独立太阳能供电系统设计指导文档yzu.docx

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独立太阳能供电系统设计指导文档yzu

杭州微圣科技有限公司

独立太阳能供电系统

设计指导文档

1简介2

1.1文档范围2

1.2引用标准3

1.3定义3

2总则3

2.1系统需求分析3

2.2系统框架3

2.3系统设计要求3

3系统设计4

3.1系统设计流程4

3.2系统需求分析5

3.3系统估算6

3.3.1概述6

3.3.2计算模型6

3.3.3计算结果说明7

3.4环境评估7

3.4.1气候气象条件7

3.4.2太阳能电池阵列安装环境9

3.4.3蓄电池安装环境9

3.5系统设计12

3.5.1系统拓扑结构设计12

3.5.2负载设计与计算12

3.5.3蓄电池系统设计与选型14

3.5.4光伏子系统的设计与选型17

3.5.5断路装置21

3.5.6系统防雷与接地设计21

3.5.7管理与控制系统设计23

1简介

1.1文档范围

本文档所参数的独立太阳能供电系统，是指不与电网连接的独立太阳能发电系统。

独立太阳能供电系统，是为配合其他用电系统实现供电而设的采用太阳能发电方式的小型发电系统。

本文档描述了独立太阳能供电系统的技术要求，是设计和实施独立太阳能供电系统的技术依据。

本文档适用于杭州微圣科技有限公司参与新建或改造的独立太阳能供电系统，用于指导技术人员工程设计与实施，并作为设备组件选型的技术依据。

1.2引用标准

GB/T19183《电子设备机械结构户外机壳》

1.3定义

2总则

2.1系统框架

典型独立太阳能供电系统由光伏子系统、控制器与逆变器，蓄电池，辅助电源组成，并向直流负载或交流负载供电，在部分应用中支持与上位机的通信，实现系统监控与控制功能。

典型独立太阳能供电系统拓扑图如下：

2.2系统设计要求

独立太阳能供电系统设计应同时符合于如下设计要求：

1.满足负载用电要求：

可保障负载在设计条件内正常工作，性能可靠，技术成熟；

2.满足环境条件要求：

充分考虑应用地的自然环境，系统应保障在相应环境条件下的可靠运行；

3.满足相关国际、国家、工业或行业标准：

设计应充分考虑所需遵循的各类标准，符合相关标准要求；

4.系统必须具备良好的开发性、集成性、安全性、可扩充性及可维护性，；

5.系统应充分考虑工程施工条件要求。

系统各部分设计要求细则参见后续章节。

3系统设计

3.1系统设计流程

独立太阳能供电系统系统设计应遵循如下流程。

3.2系统需求分析

系统需求分析应充分分析客户对独立太阳能发电系统的各项直接需求、隐藏需求、潜在需求，应对需求进行分类，并进行实现成本和风险评估。

需求分析是应将客户需求分为基本型需求、期望型需求、兴奋型需求（参见

对客户需求中的影响成本的需求与可能带来较高技术风险的需求应单独列出并进一步分析。

如下客户需求应是每一个独立太阳能供电系统都必须关注的。

使用场景：

系统的应用环境，应用的时段，负载的种类与特性；

可用性要求：

包括连续阴雨天工作时间和异常气象条件下是否需要辅助供电；如通信基站被认为是可用性要求较高，而阴极保护可用性要求较低；进一步的，应明确是否需要应急的备用电源措施，如自启动柴油发电机；

