光伏系统设计

光伏系统设计本章主要讲述太太阳能光伏系系统的组成结结构和工作原原理，并结合合实例讲述光光伏系统的常常见类型、一一般设计原理理和方法、光光伏系统的测测试以及性能能分析，并描描述了太阳能能光伏系统的的发展趋势。4．1．光伏系系统的组成和和原理光伏系统由以下下三部分组成成：太阳电池池组件；充、放放电控制器、逆逆变器、测试试仪表和计算算机监控等电电力电子设备备和蓄电池或或其它蓄能和和辅助发电设设备。光伏系统具有以以下的特点：：没有转动部件，不不产生噪音；；没有空气污染、不不排放废水；；没有燃烧过程，不不需要燃料；；维修保养简单，维维护费用低；；运行可靠性、稳稳定性好；作为关键部件的的太阳电池使使用寿命长，晶晶体硅太阳电电池寿命可达达到25年以上；根据需要很容易易扩大发电规规模。光伏系统应用非非常广泛，光光伏系统应用用的基本形式式可分为两大大类：独立发发电系统和并并网发电系统统。应用主要要领域主要在在太空航空器器、通信系统统、微波中继继站、电视差差转台、光伏伏水泵和无电电缺电地区户户用供电。随随着技术发展展和世界经济济可持续发展展的需要，发发达国家已经经开始有计划划地推广城市市光伏并网发发电，主要是是建设户用屋屋顶光伏发电电系统和MW级集中型大大型并网发电电系统等，同同时在交通工工具和城市照照明等方面大大力推广太阳阳能光伏系统统的应用。光伏系系统的规模和和应用形式各各异，如系统统规模跨度很很大，小到0.3～2W的太阳能庭庭院灯，大到到MW级的太阳能能光伏电站。其其应用形式也也多种多样，在在家用、交通通、通信、空空间应用等诸诸多领域都能能得到广泛的的应用。尽管管光伏系统规规模大小不一一，但其组成成结构和工作作原理基本相相同。图4-1是一个典型型的供应直流流负载的光伏伏系统示意图图。其中包含含了光伏系统统中的几个主主要部件：光伏组件方阵：：由太阳电池池组件（也称称光伏电池组组件）按照系系统需求串、并并联而成，在在太阳光照射射下将太阳能能转换成电能能输出，它是是太阳能光伏伏系统的核心心部件。蓄电池：将太阳阳电池组件产产生的电能储储存起来，当当光照不足或或晚上、或者者负载需求大大于太阳电池池组件所发的的电量时，将将储存的电能能释放以满足足负载的能量量需求，它是是太阳能光伏伏系统的储能能部件。目前前太阳能光伏伏系统常用的的是铅酸蓄电电池，对于较较高要求的系系统，通常采采用深放电阀阀控式密封铅铅酸蓄电池、深深放电吸液式式铅酸蓄电池池等。控制器：它对蓄蓄电池的充、放放电条件加以以规定和控制制，并按照负负载的电源需需求控制太阳阳电池组件和和蓄电池对负负载的电能输输出，是整个个系统的核心心控制部分。随随着太阳能光光伏产业的发发展，控制器器的功能越来来越强大，有有将传统的控控制部分、逆逆变器以及监监测系统集成成的趋势，如如AES公司的SPP和SMD系列的控制制器就集成了了上述三种功功能。逆变器：在太阳阳能光伏供电电系统中，如如果含有交流流负载，那么么就要使用逆逆变器设备，将将太阳电池组组件产生的直直流电或者蓄蓄电池释放的的直流电转化化为负载需要要的交流电。太阳能光伏供电电系统的基本本工作原理就就是在太阳光光的照射下，将将太阳电池组组件产生的电电能通过控制制器的控制给给蓄电池充电电或者在满足足负载需求的的情况下直接接给负载供电电，如果日照照不足或者在在夜间则由蓄蓄电池在控制制器的控制下下给直流负载载供电，对于于含有交流负负载的光伏系系统而言，还还需要增加逆逆变器将直流流电转换成交交流电。光伏伏系统的应用用具有多种形形式，但是其其基本原理大大同小异。对对于其他类型型的光伏系统统只是在控制制机理和系统统部件上根据据实际的需要要有所不同，下下面将对不同同类型的光伏伏系统进行详详细地描述。图4-1直流负负载的太阳能能光伏系统4.2.光伏伏系统的分类类与介绍一般将光伏系统统分为独立系系统、并网系系统和混合系系统。如果根根据光伏系统统的应用形式式、应用规模模和负载的类类型，对光伏伏供电系统进进行比较细致致的划分，可可将光伏系统统分为如下六六种类型：小小型太阳能供供电系统（SmalllDC）；简单直直流系统（SimplleDC）；大型太太阳能供电系系统（LargeeDC）；交流、直直流供电系统统（AC/DC）；并网系系统（UtiliityGrridCoonnectt）；混合供供电系统（Hybriid）；并网混混合系统。下下面就每种系系统的工作原原理和特点进进行说明。.小型太阳能能供电系统（SmalllDC）该系统的特点是是系统中只有有直流负载而而且负载功率率比较小，整整个系统结构构简单，操作作简便。其主主要用途是一一般的户用系系统，负载为为各种民用的的直流产品以以及相关的娱娱乐设备。如如在我国西北北边远地区就就大面积推广广使用了这种种类型的光伏伏系统，负载载为直流节能能灯、收录机机和电视机等等，用来解决决无电地区家家庭的基本照照明问题。图4-4简单单直流的光伏伏水泵系统.简单直流系统统（SimplleDC）该系统的特点是是系统负载为为直流负载而而且对负载的的使用时间没没有特别的要要求，负载主主要是在白天天使用，所以以系统中没有有使用蓄电池池，也不需要要使用控制器器。系统结构构简单，直接接使用太阳能能太阳电池组组件给负载供供电，省去了了能量在蓄电电池中的储存存和释放过程程所造成的损损失，以及控控制器中的能能量损失，提提高了太阳能能的利用效率率。其常用于于光伏水泵系系统、一些白白天临时设备备用电和旅游游设施中。图图4-4显示的的就是一个简简单直流的光光伏水泵系统统。这种系统统在发展中国国家的无纯净净自来水供饮饮地区得到了了广泛的应用用，产生了良良好的社会效效益。大型太阳能供电电系统（LargeeDC）与上述两种光伏伏系统相比，这这种光伏系统统仍适用于直直流电源系统统，但是这种种太阳能光伏伏系统的负载载功率较大，为为了保证可靠靠地给负载提提供稳定的电电力供应，其其相应的系统统规模也较大大，需要配备备较大的太阳阳能太阳电池池组件阵列和和较大的蓄电电池组，常应应用于通信、遥遥测、监测设设备电源，农农村的集中供供电站，航标灯塔、路路灯等领域。我我国在西部地地区实施的“光明工程”中，一些无无电地区建设设的部分乡村村光伏电站就就是采用这种种形式；中国国移动和中国国联通公司在在偏僻无电网网地区建设的的通信基站也也采用了这种种光伏系统供供电。.交流、直流供供电系统（AC/DC）与上述的三种太太阳能光伏系系统不同的是是，这种光伏伏系统能够同同时为直流和和交流负载提提供电力，在在系统结构上上比上述三种种系统多了逆逆变器，用于于将直流电转转换为交流电电以满足交流流负载的需求求。通常这种种系统的负载载耗电量也比比较大，从而而系统的规模模也较大。在在一些同时具具有交流和直直流负载的通通信基站和其其它一些含有有交、直流负负载的光伏电电站中得到应应用。.