太阳能离网电站原理及设计方法介绍

太阳能独立光伏电站设计原理、方法2008年11月P1一、太阳能独立光伏发电原理：

指太阳能光伏发电系统不与公共电网连接的发电方式。典型特征为：白天利用太阳能发电，并将电能存储在蓄电设备中。晚上利用蓄电池中的电能为负载提供电能，其优点是能够根据具体用电情况，不受电网覆盖、地理位置的约束，实地配备的光伏供电系统。具体结构简图如下：

P1

独立光伏发电系统的构成主要包括：太阳能电池组件（阵列）、蓄电池、逆变器、控制器、接线箱等。太阳电池组件：属于发电系统，是指把利用半导体的光伏效应将太阳能辐射能转换成直流电的太阳能电池片封装的阵列；控制器：管理系统，对蓄电池充放电管理；逆变器：逆变系统，将直流电转换成220V50Hz的交流电。蓄电池：能量储存系统；一般使用阀控式铅酸蓄电池、铅酸胶体蓄电池等支架、配电柜等辅助设备：辅助保护系统，汇总太阳电池组件的配线。内装有浪涌保护器器、保险和开关等。P1二、系统各部件介绍：（一）太阳能电池组件：

1、结构：

P12、伏安特性曲线：

P13、主要参数：标准测试条件：温度25℃，大气质量：AM1.5，光照：1kW/㎡

Isc短路电流,电池正负极短路状态时流过的电流

Voc开路电压，正负极开路状态下的电压

Pm最大输出功率，最大输出工作电压与最大工作电流乘积

Vpm最大工作输出电压，

Ipm最大工作电流填充因子：FF=Vm*Im/Voc*Isc

转换效率：n=Vm*Pm/P=FF*Voc*Isc/p(P为太阳辐射功率)

P14、太阳能电池组件的辐射特性：P15、太阳能电池组件的温度特性：P15、热斑效应太阳能电池组件在阳光照射下出现局部发热点的现象叫热斑效应，这种现象一般在单个电池上发生。组件中某部分电池单元上因树叶等其他遮挡物形成阴影，那么该部分电池有发电者变成负载，并且该部分的电阻变大。此时，串联回路（组件串）上的全部电压加在这个电池上，电流经过该高电阻单元使其发热，产生高温，其周围的材料变色、膨胀，焊点熔化。严重的热斑效应可能高达200℃的高温，烧毁电池。可以采用旁路二极管防止这一情况发生。造成热斑效应的根源是有个别坏电池的混入、电极虚焊、电池有裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局部受阴影遮挡等。

P1P1解决热斑效应的措施主要是采用并联旁路二极管，如下图；

防逆流二极管：防止其他太阳能电池回路或蓄电池产生的电流流进该组件。可放在控制器里面旁路二极管：为防止热斑效应导致组件受损，反向电压为保护电池串的最大输出电压的1.5倍以上P1（二）控制器在大多数光伏系统中都用到了控制器以保护蓄电池免于过充或过放。过充可能使电池中的电解液汽化，造成故障，而电池过放会引起电池过早失效。过充过放均有可能损害负载。所以控制器是光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统BOS（BalanceofSystem）的主要部分。在小型光伏系统中，控制器也称为充放电控制器，主要起防止蓄电池过充电和过放电的作用。在大中型光伏系统中，控制器担负着光伏系统能量的平衡管理，保护蓄电池及整个光伏系统正常工作，显示系统工作状态等重要作用。控制器可以是单独使用的设备，也可以和逆变器制做成一体化。P11、主要功能：防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命。防止太阳电池方阵、蓄电池极性反接。防止负载、控制器、逆变器和其他设备内部短路。最优化的系统能量管理（光伏方阵最佳工作点跟踪MPPT，MaximanPowerPointTracking，温度补偿、择优补偿、择优启动特殊负载及后备电源自动切换等）雷击引起的击穿保护。光伏系统工作状态显示：蓄电池荷电状态SOC显示和蓄电池端电压显示。P1光伏系统信息储存（系统发电量、失电量、失电记录、故障记录等）。负载状态显示（耗量等）；光伏方阵工作状态(显示充电电压、充电电流、充电量等)；辅助电源工作状态显示；环境状态显示（太阳辐射能、温度、风速等）。光伏系统故障报警光伏系统遥测、遥控、遥信功能等。P12、控制器分类

