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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：
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
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发电量最大即可。
但由于光伏系统要和电网并联，这又对设计提出了新的要求，如电能质量要求，最大功率跟踪，防单独运行，电压、频率突变检测和保护等，这里不多赘述，读者可参考其他资料。
设计实例2：
并网光伏系统
在西安地区安装一套并网光伏系统供200kW负载每天工作6小时，各个月份的发电量是多少？
方阵最佳倾角是多少？
根据西安地区的气象资料，并按照上述倾斜面上月平均太阳辐照量的计算公式，对于不同倾角进行计算。
参考附表表2西安地区全年最大太阳辐照量所对应的倾角是21°，并计算各月的太阳辐照量。
同样考虑到太阳辐照量是基于标准晴空大气透明度指数计算得出，实际遇到阴雨天时太阳辐照量会减少，以每月平均有80%的天气是晴天所得，见表4。
每kW光伏电池并网系统全年总发电量为1153kW·h。
表4西安地区倾角为21°的并网光伏系统每kW光伏电池发电量
月份
1月
2月
3月
4月
5月
6月
辐照量
（kW·h/m2·d）
3.702
4.35
5.18
5.321
5.592
6.156
发电量（kW·h）
74.365
78.925
104.1
103.44
112.33
119.67
月份
7月
8月
9月
10月
11月
12月
辐照量
（kW·h/m2·d）
5.737
5.576
5.134
4.424
3.848
3.502
发电量（kW·h）
115.25
112
99.8
88.865
74.8
70.35
改变倾角，重新计算，求得全年发电量最大的倾角，即为方阵最佳倾角，这里不再重复，读者可自行计算。
假设21°即为西安地区最佳倾角，由于是并网光伏发电系统，考虑发电量最大原理，对于本案例，全年用户需求总发电量
（5-16）
需配置光伏电池
（5-17）
4光伏发电系统的机械结构设计
光伏发电系统的机械结构设计包括基地的选择和方阵布局、方阵支架设计及配电房的安排等。
不论是集中型光伏电站，还是光伏建筑一体化设计，合理的基地选择和现场布置都是必要的，地理纬度决定了该地点上任意一天任意时刻的太阳高度角和方位角。
地形地貌也与接收太阳照射的情况密切相关，建筑基地应选择在向阳的平地或坡地上，以争取尽量多的日照，为建筑单体的热环境设计和太阳能应用创造有利条件。
光伏方阵尽量在朝南方向单排安装，如果一排安装不下，可分成几排，或者在相邻的建筑物上布置多组光伏方阵，这时要注意日照间距设计合理。
日照间距是指前后两排建筑之间，为保证后排建筑在规定的时日获得所需日照量而保持的一定建筑间距。
一定的日照间距是建筑充分获得日照的条件，但是间距过大又会造成用地浪费。
一般以建筑类型的不同来规定不同的连续日照时间，以确定建筑物最小间距。
常规建筑一般按冬至日正午的太阳高度角确定日照间距，应保证冬至日正午前后共5h的日照，并且在9:
00～15:
00间没有较大遮拦。
同时要求方阵面上尽量不要有建筑物或树木遮挡，否则不但影响方阵功率输出，还有可能形成“热斑效应”，造成光伏电池组件损坏的不良后果。
对于重要或比较复杂的光伏系统，应当画出系统结构的平面或立体结构布置图。
根据优化设计出的太阳电池组件数量和尺寸大小以及方阵最佳倾角，设计方阵支架。
要求方阵支架牢固可靠，并充分考虑到承重、通风、抗震等因素。
在一些特殊地区，如海边，还要考虑防强风、防潮湿、防盐雾腐蚀等因素，有时还要加设驱鸟装置。
方阵支架通常不宜着地安装，为了防止积水或积雪的影响，减少下雨时泥水溅射到太阳能电池方阵上，方阵底部一般应该离开地面至少30cm。