并网系统（UUtilittyGriidConnnecteed）这种光伏系统最最大的特点就就是太阳电池池组件产生的的直流电经过过并网逆变器器转换成符合合市电电网要要求的交流电电之后直接接接入公共电网网，并网系统统中光伏方阵阵所产生电力力除了供给交交流负载外，多多余的电力反反馈给电网。在在阴雨天或夜夜晚，太阳电电池组件没有有产生电能或或者产生的电电能不能满足足负载需求时时就由电网供供电。因为直直接将电能输输入电网，免免除配置蓄电电池，省掉了了蓄电池储能能和释放的过过程，可以充充分利用光伏伏方阵所发的的电力从而减减小了能量的的损耗，并降降低了系统的的成本。但是是系统中需要要专用的并网网逆变器，以以保证输出的的电力满足电电网电力对电电压、频率等等电性能指标标的要求。因因为逆变器效效率的问题，还还是会有部分分的能量损失失。这种系统统通常能够并并行使用市电电和太阳能太太阳电池组件件阵列作为本本地交流负载载的电源，降降低了整个系系统的负载缺缺电率。而且且并网光伏系系统可以对公公用电网起到到调峰作用。但但并网光伏供供电系统作为为一种分散式式发电系统，对对传统的集中中供电系统的的电网会产生生一些不良的的影响，如谐谐波污染，孤孤岛效应等。．混合供电系统统（Hybriid）这种太阳能光伏伏系统中除了了使用太阳能能太阳电池组组件阵列之外外，还使用了了燃油发电机机作为备用电电源。使用混混合供电系统统的目的就是是为了综合利利用各种发电电技术的优点点，避免各自自的缺点。比比方说，上述述几种独立光光伏系统的优优点是维护少少，缺点是能能量输出依赖赖于天气，不不稳定。综合合使用柴油发发电机和太阳阳电池组件的的混合供电系系统与单一能能源的独立系系统相比所提提供的能源对对天气的依赖赖性要小，它它的优点是：：使用混合供电系系统可以达到到可再生能源源的更好利用用。因为可再再生能源是变变化的，不稳稳定的，所以以系统必须按按照能量产生生最少的时期期进行设计。由由于系统是按按照最差的情情况进行设计计，所以在其其他的时间，系系统的容量过过大。在太阳阳辐照最高峰峰时期产生的的多余能量没没法使用而白白白浪费了。整整个独立系统统的性能就因因此而降低。如如果最差月份份的情况和其其他月份差别别很大，有可可能导致浪费费的能量等于于甚至超过设设计负载的需需求。具有较高的系统统实用性。在在独立系统中中因为可再生生能源的变化化和不稳定会会导致系统出出现供电不能能满足负载需需求的情况，也也就是存在负负载缺电情况况，使用混合合系统则会大大大地降低负负载缺电率。和单用柴油发电电机的系统相相比，具有较较少的维护和和使用较少的的燃料。较高的燃油效率率。在低负荷荷的情况下，柴柴油机的燃油油利用率很低低，会造成燃燃油的浪费。在在混合系统中中可以进行综综合控制使得得柴油机在额额定功率附近近工作，从而而提高燃油效效率。负载匹配更佳。使使用混合系统统之后，因为为柴油发电机机可以即时提提供较大的功功率，所以混混合系统可以以适用于范围围更加广泛的的负载系统，例例如可以使用用较大的交流流负载，冲击击载荷等。还还可以更好的的匹配负载和和系统的发电电，只要在负负载的高峰时时期打开备用用能源即可简简单的办到。有有时候，负载载的大小决定定了需要使用用混合系统，大大的负载需要要很大的电流流和很高的电电压。如果只只是使用太阳阳能成本就会会很高。但混合系统也有有其自身的缺缺点：控制比较复杂。因因为使用了多多种能源，所所以系统需要要监控每种能能源的工作情情况，处理各各个子能源系系统之间的相相互影响、协协调整个系统统的运作，这这样就导致其其控制系统比比独立系统复复杂，现在多多使用微处理理芯片进行系系统管理。初期工程较大。混混合系统的设设计，安装，施施工工程都比比独立工程要要大。比独立系统需要要更多的维护护。油机的使使用需要很多多的维护工作作，比如更换换机油滤清器器，燃油滤清清器，火花塞塞等，还需要要给油箱添加加燃油等。污染和噪音。光光伏系统是无无噪音、无排排放的洁净能能源利用，但但是因为混合合系统中使用用了柴油机，这这样就不可避避免地产生噪噪音和污染。很多在偏远无电电地区的通信信电源和民航航导航设备电电源，因为对对电源的要求求很高，都采采用混合系统统供电，以求求达到最好的的性价比。我我国新疆、云云南建设的很很多乡村光伏伏电站就是采采用光/柴混合系统统。．并网混合供电电系统（Hybriid）随着太阳能光伏伏产业的发展展，出现了可可以综合利用用太阳能光伏伏阵列、市电电和备用油机机的并网混合合供电系统。这这种系统通常常是控制器和和逆变器集成成一体化，使使用电脑芯片片全面控制整整个系统的运运行，综合利利用各种能源源，达到最佳佳的工作状态态，并可以配配备使用蓄电电池。进一步步提高系统的的负载供电保保障率，例如如AES的SMD逆变器系统统。该系统可可以为本地负负载提供合格格的电源，并并可以作为一一个在线UPS（不间断电电源）工作。它它可向电网供供电，也可从从电网获得电电力，是个双双向逆变/控制器。系系统工作方式式是将市电和和光伏电源并并行工作，对对于本地负载载而言，如果果太阳电池组组件产生的电电能足够负载载使用，它将将直接使用太太阳电池组件件产生的电能能供给负载的的需求。如果果太阳电池组组件产生的电电能超过即时时负载的需求求还能将多余余的电能返回回给电网；如如果太阳电池池组件产生的的电能不够用用，则将自动动启用市电，使使用市电供给给本地负载的的需求；而且且，当本地负负载功耗小于于SMD逆变器额定定市电容量的的60％时，市电电就会自动给给蓄电池充电电，保证蓄电电池长期处于于浮充状态；；如果市电产产生故障，即即市电停电或或者市电的供供电品质不合合格，系统就就会自动断开开市电，转成成独立工作模模式，由蓄电电池和逆变器器提供负载所所需的交流电电能。一旦市市电恢复正常常，即电压和和频率都恢复复到正常状态态以内，系统统就会断开蓄蓄电池，改为为并网模式工工作，由市电电供电。有的的并网混合供供电系统中还还可以将系统统监控、控制制和数据采集集功能集成到到控制芯片中中。4.3.太阳阳能光伏系统统的特点太阳能光伏发电电系统自身具具有其独特的的特点：无枯竭危险；绝对干净（无污污染，除蓄电电池外）；不受资源分布地地域的限制；；可在用电处就近近发电；能源质量高；使用者从感情上上容易接受；；获取能源花费的的时间短；供电系统工作可可靠。不足之处是：照射的能量分布布密度小；获得的能源与四四季、昼夜及及阴晴等气象象条件有关；；造价比较高。以以上的一些特特点决定了光光伏发电供电电系统在应用用中有着其独独有的优势和和相关的制约约。4.4.光伏伏系统的容量量设计光伏系统的设计计包括两个方方面：容量设设计和硬件设计。光伏系统容量设设计的主要目目的就是要计计算出系统在在全年内能够够可靠工作所所需的太阳电电池组件和蓄蓄电池的数量量。同时要注注意协调系统统工作的最大大可靠性和系系统成本两者者之间的关系系，在满足系系统工作的最最大可靠性基基础上尽量地地减少系统成成本。光伏系系统硬件设计计的主要目的的是根据实际际情况选择合合适的硬件设设备包括太阳阳电池组件的的选型，支架架设计，逆变变器的选择，电电缆的选择，控控制测量系统统的设计，防防雷设计和配配电系统设计计等。