功能要求：

有无供电之外的附加要求，例如常见的电源状态管理需求；

成本要求：

复杂功能和高可用性必然带来成本提升，客户在成本、功能、可用性之间的倾向性需重点关注。

3.3系统估算

3.3.1概述

系统估算是依据初步掌握的客户需求，对独立太阳能供电系统的基本配置进行估算。

估算结果允许有一定的误差范围。

基于估算结果与客户进行沟通可进一步明确客户需求，也可作为系统设计方向的决策依据。

3.3.2计算模型

系统估算基于如下公式：

公式1

公式2

各参数说明：

太阳能电池容量：

单位为Wp（峰瓦）

系统负载功率：

一般单位为W（瓦），在蓄电池容量（公式2）计算中应换算为A（安）。

换算公式如下

如具有多个负载，应分别计算并相加。

如果负载额定电压不同，应计入电压转换损失

日工作时间：

指负载每日运行的时间，以小时为单位

充电效率：

采用MPPT控制器时充电效率以0.9计算；采用PWM控制器时充电效率以0.7计算

逆变器效率：

如系统采用逆变器，应考虑逆变效率

修正系数：

综合灰尘等其他因素影响的估算值，一般取0.9

平均日照峰值系数：

一般根据最小月平均日照峰值系数计算，得出的结果可满足全年要求；月平均日照系数不易获得的情况下，可以年平均日照峰值系数估算，参考附表1中的值，以小时为单位

连续阴雨天工作时间：

系统在连续阴雨天状态下能工作的最大时长

蓄电池放电深度：

与系统采用蓄电池类型有关，深循环铅酸蓄电池一般采用0.8为计算值，浅循环铅酸电池采用0.5计算值，磷酸铁锂电池一般以1为计算值

设计年限内蓄电池容量衰减：

铅酸蓄电池的计算参考值为连续工作3年，衰减0.3，即计算值为0.7

3.3.3计算结果说明

上述的计算公式可初步获得系统容量的概况，有助于系统设计的初步决策，或系统成本的初步估算。

如估算出太阳能电池组件的面积，则利于选择太阳能电池阵列的安装方式。

3.4环境评估

独立太阳能系统的安装环境包括当地气候气象条件及系统各部分的安装条件。

3.4.1气候气象条件

应考察、查询获得安装地的气候气象条件，并完成下表。

月份

一月

二月

三月

四月

五月

六月

七月

八月

九月

十月

十一月

十二月

月（日）辐射量

月（日）漫反射辐射量

环境反射率

月平均气温

最大风速风向

海拔高度

月（日）辐射量（Irradiance/solarradiation/insolation），指水平面辐射总量，包括直射辐射量（directirradiance）和漫射辐射量（diffuseirradiance）、地面反射辐射，当太阳能电池组件朝向太阳安装时，可获得较水平面更多的直射辐射量，但会损失一部分漫射辐射量，同时，可获得一部分地面反射辐射（一般约为辐射总量的20%）。

详细介绍参考：

http:

//www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals1/index.php

月（日）辐射量、漫射辐射量、月平均气温的数据可从NASA（http:

//eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?

email=zhenhuawan@）数据库查询获得。

也可参考中国地面国际交换站气候资料数据集CMA（

最大风速风向可参考应用地点附近地面国际交换站气候资料数据或当地政府或气象部门公开资料。

注意：

Nasa数据是1Km×1Km网格内的数据，CMA数据应引用应用地点最近、最类似的站台数据。

因Nasa数据来源自国外，在某些情况下应考虑使用其数据带来的法律风险。

地面反射辐射取决于环境反射率，大部分时候可不引入计算，环境反射率可依据环境状况参考下表得出：

环境

新鲜沥青

陈旧沥青

针叶林

落叶林

土壤

草坪

干沙地

混泥土

海冰

雪地

值

0.04

0.12

0.08～0.15

0.15～0.18

0.17

0.25

0.40

0.55

0.5～0.7

0.80～0.90

来源：

http:

//en.wikipedia.org/wiki/Albedo

3.4.2太阳能电池阵列安装环境

依据系统估算的结果，应选择合适的太阳能电池阵列安装地点，需考虑如下因素：

1.太阳能电池阵列安装于地面，建筑物顶部，高杆或者其他支撑物

2.周围主要遮挡物的高度，方位，距离

3.安装高度（距地面）

4.是否有强腐蚀因素（如海边、化工厂附近），是否容易积累灰尘

5.防偷盗、防破坏要求

应选择有良好固定条件的场所安装；尽可能避免遮挡物对直射辐射的影响，特别是避免局部阴影带来热斑效应；安装高越高虽然可能带来良好的日照条件，但应考虑抗风等级提高及支撑物成本的提高；强腐蚀和灰尘易积累的环境应当是尽力避免的；同时应考虑防偷盗、防破坏的要求。

基于上述原则初步选定安装地点后完成下表:

项目

内容

太阳能电池阵列安装条件

周围遮挡物状况

安装高度（距地面）

其他环境因素

3.4.3蓄电池安装环境

应综合考虑安装地点环境因素和蓄电池，选择蓄电池安装的最佳条件。

蓄电池安装可分为室内安装、控制箱安装、地埋安装三种方式。

本条目主要针对铅酸电池的安装条件作出说明，其他类型电池应根据电池特性作出调整。

室内安装

室内安装可参考《通信电源设备安装设计规范》要求。

电池应避免阳光直射，远离震动较大的机房及暖气片等热源。

电池室内应有自来水设施，地坪和墙壁等应耐酸，并便于排除污水。

蓄电池与墙面距离：

单体电池或整组电池不得小于300mm。

通风条件良好。

电池室应具备较好的自然通风条件，否则应设有单独的通风系统

对于有能力提供恒温恒湿环境的室内环境，应控制室内温度在20℃~25℃之间，环境湿度＜90%。

对于一般的室内环境，应尽可能的保证良好的温度湿度条件，特别是高温条件。

应记录室内温度最高与最低范围。

如室内温度可能高于35℃，则应考虑其它措施，如选择性能较好的高温电池，磷酸铁锂电池，或更改安装环境。

控制箱安装：

如蓄电池安装于室外环境，需安装于独立的蓄电池保护箱或与其他电气设备共同安装于控制箱。

控制箱应符合GB/T19183《电子设备机械结构户外机壳》标准，保持通风、散热良好；特别是对于太阳直射环境或严酷的低温环境，应考虑合适的隔热、散热、保温措施。

保护箱和控制箱常采用镀锌铁板喷塑箱体，不锈钢箱体，铝板箱体，硬质塑料箱体。

应了解控制箱实际的内部温度状况，并作为系统设计考虑依据。

地埋安装：

系统所在地如气温条件过于恶劣，可考虑蓄电池的地埋安装。

蓄电池地埋深度一般考虑在40cm以下，地温资料可查阅当地气象。

以长江中下游为例，40cm年日均地温波动一般在5℃～25℃之间，且日差在5℃.以内。

因此地埋安装的温度条件远较气温优异。

但是地埋安装应避免地下水淹渍环境，避免排水不良的环境，应保障蓄电池不被水淹没。

地埋安装包括地埋箱池、地埋箱两部分。

地埋箱池参考电力井施工方法，一般采用单转围砌、混凝土现浇、或预制混凝土板围砌。

底部应以砂石夯平后浇筑混凝土基面或铺设混凝土板。

地埋箱池应保持良好的排水，或考虑设置集水井。

地埋箱可采用购置件或厚12mm～15mm塑料板制成，应保证良好的防水能力，接缝处应以密封胶胶封。

应连接PVC管或带钢丝供水管材质的透气管、引线管。

透气管和引线管设计应避免雨水流入地埋箱。

蓄电池安装于地埋箱后置于地埋箱池内，并考虑防井盖或其他防护措施。

蓄电池地埋施工参考