为了增强抗风性和散热的需要，建议在组件之间留有一定间隙。
进行基础工程设计时，特别要注意方阵支架的固定，接地线的安排等。
有时还需要进行安放蓄电池和控制器及逆变器房间的设计及布置。
合理进行配电房的布置，安排好控制器和逆变器的位置，使其尽量与蓄电池靠近，但又最好能相互隔开，使得布局适当，接线可靠，测量方便。
如果是并网系统，还要考虑电网连接位置及方式等。
根据蓄电池的数量和尺寸大小，对安放蓄电池的房间进行总体布置，设计蓄电池的支架及其结构，要做到连接线路尽量短，排列整齐，干燥通风，维护操作方便。
5光伏发电系统的电气设计及辅助设备选配
5.1电气设计
根据优化设计出的太阳能电池方阵中组件的串、并联要求，确定组件的连接方式。
在串、并联组件数目较多时，最好采用混合连接方式。
串联组件数目较多时，应该在组件两端并联旁路二极管。
同时还要决定防反充二极管的位置及连接方法。
合理安排连接线路走向，尽量采用最短的连接途径。
确定分线盒和总线盒的位置及连接方式，决定开关及接插件的配置。
根据光伏系统各部分的工作电压及电流，按照有关电工标准和规范，选择采用合适的连接电线、电缆等附件。
对于比较重要的工程，应画出电气原理及结构图，以便于维修及检查。
5.2辅助设备选配
1．蓄电池
根据优化设计结果，决定蓄电池的电压及容量，选择合适的蓄电池种类及型号、规格，再确定其数量及连接方式。
一般场合可以采用铅酸蓄电池，在工作条件比较恶劣时，有时也采用胶体蓄电池，对于为重要负载供电的系统，可采用镍铬电池或镍氢电池。
国产蓄电池可选品牌如风帆、天能、骆驼、长城等，国外品牌如：
松下、日立、APC、锐牌等，国外品牌价格较高。
2．控制器
按照负载的要求和系统的重要程度，确定光伏系统控制器应具有的功能，并配置相应的控制器。
控制器的功能并非越多越好，否则不但增加了成本，而且还增添了出现故障的可能性。
目前国内配套太阳能光伏控制器和逆变器的厂家也很多，如合肥阳光电源有限公司、北京谷德绿能科技有限公司、苏州日不落能源设备有限公司、武汉盛华晟科技有限公司等，都是专业生产光伏逆变器、光伏控制器的企业，有多种型号可供选择。
3．逆变器
对于交流负载，必须配备相应的逆变器。
通常光伏方阵的工作电压，要根据逆变器的要求来决定。
为配备有蓄电池的独立光伏系统配置的逆变器的输入电压，通常为12V的整数倍。
并网光伏系统逆变器的输入电压并不是12V的整数倍，而是每块组件输出电压（一般为17V或35V左右）的整数倍，并且在工作时，由于太阳辐照度会随时改变，所以工作电压的变化幅度较大。
逆变器的输出波形，通常有方波、阶梯波（有时也称准正弦波）和正弦波等多种，在满足负载正常工作的前提下，应尽量选择前两种以降低成本。
如果为感性负载供电，则一般选择正弦波逆变器，且应适当增加逆变器的额定功率，以满足感性负载启动电流大的要求。
如果是并网光伏系统，还必须配备必要的检测、并网、报警、自动控制及测量等一系列功能，特别是必须具备防止“孤岛效应”的功能，以确保光伏系统和电网的安全。
4.“三遥”功能
对于大型或重要的光伏系统，通常要求具有遥测、遥控和远程通信的功能，这就需要配备合适的设备；而对于一般系统，除非十分必要，可不必配置。
5.防雷装置
对于大型或安装在高山上的光伏系统，特别是在雷暴多发地区，必须配备防雷装置。
防雷装置接地必须可靠。
6.消防安全
对于大型光伏电站，要配置移动式灭火器，灭火器的配置应符合《建筑灭火器配置设计规范》（GB50140-2005）和《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-1996）的相关规定要求。
7.其他设计
对于太阳能电池方阵，应尽量降低其工作温度，特别是在南方地区，要注意采取适当的降温措施，如组件之间保持一定间隔等。
尤其在采用光伏与建筑一体化结构材料时，最好不要紧贴屋面安装，应留有一定空隙，以便通风降温。