在进行行系统设计的的时候需要综综合考虑系统统的软件和硬硬件两个方面面。针对不同类型的的光伏系统，软软件设计的内内容也不一样样。独立系统统，并网系统统和混合系统统的设计方法法和考虑重点点都会有所不不同。在进行光伏系统统的设计之前前，需要了解解并获取一些些进行计算和和选择必需的的基本数据：：光伏系统现现场的地理位位置，包括地地点、纬度、经经度和海拔；；该地区的气气象资料，包包括逐月的太太阳能总辐射射量、直接辐辐射量以及散散射辐射量，年年平均气温和和最高、最低低气温，最长长连续阴雨天天数，最大风风速以及冰雹雹、降雪等特特殊气象情况况等。．独立光伏系统统软件设计光伏系统软件设设计的内容包包括负载用电电量的估算，太太阳电池组件件数量和蓄电电池容量的计计算以及太阳阳电池组件安安装最佳倾角角的计算。因因为太阳电池池组件数量和和蓄电池容量量是光伏系统统软件设计的的关键部分，所所以本节将着着重讲述计算算与选择太阳阳电池太阳电电池组件和蓄蓄电池的方法法。需要说明的一点点是，在系统统设计中，并并不是所有的的选择都依赖赖于计算。有有些时候需要要设计者自己己作出判断和和选择。计算算的技巧很简简单，设计者者对负载的使使用效率和恰恰当性作出正正确的判断才才是得到一个个符合成本效效益的良好设设计的关键。1．设计的基本本原理太阳电池组件设设计的一个主主要原则就是是要满足平均均天气条件下下负载的每日日用电需求；；因为天气条条件有低于和和高于平均值值的情况，所所以要保证太太阳电池组件件和蓄电池在在天气条件有有别于平均值值的情况下协协调工作；蓄蓄电池在数天天的恶劣气候候条件下，其其荷电状态（SOC）将会降低低很多。在太太阳电池组件件大小的设计计中不要考虑虑尽可能快地地给蓄电池充充满电。如果果这样，就会会导致一个很很大的太阳电电池组件，使使得系统成本本过高；而在在一年中的绝绝大部分时间间里太阳电池池组件的发电电量会远远大大于负载的使使用量，从而而造成太阳电电池组件不必必要的浪费；；蓄电池的主主要作用是在在太阳辐射低低于平均值的的情况下给负负载供电；在在随后太阳辐辐射高于平均均值的天气情情况下，太阳阳电池组件就就会给蓄电池池充电。设计太阳电池组组件要满足光光照最差季节节的需要。在在进行太阳电电池组件设计计的时候，首首先要考虑的的问题就是设设计的太阳电电池组件输出出要等于全年年负载需求的的平均值。在在那种情况下下，太阳电池池组件将提供供负载所需的的所有能量。但但这也意味着着每年都有将将近一半的时时间蓄电池处处于亏电状态态。蓄电池长长时间内处于于亏电状态将将使得蓄电池池的极板硫酸酸盐化。而在在独立光伏系系统中没有备备用电源在天天气较差的情情况下给蓄电电池进行再充充电，这样蓄蓄电池的使用用寿命和性能能将会受到很很大的影响，整整个系统的运运行费用也将将大幅度增加加。太阳电池池组件设计中中较好的办法法是使太阳电电池组件能满满足光照最恶恶劣季节里的的负载需要，也也就是要保证证在光照情况况最差的情况况下蓄电池也也能够被完全全地充满电。这这样蓄电池全全年都能达到到全满状态，可可延长蓄电池池的使用寿命命，减少维护护费用。如果在全年光照照最差的季节节，光照度大大大低于平均均值，在这种种情况下仍然然按照最差情情况考虑设计计太阳电池组组件大小，那那么所设计的的太阳电池组组件在一年中中的其它时候候就会远远超超过实际所需需，而且成本本高昂。这时时就可以考虑虑使用带有备备用电源的混混合系统。但但是对于很小小的系统，安安装混合系统统的成本会很很高；而在偏偏远地区，使使用备用电源源的操作和维维护费用也相相当高，所以以设计独立光光伏系统的关关键就是选择择成本效益最最好的方案。2．蓄电池设计计方法蓄电池的设计思思想是保证在在太阳光照连连续低于平均均值的情况下下负载仍可以以正常工作。我我们可以设想想蓄电池是充充满电的，在在光照度低于于平均值的情情况下，太阳阳电池组件产产生的电能不不能完全填满满由于负载从从蓄电池中消消耗能量而产产生的空缺，这这样在第一天天结束的时候候，蓄电池就就会处于未充充满状态。如如果第二天光光照度仍然低低于平均值，蓄蓄电池就仍然然要放电以供供给负载的需需要，蓄电池池的荷电状态态继续下降。也也许接下来的的第三天第四四天会有同样样的情况发生生。但是为了了避免蓄电池池的损坏，这这样的放电过过程只能够允允许持续一定定的时间，直直到蓄电池的的荷电状态到到达指定的危危险值。为了了量化评估这这种太阳光照照连续低于平平均值的情况况，在进行蓄蓄电池设计时时，我们需要要引入一个不不可缺少的参参数：自给天天数，即系统统在没有任何何外来能源的的情况下负载载仍能正常工工作的天数。这这个参数让系系统设计者能能够选择所需需使用的蓄电电池容量大小小。一般来讲，自给给天数的确定定与两个因素素有关：负载载对电源的要要求程度；光光伏系统安装装地点的气象象条件即最大大连续阴雨天天数。通常可可以将光伏系系统安装地点点的最大连续续阴雨天数作作为系统设计计中使用的自自给天数，但但还要综合考考虑负载对电电源的要求。对对于负载对电电源要求不是是很严格的光光伏应用，我我们在设计中中通常取自给给天数为3～5天。对于负负载要求很严严格的光伏应应用系统，我我们在设计中中通常取自给给天数为7～14天。所谓负负载要求不严严格的系统通通常是指用户户可以稍微调调节一下负载载需求从而适适应恶劣天气气带来的不便便，而严格系系统指的是用用电负载比较较重要，例如如常用于通信信，导航或者者重要的健康康设施如医院院、诊所等。此此外还要考虑虑光伏系统的的安装地点，如如果在很偏远远的地区，必必须设计较大大的蓄电池容容量，因为维维护人员要到到达现场需要要花费很长时时间。光伏系统中使用用的蓄电池有有镍氢、镍镉镉电池和铅酸酸蓄电池，但但是在较大的的系统中考虑虑到技术成熟熟性和成本等等因素，通常常使用铅酸蓄蓄电池。在下下面内容中涉涉及到的蓄电电池没有特别别说明指的都都是铅酸蓄电电池。蓄电池的设计包包括蓄电池容容量的设计计计算和蓄电池池组的串并联联设计。首先先，给出计算算蓄电池容量量的基本方法法。（1）基本公式式第一步，将每天天负载需要的的用电量乘以以根据实际情情况确定的自自给天数就可可以得到初步步的蓄电池容容量。第二步，将第一一步得到的蓄蓄电池容量除除以蓄电池的的允许最大放放电深度。因因为不能让蓄蓄电池在自给给天数中完全全放电，所以以需要除以最最大放电深度度，得到所需需要的蓄电池池容量。最大大放电深度的的选择需要参参考光伏系统统中选择使用用的蓄电池的的性能参数，可可以从蓄电池池供应商得到到详细的有关关该蓄电池最最大放电深度度的资料。通通常情况下，如如果使用的是是深循环型蓄蓄电池，推荐荐使用80%放电深度（DOD）；如果使使用的是浅循循环蓄电池，推推荐选用使用用50%DOOD。设计蓄电电池容量的基基本公式见下下：自给天数X日平均负载蓄电池容量=-------------------------（4.1）最大放电深深度下面我们介绍确确定蓄电池串串并联的方法法。