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1、光伏系统设计全稿- Page 1- 4 光伏系统设计 本章主要讲述太阳能光伏系统的组成结构和工作原理，并结合实例讲述光伏系统 的常见类型、一般设计原理和方法、光伏系统的测试以及性能分析，并描述了太阳能 光伏系统的发展趋势。 4 1 光伏系统的组成和原理 光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪 表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。 光伏系统具有以下的特点： - 没有转动部件，不产生噪 ； - 没有空气污染、不排放废水； - 没有燃烧过程，不需要燃料； - 维修保养简单，维护费用低； - 运行可靠性、稳定性好； - 作为关键部件的太阳电池使

2、用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上； - 根据需要很容易扩大发电规模。 光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统 和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差 转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需 要，发达 家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发 电系统和MW 级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推 广太阳能光伏系统的应用。 光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.32W 的太阳能 庭院灯，大到MW 级的太阳能光伏电站

3、。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、 空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结 构和工作原理基本相同。图4-1 是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。其中 包含了光伏系统中的几个主要部件： l 光伏组件方阵：由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而 103 - Page 2- 成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。 l 蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需 求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求， 它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳

4、能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对 于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸 蓄电池等。 l 控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控 制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着 太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变 器以及监测系统集成的趋势，如AES 公司的SPP 和SMD 系列的控制器就集成了上 述三种功能。 l 逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设 备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交 流电。 太阳能光

5、伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产 生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供 电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含 有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的 应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。对于其他类型的光伏系统只是在控制 机理和系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的光伏系统进行详细 地描述。 图4-1 直流负载的太阳能光伏系统 104 - Page 3- 4.2. 光伏系统的分类与介绍 一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如

6、果根据光伏系统的应用 形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统 分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（Small DC）；简单直流系统（Simple DC）； 大型太阳能供电系统（LargeDC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（Utility Grid Connect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。下面就每种系统的工作原 理和特点进行说明。 4.2.1. 小型太阳能供电系统（Small DC） 删除的内容: 该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操 作简便。其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用

7、的直流产品以及相关的娱乐 设备。如在我 西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流 节能灯、收录机和电视机等，用来解决无电地区家庭的基本照明问题。 图4-4 简单直流的光伏水泵系统 105 - Page 4- 4.2.2.简单直流系统（Simple DC） 该系统的特点是系统负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负 载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。系统结构 简单，直接使用太阳能太阳电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释 放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。其常用 于光伏水泵系统、一些白天

8、临时设备用电和旅游设施中。图4-4 显示的就是一个简单 直流的光伏水泵系统。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮地区得到了广泛的 应用，产生了良好的社会效益。 带格式的: 项目符号和编号 4.2.3. 大型太阳能供电系统（Large DC） 与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种太阳 能光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的 系统规模也较大，需要 备较大的太阳能太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组，常应 用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航 标灯塔、路灯等领域。我 在西部地区实施的“光明工程”中，一些无电地区建设的部分乡

9、村光伏电站就是采 用这种形式；中 移动和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通信基站也采用了这 种光伏系统供电。 4.2.4. 交流、直流供电系统（AC/DC） 与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负 载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电 以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较 106 - Page 5- 大。在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其它一些含有交、直流负载的光伏 电站中得到应用。 4.2.5.并网系统（Utility Grid Connected） 这种光伏系统最大的特点就

10、是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成 符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生电力 除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有 产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电 网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发 的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆 变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。因为逆变 器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能 太阳电池组件阵列作为

11、本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。而且并 网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但并网光伏供电系统作为一种分散式发电 系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应 等。 4.2.6 混合供电系统（Hybrid） 这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能太阳电池组件阵列之外，还使用了燃油发 电机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点， 避免各自的缺点。比方说，上述几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量输出 107 - Page 6- 依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机和太阳电池组件的混合供电系统与单一能 源的独立系统相

12、比所提供的能源对天气的依赖性要小，它的优点是： 使用混合供电系统可以达到可再生能源的更好利用。因为可再生能源是变化的， 不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。由于系统是按照最 差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量过大。在太阳辐照最高峰时 期产生的多余能量没法使用而白白浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。 如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过 设计负载的需求。 具有较高的系统实用性。在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系 统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统 则会大大地降低负载缺电率。 和