蓄电池安装环境

蓄电池的安装方式在系统设计初期是可以选定的。

在进一步系统设计前，应确定

1.蓄电池的安装方式；

2.相应安装方式下蓄电池的运行环境温度，包括最高温度与最低温度，如有可能，应考察蓄电池运行环境的月均温。

月份

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

环境温度

安装环境

3.5系统设计

3.5.1系统拓扑结构设计

系统拓扑结构设计首先应明确系统总体框架，参照下图确定系统模块组成。

系统拓扑结构设计应考虑系统是否有如下功能要求：

1.辅助电源供电功能

是否预留应急充电接口，可在蓄电池电力耗尽的情况下进行人工维护充电；

是否具备自启动市电补充供应或柴油机发电功能。

2.系统管理与控制功能

是否需具备本地或远程的系统状态监视功能；

是否具备本地或远程的系统输出控制和管理功能。

3.5.2负载设计与计算

独立太阳能供电系统中所采用的负载设备可分为直流负载和交流负载二类。

直流负载

在独立太阳能供电系统中直流负载设备的供电等价于蓄电池直接向负载供电。

1.直流负载的选择应与蓄电池输出电压所匹配。

如12V铅酸蓄电池输出电压一般在10.8V～14.8V之间变化，直流负载应在该电压变化范围内正常工作。

2.在同一系统中，负载额定电压应尽可能的保持一致，如在12V系统中，所有的负载应尽可能的保证额定工作电压为12V。

3.对于多个负载额定工作电压无法保证一直的系统，应以额定电压最高的负载额定工作电压定为系统电压，其他负载供电采用DC-DC转换电源。

DC-DC转换电源的额定功率应与负载功率相匹配以保证较高的转换效率。

4.独立太阳能发电系统多采用低压直流供电，应充分考虑线缆压降和损耗，避免过长的供电线路传输。

交流负载

如系统中包含交流负载，需采用逆变器实现升压变换。

1.逆变器主要分为方波逆变器和正弦波逆变器。

当负载为电阻型负载，可选择成本较低的方波逆变器，否则应选择正弦波逆变器。

2.如系统中以交流负载为主，且功率较大（如1Kw以上），并有并网需求，可考虑采用专用的光伏逆变器。

3.逆变器额定功率应与负载功率相匹配，以保证较高的转换效率。

4.逆变器的负载

例：

48V系统，向48V、24V、12V直流，220V交流负载供电连接框图如下：

负载系统设计

负载系统应根据需求给出拓扑连接图，并分别列出负载、DC-DC电源或逆变器、线缆长度与规格。

负载功率与日功耗计算

负载功率计算应对所有负载功率累计相加。

采用DC-DC转换电源或逆变器的状况下，应考虑其转换效率，并进行换算。

如线损较高，应进行单独计算。

为方便后续计算，应将充电控制器的损耗也列入。

完成下表（参考）：

序号

设备名

型号

额定

功率

额定

电压

电源效率

实际

功率

日工作时间

日功耗

线损

充电控制器损耗

最大工作功率合计

日功耗合计

3.5.3蓄电池系统设计与选型

蓄电池选择

独立光伏发电系统中的蓄电池一般选择太阳能用铅酸蓄电池。

参考标准为GB/T22473-2008和IEC61427：

2005Secondarycellsandbatteriesforphotovoltaicenergysystems（PVES）-Generalrequirementsandmethodsoftest,NEQ..