每个蓄电电池都有它的的标称电压。为为了达到负载载工作的标称称电压，我们们将蓄电池串串联起来给负负载供电，需需要串联的蓄蓄电池的个数数等于负载的的标称电压除除以蓄电池的的标称电压。负载标称电电压串联蓄电池数=-----------------（4.2）蓄电池标称称电压为了说明上述基基本公式的应应用，我们用用一个小型的的交流光伏应应用系统作为为范例。假设设该光伏系统统交流负载的的耗电量为10KWhh/天，如果在在该光伏系统统中，我们选选择使用的逆逆变器的效率率为90％，输入电电压为24V，那么可得得所需的直流流负载需求为为462.996Ah/天。(100000Wh÷0.99÷244V=462.996Ah))。我们假设设这是一个负负载对电源要要求并不是很很严格的系统统，使用者可可以比较灵活活的根据天气气情况调整用用电。我们选选择5天的自给天天数，并使用用深循环电池池，放电深度度为80％。那么：：蓄电池容量＝55天×462..96Ah//0.8＝2893..51Ah。如果选用2V//400Ahh的单体蓄电电池，那么需需要串连的电电池数：串联蓄电池数＝＝24V/22V=12（个）需要并联的蓄电电池数：并联蓄电池数＝＝2893..51/4000＝7.23我们取整数为88。所以该系系统需要使用用2V/4000Ah的蓄电池个个数为：12串联×8并联=96（个）。下面是一个纯直直流系统的例例子：乡村小小屋的光伏供供电系统。该该小屋只是在在周末使用，可可以使用低成成本的浅循环环蓄电池以降降低系统成本本。该乡村小小屋的负载为为90Ahh/天，系统电电压为24V。我们选择择自给天数为为2天，蓄电池池允许的最大大放电深度为为50％，那么：：蓄电池容量＝22天×90Ahh/0.5＝360Ah。如果选用12VV/100AAh的蓄电池，那那么需要该蓄蓄电池2串联×4并联=8个。（2）设计修正正以上给出的只是是蓄电池容量量的基本估算算方法，在实实际情况中还还有很多性能能参数会对蓄蓄电池容量和和使用寿命产产生很大的影影响。为了得得到正确的蓄蓄电池容量设设计，上面的的基本方程必必须加以修正正。对于蓄电池，蓄蓄电池的容量量不是一成不不变的，蓄电电池的容量与与两个重要因因素相关：蓄蓄电池的放电电率和环境温温度。首先，我们考虑虑放电率对蓄蓄电池容量的的影响。蓄电电池的容量随随着放电率的的改变而改变变，随着放电电率的降低，蓄蓄电池的容量量会相应增加加。这样就会会对我们的容容量设计产生生影响。进行行光伏系统设设计时就要为为所设计的系系统选择在恰恰当的放电率率下的蓄电池池容量。通常常，生产厂家家提供的是蓄蓄电池额定容容量是10小时放电率率下的蓄电池池容量。但是是在光伏系统统中，因为蓄蓄电池中存储储的能量主要要是为了自给给天数中的负负载需要，蓄蓄电池放电率率通常较慢，光光伏供电系统统中蓄电池典典型的放电率率为100～200小时。在设设计时我们要要用到在蓄电电池技术中常常用的平均放放电率的概念念。光伏系统统的平均放电电率公式如下下：平均放电率((小时)=（4.3）上式中的负载工工作时间可以以用下述方法法估计：对于于只有单个负负载的光伏系系统，负载的的工作时间就就是实际负载载平均每天工工作的小时数数；对于有多多个不同负载载的光伏系统统，负载的工工作时间可以以使用加权平平均负载工作作时间，加权权平均负载工工作时间的计计算方法如下下：加权平均负载工工作时间=(4.44)根据上面两式就就可以计算出出光伏系统的的实际平均放放电率，根据据蓄电池生产产商提供的该该型号电池在在不同放电速速率下的蓄电电池容量，就就可以对蓄电电池的容量进进行修正。下面考虑温度对对蓄电池容量量的影响。蓄蓄电池的容量量会随着蓄电电池温度的变变化而变化，当当蓄电池温度度下降时，蓄蓄电池的容量量会下降。通通常，铅酸蓄蓄电池的容量量是在25℃时标定的。随随着温度的降降低，0℃时的容量大大约下降到额额定容量的90％，而在-20℃的时候大约约下降到额定定容量的80％，所以必必须考虑蓄电电池的环境温温度对其容量量的影响。如果光伏系统安安装地点的气气温很低，这这就意味着按按照额定容量量设计的蓄电电池容量在该该地区的实际际使用容量会会降低，也就就是无法满足足系统负载的的用电需求。在在实际工作的的情况下就会会导致蓄电池池的过放电，减减少蓄电池的的使用寿命，增增加维护成本本。这样，设设计时需要的的蓄电池容量量就要比根据据标准情况（25℃）下蓄电池池参数计算出出来的容量要要大，只有选选择安装相对对于25℃时计算容量量多的容量，才才能够保证蓄蓄电池在温度度低于25℃的情况下，还还能完全提供供所需的能量量。图4－9蓄电电池温度－放放电率－容量量曲线蓄电池生产商一一般会提供相相关的蓄电池池温度-容量修正曲曲线。在该曲曲线上可以查查到对应温度度的蓄电池容容量修正系数数，除以蓄电电池容量修正正系数就能对对上述的蓄电电池容量初步步计算结果加加以修正。上上面是一个典典型的温度－－放电率－容容量变化曲线线。因为低温的影响响，在蓄电池池容量设计上上还必须要考考虑的一个因因素就是修正正蓄电池的最最大放电深度度以防止蓄电电池在低温下下凝固失效，造造成蓄电池的的永久损坏。铅铅酸蓄电池中中的电解液在在低温下可能能会凝固，随随着蓄电池的的放电，蓄电电池中不断生生成的水稀释释电解液，导导致蓄电池电电解液的凝结结点不断上升升，直到纯水水的0℃。在寒冷的的气候条件下下，如果蓄电电池放电过多多，随着电解解液凝结点的的上升，电解解液就可能凝凝结，从而损损坏蓄电池。即即使系统中使使用的是深循循环工业用蓄蓄电池，其最最大的放电深深度也不要超超过80％。下图给给出了一般铅铅酸蓄电池的的最大放电深深度和蓄电池池温度的关系系，系统设计计时可以参考考该图得到所所需的调整因因子。图4－10铅铅酸蓄电池最最大放电深度度－温度曲线线在设计时要使用用光伏系统所所在地区的最最低平均温度度，然后从上上图或者是由由蓄电池生产产商提供的最最大放电深度度－蓄电池温温度关系图上上找到该地区区使用蓄电池池的最大允许许放电深度。通通常，只是在在温度低于零零下8度时才考虑虑进行校正。（3）完整的蓄蓄电池容量设设计计算考虑到以上所有有的计算修正正因子，我们们可以得到如如下蓄电池容容量的最终计计算公式。蓄电池容量(@@指定放电率)＝(4.55)下面对每个参数数进行总结分分析：最大允许放电深深度：一般而而言，浅循环环蓄电池的最最大允许放电电深度为50％，而深循循环蓄电池的的最大允许放放电深度为80％。如果在在严寒地区，就就要考虑到低低温防冻问题题对此进行必必要的修正。设设计时可以适适当地减小这这个值扩大蓄蓄电池的容量量，以延长蓄蓄电池的使用用寿命。例如如，如果使用用深循环蓄电电池，进行设设计时，将使使用的蓄电池池容量最大可可用百分比定定为60％而不是80％，这样既既可以提高蓄蓄电池的使用用寿命，减少少蓄电池系统统的维护费用用，同时又对对系统初始成成本不会有太太大的冲击。