1）按功能分类普通控制器、分时段控制器、可调功率控制器、市电切换控制器、风光互补控制器、离网控制器、并网控制器等

2）按开关方式分类光控开光控关控制器、光控开时控关控制器、时控控制器

3）按电压等级分类

12V、24V、110V、220V控制器

12V、24V自动识别

24V、36V、48V自动识别P13、几种常用充电模式

1)恒流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联的电阻，保持充电电流强度不变的充电方法。其控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，所以到充电后期，充电电流多用于电解水产生气体，使出气过多。

2)恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成报废。P13)三阶段充电法。在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，仍受到一定的限制。4)脉冲式充电法脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间后再充，如此循环充电脉冲使蓄电池充满电量，间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池对充电电流的接受率。P14、控制器参数设置

1）蓄电池类型选择目前使用的主要是免维护阀控式铅酸蓄电池、铅酸胶体蓄电池

2）开关模式

3）充放电保护参数设置过充保护电压（单节电池2.35V）过放保护电压（单节电池1.8V）P1（三）逆变器（根据负载性质选择）

将交流电AC变换成直流电DC称为整流，完成整流的电路称为整流电路；而将直流电DC变换成交流电AC称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。实现逆变过程的装置称为逆变器。由于大部分用电器是按交流电路设计的，所以各种DC/AC逆变器已经是光伏发电系统中的常见部件。早期的AC/DC逆变是由交流电动机带直流发电机来实现的。而现代的逆变技术已经是建立在电力电子技术、半导体材料与器件技术、现代控制技术、脉宽调制（PWM）技术、工业电子技术等学科之上的综合技术。

P11、逆变器选择主要重要参数

1）电压等级等主要参数匹配

2）DC/AC转换效率

对太阳能光伏发电系统而言，逆变器的DC/AC转换效率十分重要。通常逆变器的效率在70%--90%，优质逆变器可以达90%--96%。应当注意的是逆变的效率往往随负载率而变。往往在负载率低于20%和高于80%时，DC/AC转换效率要低一点。也有的逆变器在低负载时效率不高，而在负荷率超过30%以后，DC/AC效率一直保持在较高水平上。特别值得注意的是，测定非正弦波和非50Hz逆变器效率时，不能简单地用测50Hz正弦波的通用仪表来测量，必须用专用的方法和其他标定过的专用仪表来测定。P13）工作温度逆变器功率器件的工作温度直接影响到逆变器的输出电压、波形、频率、相位等许多重要特性。而工作温度又与环境温度、工作所在地的海拔、潮湿度以及工作状态有关。逆变器要满足极热和极冷地区的使用时，其工作温度要预先设计。4）工作环境对于高频高压型逆变器，其工作特性与工作环境，工作状态有关。在高海拔地区，空气稀薄，容易出现电路极间放电或有局部能量，影响工作。在高湿度地区则易结露，造成局部短路。因而对每一种逆变器，都要规定其适用的工作环境。P15）电磁干扰和噪声逆变器中的开关电路既容易产生电磁干扰，容易在劣质的铁心变压器上因振动而产生噪音。因而在设计和制造中都必须控制电磁干扰和噪音的指标，使之满足有关标准及用户的要求。6）过载能力在某些电视机、电动机等负载启动时，其瞬时功率可以为正常工作时功率的3—6倍。因而要求逆变器有瞬时过载能力，也称峰值系数。另外在特殊情况下，会有一些额外负载增加。这就要求逆变器有一定的额定过载能力。在设计光伏系统时要留有余地。逆变器的其他指标如输入输出额定电压、电流的范围及精度要求、功率因素、额定输出功率、连续无故障时间、是否可以与几个逆变器同时并联运行的特性等等，也都是评价和选用逆变器的指标，需要认真考察。P1（四）蓄电池蓄电池是太阳能独立光伏发电系统的贮能装置，经常用的是阀控式铅酸蓄电池，胶体蓄电池，碱胶蓄电池，碱性镉镍蓄电池和铁镍蓄电池。