当蓄电池容量小于200Ah时，一般选择12V电池，即由多节2V电池封装成的电池。

而当蓄电池容量大于200Ah时，多选择2V电池串、并联。

蓄电池工作环境温度应尽可能的控制在0℃至30℃之间。

如环境温度达到40℃蓄电池寿命将衰减一半。

而低温下，蓄电池有效容量降大幅度降低，并且可能因电解液冻结无法使用。

低温是选择蓄电池类型的重要依据。

一般情况下，当环境最低温度高于-10℃，可选择铅酸蓄电池（AGM），当环境最低温度低于-10℃高于-30℃应选择胶体电池（GEL）。

对于高海拔地区（>2500M）的蓄电池使用，应咨询蓄电池厂家意见。

蓄电池参数

蓄电池的关键参数如下表，应在选定蓄电池时确认。

型号

标准电压

额定容量（10h）

额定容量（120h）

工作温度

尺寸

重量

最高充电电压

浮充电压

过放保护电压

过放恢复电压

内阻

自放电率（25℃）

蓄电池容量计算

蓄电池容量计算有多种计算模型，可根据需要进行选择。

1.标准计算模型

标准计算模型是蓄电池在太阳能系统中的应用的经验公式。

式中：

日功耗——前述计算获得

连续阴雨天工作时间——系统设计时所要求的连续阴雨天工作时间

放电深度——当系统采用深循环电池时，放电深度为80%；当系统采用浅循环电池时，放电深度为50%

放电率修正——放电率依据系统放电率对蓄电池容量进行修正：

当放电率为I

时，C

/C

取1.2；当放电率为I

时，C

/C

取1.3；一般计算中可以1.3代替。

温度修正——温度修正指应根据蓄电池在低温环境下容量损失修正蓄电池容量，此参数的取值与放电率有关，但在I

、I

下差异不大，应参考蓄电池厂家的参数。

一般计算参考下表：

温度

10℃

0℃

-10℃

-20℃

-30℃

取值

0.95

0.9

0.8

0.65

0.5

使用年限修正——指蓄电池在设计工作年限内容量损失的修正值，综合项目情况和蓄电池质量而定，一般取0.8。

2.PVSYS5.X太阳能设计软件

可依据PVSYS5.X太阳能计算软件，根据软件要求录入相关数据。

3.《通信电源设备安装设计规范》

蓄电池容量计算可参考《YD/T5040-2005通信电源设备安装设计规范》中相关计算公式。

式中：

Q——蓄电池组的容量

K——安全系数，取1.25

T——放电小时数（h）

——放电容量系数，太阳能系统中一般取1

T——电池组所在地的最低环境温度

——电池温度系数（1/℃），太阳能系统中

取0.006

蓄电池的安装与使用

蓄电池的安装条件参考本文蓄电池安装环境章节所述。

本节描述蓄电池电气连接要求。

a）蓄电池以串联、并联方式组成蓄电池组，应尽可能避免并联连接，如需并联则不得超过3组。

b）蓄电池应根据需求选择是否接地。

c）蓄电池间连接及蓄电池与控制器间的连接线缆选择均须同时符合载流量和压降的限制条件，按电缆敷设的一般要求进行敷设。

载流量：

线缆标称载流量应大于最大电流负荷的1.25倍。

压降：

蓄电池间连接压降应小于10mV

蓄电池与控制器间线路压降应小于系统额定电压的1%，否则应考虑在控制器设置压降补偿。

d）如蓄电池组规模较大，蓄电池视需求考虑连接单独的直流熔断器。

基于维护和连接安全的考虑，可在总充放电回路上连接直流断路器。

3.5.4光伏子系统的设计与选型

太阳能电池容量计算

独立太阳能供电系统所需太阳能电池容量可通过辅助软件进行计算。

本节计算依据PVSYS软件进行阐述。

太阳能电池容量以峰瓦（Wp）为计量单位，影响太阳能电池容量选择的主要因素包括：

日均辐射量

参见太阳能电池安装环境章节

太阳能电池倾角与方向

对于独立太阳能供电系统，以保障系统供电为设计原则的，应以所在地日均辐射量较低的季节最佳倾角为设计依据（国内大部分地区是冬季，纬度+10度），方向则受周围遮挡物影响。