根根据实际情况况可对此进行行灵活地处理理。温度修正系数：：当温度降低低的时候，蓄蓄电池的容量量将会减少。温温度修正系数数的作用就是是保证安装的的蓄电池容量量要大于按照照25℃标准情况算算出来的容量量值，从而使使得设计的蓄蓄电池容量能能够满足实际际负载的用电电需求。指定放电率：指指定放电率是是考虑到慢的的放电率将会会从蓄电池得得到更多的容容量。使用供供应商提供的的数据，可以以选择适于设设计系统的在在指定放电率率下的合适蓄蓄电池容量。如如果在没有详详细的有关容容量－放电速速率的资料的的情况下，可可以粗略的估估计认为，在在慢放电率（C/100到C/300）的情况下下，蓄电池的的容量要比标标准状态多30％。下面举例说明上上述公式的应应用。建立一一套光伏供电电系统给一个个地处偏远的的通讯基站供供电，该系统统的负载有两两个：负载一一，工作电流流为1安培，每天天工作24小时。负载载二，工作电电流为5安培每天工工作12小时。该系系统所处的地地点的24小时平均最最低温度为-20℃，系统的自自给时间为5天。使用深深循环工业用用蓄电池（最最大DOD为80％）。因为该光伏系统统所在地区的的24小时平均最最低温度为-20℃，所以必须须修正蓄电池池的最大允许许放电深度。由由最大放电深深度－蓄电池池温度的关系系图我们可以以确定最大允允许放电深度度为50％。所以，加权平均负载工工作时间=＝6.677hrs平均放电率==＝66.7小时率根据上页中的典典型温度－放放电率－容量量变化曲线，与与平均放电率率计算数值最最为接近的放放电率为50小时率，-20℃时在该放电电率下所对应应的温度修正正系数为0.7（也可以根根据供应商提提供的性能表表进行查询）。如如果计算出来来的放电率在在两个数据之之间，那么选选择较快的放放电率（短时时间）比较保保守可靠。因因此蓄电池容容量为：蓄电池容量＝＝＝1428..57Ah@@50小时放电率率根据供应商提供供的蓄电池参参数表，我们们可以选择合合适的蓄电池池进行串并联联，构成所需需的蓄电池组组。（4）蓄电池组组并联设计当计算出了所需需的蓄电池的的容量后，下下一步就是要要决定选择多多少个单体蓄蓄电池加以并并联得到所需需的蓄电池容容量。这样可可以有多种选选择，例如，如如果计算出来来的蓄电池容容量为500Ah，那么我们们可以选择一一个500Ah的单体蓄电电池，也可以以选择两个250Ah的蓄电池并并联，还可以以选择5个100Ah的蓄电池并并联。从理论论上讲，这些些选择都可以以满足要求，但但是在实际应应用当中，要要尽量减少并并联数目。也也就是说最好好是选择大容容量的蓄电池池以减少所需需的并联数目目。这样做的的目的就是为为了尽量减少少蓄电池之间间的不平衡所所造成的影响响，因为一些些并联的蓄电电池在充放电电的时候可能能会与之并联联的蓄电池不不平衡。并联联的组数越多多，发生蓄电电池不平衡的的可能性就越越大。一般来来讲，建议并并联的数目不不要超过4组。目前，很多光伏伏系统采用的的是两组并联联模式。这样样，如果有一一组蓄电池出出现故障，不不能正常工作作，就可以将将该组蓄电池池断开进行维维修，而使用用另外一组正正常的蓄电池池，虽然电流流有所下降，但但系统还能保保持在标称电电压正常工作作。总之，蓄蓄电池组的并并联设计需要要考虑不同的的实际情况，根根据不同的需需要作出不同同的选择。3．光伏组件方方阵设计（1）基本公式式在前面的章节中中，我们讲述述了光伏供电电系统中蓄电电池的设计方方法。下面我我们将讲述如如何设计太阳阳电池组件的的大小。太阳阳电池组件设设计的基本思思想就是满足足年平均日负负载的用电需需求。计算太太阳电池组件件的基本方法法是用负载平平均每天所需需要的能量（安安时数）除以以一块太阳电电池组件在一一天中可以产产生的能量（安安时数），这这样就可以算算出系统需要要并联的太阳阳电池组件数数，使用这些些组件并联就就可以产生系系统负载所需需要的电流。将将系统的标称称电压除以太太阳电池组件件的标称电压压，就可以得得到太阳电池池组件需要串串联的太阳电电池组件数，使使用这些太阳阳电池组件串串联就可以产产生系统负载载所需要的电电压。基本计计算公式如下下：并联的组件数量量＝（4.6）串联组件数量＝（4.7）（2）光伏组件件方阵设计的的修正太阳电池组件的的输出，会受受到一些外在在因素的影响响而降低，根根据上述基本本公式计算出出的太阳电池池组件，在实实际情况下通通常不能满足足光伏系统的的用电需求，为为了得到更加加正确的结果果，有必要对对上述基本公公式进行修正正。将太阳电池组件件输出降低10％在实际情况工作作下，太阳电电池组件的输输出会受到外外在环境的影影响而降低。泥泥土，灰尘的的覆盖和组件件性能的慢慢慢衰变都会降降低太阳电池池组件的输出出。通常的做做法就是在计计算的时候减减少太阳电池池组件的输出出10％来解决上上述的不可预预知和不可量量化的因素。我我们可以将这这看成是光伏伏系统设计时时需要考虑的的工程上的安安全系数。又又因为光伏供供电系统的运运行还依赖于于天气状况,所以有必要要对这些因素素进行评估和和技术估计，因因此设计上留留有一定的余余量将使得系系统可以年复复一年地长期期正常使用。将负载增加100％以应付蓄蓄电池的库仑仑效率在蓄电池的充放放电过程中，铅铅酸蓄电池会会电解水，产产生气体逸出出，这也就是是说着太阳电电池组件产生生的电流中将将有一部分不不能转化储存存起来而是耗耗散掉。所以以可以认为必必须有一小部部分电流用来来补偿损失，我我们用蓄电池池的库仑效率率来评估这种种电流损失。不不同的蓄电池池其库仑效率率不同，通常常可以认为有有5～10％的损失，所所以保守设计计中有必要将将太阳电池组组件的功率增增加10％以抵消蓄蓄电池的耗散散损失。(3)完整整的太阳电池池组件设计计计算考虑到上述因素素，必须修正正简单的太阳阳电池组件设设计公式,将每天的负负载除以蓄电电池的库仑效效率，这样就就增加了每天天的负载，实实际上给出了了太阳电池组组件需要负担担的真正负载载；将衰减因因子乘以太阳阳电池组件的的日输出，这这样就考虑了了环境因素和和组件自身衰衰减造成的太太阳电池组件件日输出的减减少，给出了了一个在实际际情况下太阳阳电池组件输输出的保守估估计值。综合合考虑以上因因素，可以得得到下面的计计算公式。并联的组件数量量＝（4.8）串联组件数数量＝（4.9）利用上述公式进进行太阳电池池组件的设计计计算时，还还要注意以下下一些问题：：考虑季节变化对对光伏系统输输出的影响，逐逐月进行设计计计算对于全年负载不不变的情况，太太阳电池组件件的设计计算算是基于辐照照最低的月份份。如果负载载的工作情况况是变化的，即即每个月份的的负载对电力力的需求是不不一样的，那那么在设计时时采取的最好好方法就是按按照不同的季季节或者每个个月份分别来来进行计算，计计算出的最大大太阳电池组组件数目就为为所求。