电力案例五太阳能.docx
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电力案例五太阳能
电力案例五：
太阳能光伏发电系统设计计算
作者：
***
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
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β=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，η1为从方阵到蓄电池的输入回路效率，通常取0.9。
η2为由蓄电池到负载的输出回路效率，取0.9。
Tt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I=14A。
计算出各月份方阵发电量Qg为：
（5-4）
式中，N为当月天数；Tt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Qc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△Q＜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1。
表1β=48°、I=14A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
4.413
1241
1294
-53
2月
4.840
1229
1169
60
3月
5.114
1438
1294
144
4月
4.984
1356
1252
104
5月
4.944
1390
1294
96
6月
4.840
1317
1252
65
7月
4.872
1370
1294
76
8月
4.808
1352
1294
58
9月
4.796
1305
1252
53
10月
4.746
1335
1294
41
11月
4.498
1224
1252
-28
12月
4.248
1195
1294
-99
次年1月
4.413
1241
1294
-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n1＞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n1≈n,即得出方阵输出电流Im。
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Qg，列出各月负载耗电量Qc，从而求出各月份的发电盈亏量△Q，具体数值见表2。
表2β=48°、I=13.75A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
4.413
1219
1294
-75
2月
4.840
1207
1169
38
3月
5.114
1412
1294
118
4月
4.984
1332
1252
80
5月
4.944
1365
1294
71
6月
4.840
1293
1252
41
7月
4.872
1345
1294
52
8月
4.808
1328
1294
34
9月
4.796
1282
1252
30
10月
4.746
1311
1294
17
11月
4.498
1202
1252
-50
12月
4.248
1173
1294
-121
次年1月
4.413
1219
1294
-75
由表2可见,倾斜面上的太阳辐照量Ht和各个月份耗电量Qc没有改变,由于方阵输出电流有所减少,各个月份的发电量Qg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：
（5-10）
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I=13.9A，同样计算出各月份方阵发电量Qg，列出各月负载耗电量Qc，从而求出各月份的发电盈亏量△Q，具体数值见表3。
表3β=48°、I=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
4.413
1232
1294
-62
2月
4.840
1221
1169
52
3月
5.114
1428
1294
134
4月
4.984
1347
1252
95
5月
4.944
1380
1294
86
6月
4.840
1308
1252
56
7月
4.872
1360
1294
66
8月
4.808
1342
1294
48
9月
4.796
1296
1252
44
10月
4.746
1325
1294
31
11月
4.498
1215
1252
-36
12月
4.248
1186
1294
-108
次年1月
4.413
1232
1294
-62
再次计算11月至次年1月累计亏欠量之和为：
（5-11）
得：
（5-12）
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β=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n1），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I=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1V。
Im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17V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；η1和η2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定，要在能量平衡的条件下确定所需要最小的太阳能电池方阵容量及其安装倾角。
总之，并网光伏系统设计较独立光伏系统简单，倾角的选择只要保证系统全年
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