可在PVSYS软件中进行调整并选择。

遮挡损失

包括建筑物遮挡，地平线，灰尘遮挡。

太阳能电池自身特性

包括规格、UI特性、温度特性、匹配损失。

规格选择综合考虑系统电压和安装条件。

控制器/逆变器效率

PWM控制器（PVSYS中对应uP,Seriestransistor）约70%；MPPT控制器平均效率约90%～95%。

蓄电池荷电状态（SOC）

包括平均荷电状态和最低荷电状态。

平均荷电状态和最低荷电状态越高，越有助于延长蓄电池的使用寿命。

一般平均荷电需≥50%，可根据PVSYS模拟结果反向调整。

最低荷电状态默认值为15%，可根据需要修改。

蓄电池能量效率

铅酸蓄电池能量效率默认值为85%，一般取默认值。

在PVSYS录入上述条件后，可得太阳能电池阵列的设计结果，包括太阳能电池总峰值功率，组件数量，串、并联方式。

并给出连接拓扑图。

太阳能电池组件规格选择

太阳能电池组件的选择依据包括系统电压，系统安装条件等因素。

考虑温度补偿，采用PWM控制器时，12V系统应选择Vmp在16V以上的组件，24V系统应选择Vmp32V以上的组件。

单组件的功率大小与组件大小成正比例关系，选择应根据结构设计要求，尽可能减少串、并联级数。

太阳能组件应包括如下规格参数：

型号

数量

开路电压Voc

Voc温度补偿

短路电流Isc

Isc温度补偿

最大功率电压Vmp

最大功率温度补偿

最大功率电压Imp

功率公差

尺寸

重量

阵列拓扑

多个太阳能电池组件连接成光伏阵列并接入系统时，应综合考虑安装、线缆连接、防雷、接地要求，应先引入汇流箱。

安装条件

太阳能光伏阵列设计应参考《GB/T19064-2003家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》。

1.支架材质

支架材质根据使用环境条件和设计使用寿命选择决定，但是任何设计方案必须满足当地的有关技术规范，例如风压荷重、积雪荷重，有的地方还要考虑地震荷重。

支架按材质分为：

铝：

轻便，坚固，耐腐蚀；易于切割；与大多数光伏组件框架材质相同；不易焊接；

角铁或槽钢：

易于切割，如果未电镀会快速腐蚀；易于焊接；

不锈钢：

耐久性极强；造价高昂，不易切割；不易焊接，适用于盐雾环境（如海边等）；

所有的支架材料都应配套使用不锈钢的螺帽和螺钉。

支架的使用寿命选择，根据不同材质支架的使用寿命不同：

钢制+表面涂漆：

5-10年；

钢制+热浸镀锌：

20-30年；

不锈钢：

30年以上。

2.支架的设计

光伏组件或方阵及其支架和连接件的结构设计应计算以下效应：

a）非抗震设计时，应计算系统自重、风荷载和雪荷载作用效应；

b）抗震设计时，应计算系统自重、风荷载、雪荷载和地震作用效应。

c）安装光伏组件或方阵时，应考虑风压变化对系统部件的影响，宜安装在风压较小的位置，特别是安装于高处时，应相应提高抗风保准。

支架表面涂层应符合《涂料涂复通用技术条件》得要求，金属镀层应符合《电工产品得电镀层和化学覆盖层》得要求。

3.支架安装

支架按照安装方式可以分为：

地面安装，屋顶安装，立杆安装；

伏组件或方阵的支架，常采用埋设在钢筋混凝土基座中的钢制热浸镀锌连接件或不锈钢地脚螺栓来固定；钢筋混凝土基座的主筋应锚固在主体结构内；不能与主体结构锚固时，应设置支架基座，并采取措施提高支架基座与主体结构间的附着力，满足风荷载、雪荷载与地震荷载作用的要求。

地面安装光伏系统时，光伏组件最低点距硬质地面不宜小于300mm、一般地面不宜小于1000mm，并应对地基承载力、基础的强度和稳定性进行验算。

杆装载杆数量及杆距根据太阳能方阵数量设计决定。

载杆长度不宜长于6M，如须加高必须按电力部门标准得相关规定进行设计。

方阵平台应设在载杆顶部离杆顶为200MM——500MM位置。

方阵平台采用角钢或槽钢加工，再用支撑及固定件紧固在载杆顶部。

方阵的结构尺寸及安