通常常在夏季、春春季和秋季，太太阳电池组件件的电能输出出相对较多，而而冬季相对较较少，但是负负载的需求也也可能在夏季季比较的大，所所以在这种情情况下只是用用年平均或者者某一个月份份进行设计计计算是不准确确的，因为为为了满足每个个月份负载需需求而需要的的太阳电池组组件数是不同同的，那么就就必须按照每每个月所需要要的负载算出出该月所必须须的太阳电池池组件。其中中的最大值就就是一年中所所需要的太阳阳电池组件数数目。例如，可可能你计算出出你在冬季需需要的太阳电电池组件数是是10块，但是在在夏季可能只只需要5块，但是为为了保证系统统全年的正常常运行，就不不得不安装较较大数量的太太阳电池组件件即10块组件来满满足全年的负负载的需要。根据太阳电池组组件电池片的的串联数量选选择合适的太太阳电池组件件太阳电池组件的的日输出与太太阳电池组件件中电池片的的串联数量有有关。太阳电电池在光照下下的电压会随随着温度的升升高而降低，从从而导致太阳阳电池组件的的电压会随着着温度的升高高而降低。根根据这一物理理现象，太阳阳电池组件生生产商根据太太阳电池组件件工作的不同同气候条件，设设计了不用的的组件：36片串联组件件与33片串联组件件。36片太阳电池池组件主要适适用于高温环环境应用，36片太阳电池池组件的串联联设计使得太太阳电池组件件即使在高温温环境下也可可以在Imp附近工作。通通常，使用的的蓄电池系统统电压为12V，36片串联就意意味着在标准准条件（25℃）下太阳电电池组件的Vmp为17V，大大高于于充电所需的的12V电压。当这这些太阳电池池组件在高温温下工作时，由由于高温太阳阳电池组件的的损失电压约约为2V，这样Vmp为15V，即使在最最热的气候条条件下也足够够可以给各种种类型的蓄电电池充电。采采用36片串联的太太阳电池组件件最好是应用用在炎热地区区，也可以使使用在安装了了峰值功率跟跟踪设备的系系统中，这样样可以最大限限度的发挥太太阳电池组件件的潜力。33片串联的太太阳电池组件件适宜于在温温和气候环境境下使用33片串联就意意味着在标准准条件（25℃）下太阳电电池组件的Vmp为16V，稍高于充充电所需的12V电压。当这这些太阳电池池组件在40-45℃下工作时，由由于高温导致致太阳电池组组件损失电压压约为1V，这样Vmp为15V，也足够可可以给各种类类型的蓄电池池充电。但如如果在非常热热的气候条件件下工作，太太阳电池组件件电压就会降降低更多。如如果到50℃或者更高，电电压会降低到到14V或者以下，就就会发生电流流输出降低。这这样对太阳电电池组件没有有害处，但是是产生的电流流就不够理想想，所以33片串联的太太阳电池组件件最好用在温温和气候条件件下。使用峰值小时数数的方法估算算太阳电池组组件的输出因为太阳电池组组件的输出是是在标准状态态下标定的，但但在实际使用用中，日照条条件以及太阳阳电池组件的的环境条件是是不可能与标标准状态完全全相同，因此此有必要找出出一种可以利利用太阳电池池组件额定输输出和气象数数据来估算实实际情况下太太阳电池组件件输出的方法法，我们可以以使用峰值小小时数的方法法估算太阳电电池组件的日日输出。该方方法是将实际际的倾斜面上上的太阳辐射射转换成等同同的利用标准准太阳辐射1000W/m22照射的小时时数。将该小小时数乘以太太阳电池组件件的峰值输出出就可以估算算出太阳电池池组件每天输输出的安时数数。太阳电池池组件的输出出为峰值小时时数×峰值功率。例例如：如果一一个月的平均均辐射为5.0kWWh/m2，可以将其其写成5.0hhours××10000W/m22，而1000W/m22正好也就是是用来标定太太阳电池组件件功率的标准准辐射量，那那么平均辐射射为5.0kWWh/m22就基本等同同于太阳电池池组件在标准准辐射下照射射5.0小时。这当当然不是实际际情况，但是是可以用来简简化计算。因因为1000WW/m2是生产商用用来标定太阳阳电池组件功功率的辐射量量，所以在该该辐射情况下下的组件输出出数值可以很很容易从生产产商处得到。为为了计算太阳阳电池组件每每天产生的安安时数，可以以使用峰值小小时×太阳电池组组件的Imp。例如，假假设在某个地地区倾角为30度的斜面上上按月平均每每天的辐射量量为5.0kWWh/m22，可以将其其写成5.0hhours××10000W/m22。对于一个个典型的75W太阳电池组组件，Imp为4.4Ammps，就可得出出每天发电的的安时数为5.0×44.4Ampps=222.0Ahh/天。使用峰值小时方方法存在一些些缺点，因为为在峰值小时时方法中做了了一些简化，导导致估算结果果和实际情况况有一定的偏偏差。首先，太阳电池池组件输出的的温度效应在在该方法中被被忽略。在计计算中对太阳阳电池组件的的Imp要进行补偿偿。因为在工工作的时候，蓄蓄电池两端的的电压通常是是稍微低于Vmp，这样太阳阳电池组件输输出电流就会会稍微高于Imp，使用Imp作为太阳电电池组件的输输出就会比较较保守。这样样，温度效应应对于由较少少的电池片串串联的太阳电电池组件输出出的影响就比比对由较多的的电池片串联联的太阳电池池组件的输出出影响要大。所所以峰值小时时方法对于36片串联的太太阳电池组件件比较准确，对对于33片串联的太太阳电池组件件则较差，特特别是在高温温环境下。对对于所有的太太阳电池组件件，在寒冷气气候的预计会会更加准确。其次，在峰值小小时方法中，利利用了气象数数据中测量的的总的太阳辐辐射，将其转转换为峰值小小时。实际上上，在每天的的清晨和黄昏昏，有一段时时间因为辐射射很低，太阳阳电池组件产产生的电压太太小而无法供供给负载使用用或者给蓄电电池充电，这这就将会导致致估算偏大。通通常，这一点点造成的误差差不是很大，但但对于由较少少电池片串联联的太阳电池池组件的影响响比较大。所所以对36片串联的太太阳电池组件件每天输出的的估算就比较较准确，而对对于33片串联的太太阳电池组件件的估算则较较差。再次，在利用峰峰值小时方法法进行太阳电电池组件输出出估算时默认认了一个假设设，即假设太太阳电池组件件的输出和光光照完全成线线性关系，并并假设所有的的太阳电池组组件都会同样样地把太阳辐辐射转化为电电能。但实际际上不是这样样的，这种使使用峰值小时时数乘以电流流峰值的方法法有时候会过过高地估算某某些太阳电池池组件的输出出。不过，总的来说说，在已知本本地倾斜斜面面上太阳能辐辐射数据的情情况下，峰值值小时估计方方法是一种对对太阳电池组组件输出进行行快速估算很很有效的方法法。下面举例说明如如何使用上述述方法计算光光伏供电系统统需要的太阳阳电池组件数数。一个偏远地区建建设的光伏供供电系统，该该系统使用直直流负载，负负载为24V，400Ahh/天。该地区区最低的光照照辐射是一月月份，如果采采用30度的倾角，斜斜面上的平均均日太阳辐射射为3.0kkWh/mm2，也就是相相当于3个标准峰值值小时。对于于一个典型的的75W太阳电池组组件，每天的的输出为：组件日输出=33.0峰值小时×4.4安培=13.22Ah/天假设蓄电池的库库仑效率为90%，太阳电池池组件的输出出衰减为10％。