平衡的條件下要確定所143任意選取某個(gè)方陣輸出電流I，算出各個(gè)月份的方陣發(fā)電盈虧量，如全年總的盈虧量為正，則減少電流I;如全年總的盈虧量為負(fù)，則增加電流I，重新進(jìn)行計(jì)算，直到全年總的盈虧量為零，這時(shí)方陣的輸出電流Im即為所需的最佳電流。再與電壓及安全系數(shù)相乘，就可得到所需要最小的太陽電池方陣容量。任意選取某個(gè)方陣輸出電流I，算出各個(gè)月份的方陣發(fā)電144(三).光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些誤區(qū)1.光伏發(fā)電系統(tǒng)必須根據(jù)負(fù)載和現(xiàn)場(chǎng)的地理及氣象條件進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.日照時(shí)數(shù)與峰值日照時(shí)數(shù)不能混淆。3.方陣面應(yīng)盡量朝南傾斜放置。4.方陣最佳傾角不單取決于緯度,會(huì)隨不同的P-B組合而變化。5.P/B的比例并不固定。(三).光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些誤區(qū)1.光伏發(fā)電系統(tǒng)必須根據(jù)負(fù)1456.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮某個(gè)月份的輻照量。7.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各個(gè)月份的能量平衡。8.要注意方陣全年發(fā)電量和有效發(fā)電量的區(qū)別，兩者差別越小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)得越好。9.蓄電池容量要恰當(dāng)，并不是越大越好。否則可能造成與太陽電池方陣