13、单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。 较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的 浪费。在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提 高燃油效率。 负载匹 更佳。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率， 所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负 载，冲击载荷等。还可以更好的匹 负载和系统的发电，只要在负载的高峰时期 打开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统， 大的负载需要很大的电流和很高的电压。如果只是使用太阳能成本就会很高。 但混合系统也有其自身的缺

14、点： 控制比较复杂。因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况， 处理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制 系统比独立系统复杂，现在多使用微处理芯片进行系统管理。 初期工程较大。混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。 比独立系统需要更多的维护。油机的使用需要很多的维护工作，比如更换机油滤 器，燃油滤 器，火花塞等，还需要给油箱添加燃油等。 污染和噪 。光伏系统是无噪 、无排放的洁净能源利用，但是因为混合系统中 使用了柴油机，这样就不可避免地产生噪 和污染。 很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高， 108 - P

15、age 7- 都采用混合系统供电，以求达到最好的性价比。我 新疆、云南建设的很多乡村光伏 电站就是采用光/柴混合系统。 4.2.7并网混合供电系统（Hybrid） 随着太阳能光伏产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏阵列、市电和备用 油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯 片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源，达到最佳的工作状态，并可以 备 使用蓄电池。进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES 的SMD 逆变器系统。该系 统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线UPS （不间断电源）工作。 它可向电网供电，也可从电网获得电力，是个双向逆变

16、/控制器。系统工作方式是将市 电和光伏电源并行工作，对于本地负载而言，如果太阳电池组件产生的电能足够负载 使用，它将直接使用太阳电池组件产生的电能供给负载的需求。如果太阳电池组件产 生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回给电网；如果太阳电池组件产生 的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求；而且，当本地负 载功耗小于SMD逆变器额定市电容量的60时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄 电池长期处于浮充状态；如果市电产生故障，即市电停电或者市电的供电品质不合格， 系统就会自动断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流 电能。一旦市电恢复正常，即电压和频

17、率都恢复到正常状态以内，系统就会断开蓄电 池，改为并网模式工作，由市电供电。有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、 控制和数据采集功能集成到控制芯片中。 4.3. 太阳能光伏系统的特点 太阳能光伏发电系统自身具有其独特的特点： 无枯竭危险； 绝对干净（无污染，除蓄电池外）； 不受资源分布地域的限制； 可在用电处就近发电； 能源质量高； 使用者从感情上容易接受； 获取能源花费的时间短； 109 - Page 8- 供电系统工作可靠。 不足之处是： 照射的能量分布密度小； 获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关； 造价比较高。以上的一些特点决定了光伏发电供电系统在应用中有着其独有的 优势和相

18、关的制约。 4.4. 光伏系统的容量设计 光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计。 光伏系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太 阳电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者 之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。光伏系统硬 件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型，支 架设计，逆变器的选择，电缆的选择，控制测量系统的设计，防雷设计和 电系统设 计等。在进行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。 针对不同类型的光伏系统，软件设计的内容也不一样。独立系统，并网系统

19、和混 合系统的设计方法和考虑重点都会有所不同。 在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数 据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料， 包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低 气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降 等特殊气象情况等。 4.4.1 独立光伏系统软件设计 光伏系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容 量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。因为太阳电池组件数量和蓄电池容 量是光伏系统软件设计的关键部分，所以本节将着重讲述计算与选择太阳电池太阳电 池组

20、件和蓄电池的方法。 需要说明的一点是，在系统设计中，并不是所有的选择都依赖于计算。有些时候 需要设计者自己作出判断和选择。计算的技巧很简单，设计者对负载的使用效率和恰 当性作出正确的判断才是得到一个符合成本效益的良好设计的关键。 110 - Page 9- 1 设计的基本原理 太阳电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需 求；因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳电池组件和蓄电池在 天气条件有别于平均值的情况下协调工作；蓄电池在数天的恶劣气候条件下，其荷电 状态（SOC）将会降低很多。在太阳电池组件大小的设计中不要考虑尽可能快地给蓄电 池充满电。如果这样