根据上上述公式，并联组件数量==＝=37.4串联组件数量＝＝＝=2根据以上计算数数据，可以选选择并联组件件数量为38，串联组件件数量为2，所需的太太阳电池组件件数为：总的太阳电池组组件数=2串×38并=76块4．蓄电池和光光伏组件方阵阵设计的校核核我们有必要对光光伏组件方阵阵和蓄电池的的设计计算进进行校核，以以进一步了解解系统运行中中可能出现的的情况，保证证光伏组件方方阵的设计和和蓄电池的设设计可以协调调工作。校核蓄电池平均均每天的放电电深度，保证证蓄电池不会会过放电。计算公式如下，但但是如果自给给天数很大，那那么实际的每每天DOD可能相当小小，不需要进进行校核计算算。蓄电池日放电深深度＝＝（4.10）如果一个光伏系系统使用了4000Ah的深循环蓄蓄电池，每天天的负载为500AAh，那么平均均每天的DOD校核计算如如下：500Ahh/40000Ah＝0.1255<0.8。所以该系系统中蓄电池池不会过放电电。校核光伏组件方方阵对蓄电池池组的最大充充电率另外一个校核计计算就是校核核设计光伏组组件方阵给蓄蓄电池的充电电率。在太阳阳辐射处于峰峰值时，光伏伏组件方阵对对于蓄电池的的充电率不能能太大，否则则会损害蓄电电池。蓄电池池生产商将提提供指定型号号蓄电池的最最大充电率，计计算值必须小小于该最大充充电率。下面面给出了最大大的充电率的的校核公式，用用总的蓄电池池容量除以总总的峰值电流流即可。最大充电率＝＝（4.11）下面举例说明，光伏供电系统使用了75W太阳电池组件50块（25并联×2串联），工作电压24V，配备4000Ah的蓄电池。最大充电率为：最大充电率==40000Ah/255×4.4((75W组件峰值电电流)=224houurs将计算值和蓄电电池生产商提提供的该设计计选用型号蓄蓄电池的最大大充电率进行行比较，如果果计算值较小小，则设计安安全，光伏组组件方阵对蓄蓄电池的充电电不会损坏蓄蓄电池；如果果计算值较大大，则设计不不合格，需要要重新进行设设计。．计算斜面上的的太阳辐射并并选择最佳倾倾角在光伏供电系统统的设计中，光光伏组件方阵阵的放置形式式和放置角度度对光伏系统统接收到的太太阳辐射有很很大的影响，从从而影响到光光伏供电系统统的发电能力力。光伏组件件方阵的放置置形式有固定定安装式和自自动跟踪式两两种形式，其其中自动跟踪踪装置包括单单轴跟踪装置置和双轴跟踪踪装置。与光伏组件方阵阵放置相关的的有下列两个个角度参量：：太阳电池组组件倾角；太太阳电池组件件方位角。太阳电池组件的的倾角是太阳阳电池组件平平面与水平地地面的夹角。光光伏组件方阵阵的方位角是是方阵的垂直直面与正南方方向的夹角（向向东偏设定为为负角度，向向西偏设定为为正角度）。一一般在北半球球，太阳电池池组件朝向正正南（即方阵阵垂直面与正正南的夹角为为0°）时，太阳阳电池组件的的发电量是最最大的。对于固定式光伏伏系统，一旦旦安装完成，太太阳电池组件件倾角和太阳阳电池组件方方位角就无法法改变。而安安装了跟踪装装置的太阳能能光伏供电系系统，光伏组组件方阵可以以随着太阳的的运行而跟踪踪移动，使太太阳电池组件件一直朝向太太阳，增加了了光伏组件方方阵接受的太太阳辐射量。但但是目前太阳阳能光伏供电电系统中使用用跟踪装置的的相对较少，因因为跟踪装置置比较复杂，初初始成本和维维护成本较高高，安装跟踪踪装置获得额额外的太阳能能辐射产生的的效益无法抵抵消安装该系系统所需要的的成本。所以以下面主要讲讲述采用固定定安装的光伏伏系统。固定安装的光伏伏系统涉及到到两个重要的的方面，即如如何选择最佳佳倾角以及如如何计算斜面面上的太阳辐辐射。地面应用的独立立光伏发电系系统，光伏组组件方阵平面面要朝向赤道道，相对地平平面有一定倾倾角。倾角不不同，各个月月份方阵面接接收到的太阳阳辐射量差别别很大。因此此，确定方阵阵的最佳倾角角是光伏发电电系统设计中中不可缺少的的重要环节。目目前有的观点点认为方阵倾倾角等于当地地纬度为最佳佳。这样做的的结果，夏天天太阳电池组组件发电量往往往过盈而造造成浪费，冬冬天时发电量量又往往不足足而使蓄电池池处于欠充电电状态，所以以这不一定是是最好的选择择。也有的观观点认为所取取方阵倾角应应使全年辐射射量最弱的月月份能得到最最大的太阳辐辐射量为好，推推荐方阵倾角角在当地纬度度的基础上再再增加15度到20度。国外有有的设计手册册也提出，设设计月份应以以辐射量最小小的12月(在北半球)或6月(在南半球)作为依据。其其实，这种观观点也不一定定妥当，这样样往往会使夏夏季获得的辐辐射量过少，从从而导致方阵阵全年得到的的太阳辐射量量偏小。同时时，最佳倾角角的概念，在在不同的应用用中是不一样样的，在独立立光伏发电系系统中,由于受到蓄蓄电池荷电状状态等因素的的限制，要综综合考虑光伏伏组件方阵平平面上太阳辐辐射量的连续续性、均匀性性和极大性，而而对于并网光光伏发电系统统等通常总是是要求在全年年中得到最大大的太阳辐射射量。下面将将介绍对于独独立光伏系统统，如何选择择最佳倾角。在讨论最佳倾角角的选择方法法之前，先介介绍利用水平平面上太阳辐辐射计算斜面面上太阳辐射射的方法。因因为我们需要要使用的太阳阳辐射数据是是倾斜面上的的太阳辐射数数据，而通常常我们能够得得到的原始气气象数据是水水平面上的太太阳辐射数据据。当太阳电电池组件倾斜斜放置时，原原始气象数据据就不能代表表斜面上的实实际辐射，所所以必须要测测量斜面上的的辐射数据或或者采用数学学方法对原始始的水平面上上的气象数据据进行修正以以得到斜面上上所需的辐射射数据。1．将水平面上上的太阳辐射射数据转化成成斜面上太阳阳辐射数据确定朝向赤道倾倾斜面上的太太阳辐射量，通通常采用Klein提出的计算算方法：倾斜斜面上的太阳阳辐射总量Ht由直接太阳阳辐射量Hbt、天空散散射辐射量Hdt和地面反反射辐射量Hrt三部分所所组成：Ht＝Hbtt＋Hdt＋Hrt（4.12）对于确定的地点点，知道全年年各月水平面面上的平均太太阳辐射资料料(总辐射量、直直接辐射量或或散射辐射量量)后，便可以以算出不同倾倾角的斜面上上全年各月的的平均太阳辐辐射量。下面面介绍相关公公式和计算模模型。计算直接太阳辐辐射量Hbt引入参数Rb，Rb为倾斜面上上直接辐射量量Hbt与水平面面上Hb直接辐射量量之比，Rb＝(4..13)上述公式中倾斜斜面与水平面面上直接辐射射量之比Rb的表达式如如下：(4..14)上式中，s为太太阳电池组件件倾角，δ为太阳赤纬纬，hs为水平面上上日落时角，hs’为倾斜面上上日落时角，L是光伏供电电系统的当地地纬度。太阳阳赤纬δ的计算可参参见公式（1.1）。水平面上日落时时角hs的表达式如如下：（4.155）倾斜面上日落时时角hs’的表达式如如下：（44.16）对于天空散射采采用Hay模型。Hay模型认为倾倾斜面上天空空散射辐射量量是由太阳光光盘的辐射量量和其余天空空穹顶均匀分分布的散射辐辐射量两部分分组成，可表表达为：Hdt＝Hd[[Rb＋0.5(1－)(1＋cos(ss))]（4.17）式中Hb和Hdd分别为水平平面上直接和和散射辐射量量。