1、蓄电池结构

P12、工作原理正极活性物质是二氧化铅,电极反应为:

负极活性物质是海绵状金属铅,电极反应为:从反应式中可以看出,硫酸不仅传导电流,而且参与电化学反应,放电时不断减少,生成水,电解液浓度降低;充电时不断生成硫酸,消耗水,电解液浓度增加.电池反应:P1工作原理框图：P13、阀控式铅酸蓄电池的特点

1）全密封结构，用一安全阀控制电池内气体压力。VRLA(ValveRegulatedLeadAcid)2）利用氧再复合“水循环”原理，使电池正极析出的氧气通过隔膜扩散到负极发生氧化还原反应生成二氧化铅，并与硫酸反应，最终生成水，避免水分的散失

3）采用玻璃纤维或胶体作为隔膜（使正、负极极间的距离缩到最小而互不短路，防止极板的弯曲和变形，防止活性物质的脱落），吸贮电解液，贫液式，紧装配。P14、蓄电池特性参数

1）放电深度它以电池容量的百分数表示，电池所能承受的放电容量与其结构有关。一般来说，电极板越大则蓄电池所能承受的充放电程度等的性能就越好。电池工作有浅循环和深循环之分。浅循环电池较轻，较便宜，但是如果经常超过规定的放电深度则寿命会大大降低。许多密封式电池（即所谓的免维护电池）就是浅循环电池，一般的浅循环电池的放电量不应超过电池容量的25%。独立光伏系统中经常使用的电池是深度循环电池，其极板厚度大，可承受的放电量为其标定容量的80%，绝大多数此类电池是电解液电池，也就是说其极板被电解液所覆盖。

P12）电池额定容量：即电池在某一特定温度和放电速率下所能产生的最大能量。当电池用于光伏系统中，您不可能反复用到额定容量，然而额定容量设置了一个基线用以比较电池的性能。须注意的是，如果比较不同电池的额定容量时，须在同一温度下使用相同的放电速度。3）放电速度指在一定的放电条件下，放电到终止电压的时间长短。依据IEC标准，放电率分别为20小时率（20Hr）、10小时率（10Hr）2小时率（2Hr）、1小时率（1Hr）。电池的额定容量用C来表示，不同的放电率得到的电池容量会不同，例如：10小时率的放电电流表示的电流值为：I10=C10/10=0.1C10，2小时放电率的放电电流表示电流值为：I2=C2/2=0.5C2，1小时放电率的放电电流表示电流值为：I1=C1/1=1C2。P14）电池寿命：电池寿命由许多因素决定如放电速率，放电深度，循环次数和工作温度等，所以电池寿命很难预测。对于光伏系统来说很少有铅酸电池的寿命超过5年的，一般是3～5年。镍镉电池在相同的条件下可工作更长时间，在最优化条件下，可稳定地工作5年以上。

P15、蓄电池温度特性畜电池对温度极为敏感，低温的电池比高温的电池提供的电能要少。如图所示，一个处于25℃的电池如果以C/20的放电流进行放电则可以提供100%的能量；而在-20℃时凡例C/20速率放电只能提供75%的能量，如果放电速率升高到如图所示的C/5，则其只能输出50%的能量。从图中还可看到在同一温度下，放电速率升高则输出能量降低。尽管如图所示,温度高就可以得到甚至高于额定容量的能量，但是发热温度会减少电池的寿命，所以还是应该避免的，应使蓄电池的工作温度处于室温（25℃）附近。P1（五）支架、配电柜等辅助设备

1、支架及安装方式设计

2、电缆选择

3、系统的基础建设

4、接地及防雷设计

5、信息监控及数据传输系统设计

………………

P1三、独立光伏系统设计方法

系统设计工作从收集太阳能数据和计算负载大小开始，然后确定系统各部分规格，（蓄电池、控制器、逆变器），然后选择适当的导线进行安装，这才是整个的设计过程，当然一个完整的系统设计还应包括操作和维修的计划。