因为温度每升高1℃，电池的输出功率损失约为0.35%～0.45%，也就是说，在20℃工作的硅太阳能电池的输出功率要比在70℃工作时高20%。
蓄电池在环境温度降低时，输出容量会受到影响。
在20℃以下时，温度每降低1℃，容量要下降约1%。
尤其是在北方地区，冬天低温会对蓄电池容量产生严重影响，必须采取一定措施，如加热、保温或埋入地下等。
同时也要注意，并不是温度越高，对蓄电池越好，温度过高时，蓄电池的自放电会增加，极板消耗会加速。
在连接线路时，也要考虑温度的影响，尤其在夏天安装时，连线不要太紧，以免天冷时发生断裂。
除此以外，一般还需要进行标准化，备品、备件，包装、运输，施工，竣工验收和人员培训等设计，有时还需要进行备用电源设计。
在完成设计后通常还需要提供有关文件、资料、图纸等材料，一般包括设计资料、安装手册、人员培训手册、运行维护手册、运行记录和质保承诺书等。
此外，还要提供备品、备件等。
结束语：
总之光伏系统在整个寿命周期（目前为30年，以后可望增加到35年）内所产生的能量，远大于其制造、运输、安装、运行等阶段全部输入的能量，而且随着技术的进步，光伏系统的制造、安装过程中消耗的能量还将不断下降，能量偿还时间将进一步缩短，光伏发电确实是值得大力推广的绿色清洁能源。
此外，光伏发电还具有能改善电网结构，不受燃料供应和价格变化的影响等优点。
总之，随着社会的发展和技术的进步，光伏发电的规模将不断扩大，成本也将逐步降低，会取得越来越显著的经济和社会效益，必将在未来的能源消费结构中起到重要的作用。
设计中要注意的问题:
1、在设计光伏发电系统时，不但要考虑不同地区地理环境、气象条件等因素，还要考虑不同负载的特点及其对供电电源的要求，具体问题具体分析，不同地区、不同负载要求，设计方案不同。
即使对同一地区、同一负载要求，也有多种不同的设计方案。
要综合考虑各方面因素，选择一套最优方案，确保该方案经济可行，系统运行可靠，供电满足负载要求，同时还要考虑施工和后期维护，确保光伏系统长寿命使用。
2、与独立光伏发电系统相比，并网光伏发电系统的容量设计和最佳倾角的选择相对简单一些，但并网光伏发电系统又会带来一些新的问题，比如计费问题，安全性问题，与电网的同步及“孤岛效应”等问题，都是系统设计时所必须要考虑的。
3、在容量设计时，光伏方阵容量和蓄电池组的容量之间是相互关联、彼此影响的，即使对同一负载要求，也可以选择不同的组合方案，这对整个系统的造价、供电可靠性及后期维护费用都有影响，要综合考虑。
思考题：
1、独立光伏发电系统和并网光伏发电系统的最佳倾角概念有何不同？
2、倾斜面上月平均日峰值小时数如何计算？
3、独立光伏发电系统最佳倾角的选取应考虑哪些因素？
4、并网光伏发电系统最佳倾角的选取应考虑哪些因素？
附表1我国部分主要城市均衡性负载光伏方阵最佳倾角
城市
纬度
最佳倾角
城市
纬度
最佳倾角
长春
43.90
φ+1
南昌
28.67
φ+2
沈阳
41.77
φ+1
福州
26.08
φ+4
北京
39.80
φ+4
济南
36.68
φ+6
天津
39.10
φ+5
郑州
34.72
φ+7
昆明
25.02
φ-8
武汉
30.63
φ+7
太原
37.78
φ+5
长沙
28.20
φ+6
拉萨
29.70
φ-8
广州
23.13
φ-7
西宁
36.75
φ+1
海口
20.03
φ+12
兰州
36.05
φ+8
南宁
22.82
φ+5
银川
38.48
φ+2
成都
30.67
φ+8
西安
34.30
φ+14
贵阳
26.58
φ+8
上海
31.17
φ+3
哈尔滨
45.68
φ+3
南京
32.00
φ+5
呼和浩特
40.78
φ+3
合肥
31.85
φ+9
乌鲁木齐
43.78
φ+12
杭州
30.23
φ+3
附表2
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