21、，就会导致一个很大的太阳电池组件，使得系统成本过高；而在 一年中的绝大部分时间里太阳电池组件的发电量会远远大于负载的使用量，从而造成 太阳电池组件不必要的浪费；蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值的情况下给 负载供电；在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下，太阳电池组件就会给蓄电池充 电。 设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。在进行太阳电池组件设计的时候， 首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。在那 种情况下，太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年都有将近一 半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间内处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫 酸盐化

22、。而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电， 这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度 增加。太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的 负载需要，也就是要保证在光照情况最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。这 样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。 如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值，在这种情况下仍然按照最 差情况考虑设计太阳电池组件大小，那么所设计的太阳电池组件在一年中的其它时候 就会远远超过实际所需，而且成本高昂。这时就可以考虑使用带有备用电源的混合系 统。但

23、是对于很小的系统，安装混合系统的成本会很高；而在偏远地区，使用备用电 源的操作和维护费用也相当高，所以设计独立光伏系统的关键就是选择成本效益最好 的方案。 2 蓄电池设计方法 蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工 作。我们可以设想蓄电池是充满电的，在光照度低于平均值的情况下，太阳电池组件 产生的电能不能完全填满由于负载从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样在第一天 111 - Page 10- 结束的时候，蓄电池就会处于未充满状态。如果第二天光照度仍然低于平均值，蓄电 池就仍然要放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态继续下降。也许接下来的第三 天第四天会有同样的

24、情况发生。但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能够 允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达指定的危险值。为了量化评估这种 太阳光照连续低于平均值的情况，在进行蓄电池设计时，我们需要引入一个不可缺少 的参数：自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。 这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。 一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统 安装地点的气象条件即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续 阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。对于 负载对电源要求不是很严格的光伏应用

25、，我们在设计中通常取自给天数为35天。对 于负载要求很严格的光伏应用系统，我们在设计中通常取自给天数为714 天。所谓 负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微调节一下负载需求从而适应恶劣天气带 来的不便，而严格系统指的是用电负载比较重要，例如常用于通信，导航或者重要的 健康设施如医院、诊所等。此外还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很偏远的地区， 必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员要到达现场需要花费很长时间。 光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，但是在较大的系统中 考虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。在下面内容中涉及到的蓄电 池没有特别说明指的都是铅酸蓄电池。

26、 蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出 计算蓄电池容量的基本方法。 （1）基本公式 I. 第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到 初步的蓄电池容量。 II.第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能 让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄 电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参 数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情 况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的 是浅循环蓄

27、电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式见下： 112 - Page 11- 自给天数 X 日平均负载 蓄电池容量 = - （4.1） 最大放电深度 下面我们介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达 到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个 数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 负载标称电压 串联蓄电池数 = - （4.2） 蓄电池标称电压 为了说明上述基本公式的应用，我们用一个小型的交流光伏应用系统作为范例。 假设该光伏系统交流负载的耗电量为10KWh/天，如果在该光伏系统中，我们选择使用 的逆变器的效率为90，输

28、入电压为24V，那么可得所需的直流负载需求为462.96Ah/ 天。(10000 Wh 0.9 24 V = 462.96 Ah)。我们假设这是一个负载对电源要求并 不是很严格的系统，使用者可以比较灵活的根据天气情况调整用电。我们选择5 天的 自给天数，并使用深循环电池，放电深度为80。那么： 蓄电池容量5天462.96Ah/0.82893.51Ah。 如果选用2V/400Ah 的单体蓄电池，那么需要串连的电池数： 串联蓄电池数24V/2V=12 （个） 需要并联的蓄电池数： 并联蓄电池数2893.51/4007.23 我们取整数为8。所以该系统需要使用2V/400Ah 的蓄电池个数为：12 串联8并联 = 96 （个）。 下面是一个纯直流系统的例子：乡村小屋的光伏供电系统。该小屋只是在周末使 用，可以使用低成本的浅循环蓄电池以降低系统成本。该乡村小屋的负载为90Ah/天， 系统电压为24V。我们选择自给天数为2 天，蓄电池允许的最大放电深度为50，那 么： 蓄电池容量2天90Ah/0.5360Ah。 如果选用12V/100Ah