安装实施方案系统设计系统容量负载计算太阳能数据系统设计框图

P1

在系统设计正式开始之前，设计者应尽量做到：（1）设计尽量简单化，这样可以提高系统的可靠性。（2）了解系统的效率，适当设计系统效率，若不切实际地把效率定在99%以上，其成本是昂贵的。（3）在估算负载时要考虑周到，并要有一定的扩展能力。（4）反复计算核查当地的天气资源，获得该地区的太阳辐射能资源，对太阳辐射的错误估计将会大大影响系统的作用。（5）在设计系统前了解安装地点，去实地考察一下，这样对设备布置走线，保护和地带特性都有所了解。此外还要做到：仔细安装系统，安全第一，定期维修。P1

在光伏系统设计中每一个决定都将影响到它的成本。如果由于不现实的要求造成系统过大，将使系统首期成本产生不必要的增长。若部件不耐用，则维修和替换成本将增加。而错误的部件选择则容易使整个系统寿命周期成本翻一番。所以在设计光伏系统时要采用实际、灵活的原则。（一）负载用电量计算光伏系统设计的首要目标是确定系统的负载。这些负载估算是设计独立光伏系统及系统成本的重要因素之一。一个电器所需的功率可以测量出来或由制造商提供。然后把电器每日，每周，每月所用的时间估算出来。对户用系统（和其它许多系统）负载所用的时间是可以控制的。确定每个负载及其每天工作的小时数。以安培为单位输入每个负载的电流，输入电压，然后计算该负载工作所需要的功率。分别标出直流和交流负载。P1负载名称额定功率（w）日使用时间（h）每天耗能W（Wh）4盏电灯（10W节能灯）404160电视20240总使用能量200对交流负载需要一个逆变器来将直流电转换成交流电。逆变器增加了系统的复杂性，同时会使功率再从交流变成直流的过程中降低。只有很少部分器件是工作在交流下时，可以将它们转化为直流工作器件。实际上，每个电器所估算使用时间须再加裕量（如10%等），不过这将增加光伏系统的规格和成本。对于经常使用的电器，可考虑它们的替用品，而对于用电量较大的电器或可变负载则尽量不用或改用其他的能量供电。例如济南周遍山区一用户家庭用电情况：交流负载P1（二）系统容量确定

1、蓄电池容量确定

1）直流系统电压(U)选择独立光伏系统工作电压的选择取决于负载所需的电压和总的电流。如果系统电压设置成为与最大负载电压相等，则这些负载可直接到系统的输出端。然而，对于限制电流为100A的系统的任何部分，在任何电源电路中电流应在20A以下，使电流低于推荐值就可使用标准的、普通的电气设备和导线。当负载需要交流电源时，直流系统电压应根据逆变器的特性而定。

2）确定无日照天数(a)及放电深度（过大的放电深度会缩短蓄电池的寿命；过小的放电深度又会增加太阳电池组件的规模，加大总的投资成本，放电深度最大到80%较为合适。）P13）蓄电池容量（C）确定：

C=每天耗电量×无日照天数×安全系数/直流系统电压安全系数主要由放电深度、线损与接头损耗、温度特性等其他因素综合计算，一般取值1.4～1.8。例如，上述济南济南周遍山区一用户家庭用电，要求保证3个无日照天数。由于都属于交流负载，电压为AC220V，总功率约120W，因此选择系统直流电压为12V，安全系数取1.6，计算出蓄电池容量为80AHP12、太阳能电池组件容量（P）确定将历年逐月平均水平面上太阳直接辐射及散射辐射量，算出逐月辐射总量，然后求出全年平均日太阳辐射总量，采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则确定太阳电池组件发电量。用尝试法对蓄电池全年荷电状态进行检验，如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度，就应增加组件输出；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许的值，则可减少组件输出。也可相应地增加或减少蓄电池容量。若有必要，