Ho为大气层外外水平面上太太阳辐射量，其其计算公式如如下：（4.188）式中Isc为太太阳常数，可可以取Isc＝1367瓦/米2。对于地面反射辐辐射量Hrt，其公式式如下：Hrt＝0.55ρH(1－cos(ss))（4.19）上式中H为水平平面上总辐射射量，ρ为地物表面面反射率。一一般情况下，地地面反射辐射射量很小，只只占Ht的百分之几几。这样，求倾斜面面上太阳辐射射量的公式可可改为：Ht＝HbbRb＋Hd[Rb＋0.5(1－)(1＋cos(ss))]＋0.5ρH(1－cos(ss))（4.20）根据上面的计算算公式就可以以将水平面上上的太阳辐射射数据转化成成斜面上太阳阳辐射数据，基基本的计算步步骤如下：确定所需的倾角角s和系统所在在地的纬度L。找到按月平均的的水平面上的的太阳能辐射射资料H。确定每个月中有有代表性的一一天的水平面面上日落时间间角hs和倾斜面上上的日落时间间角hs’，这两个几几何参量只和和纬度和日期期有关。确定地球外的水水平面上的太太阳辐射，也也就是大气层层外的太阳辐辐射Ho，该参量取取决于地球绕绕太阳运行的的轨道。计算倾斜面与水水平面上直接接辐射量之比比Rb。计算直接太阳辐辐射量Hbt。计算天空散射辐辐射量Hdt。确定地物表面反反射率ρ，计算地面面反射辐射量量Hrt。将直接太阳辐射射量Hbt、天空散散射辐射量Hdt和地面反反射辐射量Hrt相加得到到太阳辐射总总量Ht。2．独立光伏系系统最佳倾角角的确定对于负载负荷均均匀或近似均均衡的独立光光伏系统，太太阳辐射均匀匀性对光伏发发电系统的影影响很大，对对其进行量化化处理是很有有必要的。为为此，可以引引入一个量化化参数，即辐辐射累积偏差差δ，其数学表表达式为：δ＝（4.21）式中Htβ是倾倾角为β的斜面上各各月平均太阳阳辐射量，ttβ是该斜面上上年平均太阳阳辐射量，M(i)是第i月的天数。可可见，δ的大小直接接反映了全年年辐射的均匀匀性，δ愈小辐射均均匀性愈好。按按照负载负荷荷均匀或近似似均衡的独立立光伏系统的的要求，理想想情况当然是是选择某个倾倾角使得tβ为最大值、δ为最小值。但但实际情况是是，二者所对对应的倾角有有一定的间隔隔，因此选择择太阳电池组组件的倾角时时，只考虑ttβ最大值或δ取最小值必必然会有片面面性，应当在在二者所对应应的倾角之间间进行优选。为为此，需要定定义一个新的的量来描述倾倾斜面上太阳阳辐射的综合合特性，称其其为斜面辐射射系数，以K表示，其数数学表示式为为：（4.222）为水平面上的年年平均太阳辐辐射量。由于于tβ和δ都与太阳电电池组件的倾倾角有关，所所以当K取极大值时时，应当有（4.223）求解上式．即可可求得最佳倾倾角。下表为为利用上述方方法，采用计计算机进行计计算，取步长长为1度，计算出出来我国部分分城市对于负负载负荷均匀匀或近似均衡衡的独立光伏伏系统的最佳佳倾角。表4－1我国国部分主要城城市的斜面最最佳辐射倾角角城市纬度（φ）最佳倾角哈尔滨45.68φ＋3长春43.90φ＋1沈阳41.77φ＋1北京39.80φ＋4天津39.10φ＋5呼和浩特40.78φ＋3太原37.78φ＋5乌鲁木齐43.78φ＋12西宁36.75φ＋1兰州36.05φ＋8银川38.48φ＋2西安34.30φ＋14上海海31.17φ＋3南京32.00φ＋5合肥31.85φ＋9杭州30.23φ＋3南昌28.67φ＋2福州26.08φ＋4济南36.68φ＋6郑州34.72φ＋7武汉30.63φ＋7长沙28.20φ＋6广州23.13φ－7海口20.03φ＋12南宁22.82φ＋5成都30.67φ＋2贵阳26.58φ＋8昆明25.02φ－8拉萨29.70φ－8混合光伏系统设设计混合光伏系统中中除了使用太太阳能外还有有多种能量来来源，常见的的能源方式有有：风力，柴柴油发电机，生生物质能等。混混合光伏系统统在使用光伏伏发电的基础础上还要综合合利用这些能能源给负载供供电。常见的的两种混合光光伏系统是风风光互补供电电系统和光伏伏油机混合系系统。我们首先讨论风风光互补供电电系统。在很很多地区太阳阳能和风能具具有一定的互互补性，例如如青藏高原每每年的4-9月太阳能辐辐射值最高，而而风力资源最最丰富的月份份在当年的10月到次年的4月，为太阳阳能风能互补补发电系统的的应用提供了了良好的基础础。而且由于于风光互补的的特性使得对对于独立光伏伏系统中必须须考虑连续阴阴雨天或者独独立的风力发发电系统中必必须考虑连续续的无风天数数而造成的蓄蓄电池组余量量偏大的问题题得到缓解。但但是，在进行行风光互补系系统设计的时时候首先需要要考虑风力发发电的特点：：风力发电对风风的速度十分分敏感，远远远大于光伏系系统对太阳辐辐射的敏感程程度。从理论论上讲，风力力发电机的输输出和风速的的3次方成正比比。这样就给给风力发电的的设计带来一一定的影响，如如果估计的风风速大于实际际的风速，那那么系统的输输出就会远远远小于负载的的实际需求，使使得系统的设设计参数必须须十分准确。另另一方面，如如果该地区的的风速很高，那那么使用风力力发电的成本本就很低了，一一般而言，如如果平均风速速大于4m/s，那么风力力发电的成本本就会低于在在光照条件很很好地区的光光伏系统了。但但是因为风速速变化很大，年年度，季度以以及在一天中中的变化都很很大，所以最最好还是使用用风/光互补系统统，减小风能能对速度的敏敏感从而对系系统供电的影影响。风力发电对风机机的安装位置置很敏感。即即使是在同一一个地区，有有着相同的气气象条件，风风力发电机坐坐落的位置不不同，也会造造成风力发电电的很大区别别，例如山丘丘和树林都会会对风力放电电机坐落地点点的风速产生生很大影响，从从而影响风力力发电机的输输出。风力发电对风机机叶片的安装装高度很敏感感。因为风速速随着高度的的变化会变化化，在同一个个安装地点，叶叶片5米高的风机机的发电量和和20米高的风机机的发电量是是不同的。考虑到上述因素素的影响，建建议在安装风风力发电站的的地点进行一一年时间的实实地测量，以以获得较为准准确的数据，便便于系统的设设计。风光互互补供电系统统设计的首要要问题就是寻寻求太阳能光光电和风力混混合系统在各各自规模上的的最佳匹配，求求得既能满足足功能需求成成本又最低的的最佳风机容容量、最佳太太阳电池组件件大小和蓄电电池容量。其其基本的设计计思路为：了解实际情况，计计算出系统负负载的逐月日日平均需求，作作出日平均用用电量曲线。计算出各种规格格的风力发电电机、太阳电电池组件在全全年各月的日日均发电量，作作出他们全年年各月的日均均发电量曲线线。将风力和光电两两种发电方式式不同规格发发电装置的发发电量曲线进进行多种拟合合。看哪些互补组合合的拟合曲线线和日平均用用电量曲线接接近。对接近的拟合曲曲线进行成本本估算，选择择成本最低的的那条曲线作作为设计结果果。下面考虑光伏油油机混合系统统。对于没有有足够风力资资源的地方且且负荷较大的的光伏供电系系统，如果考考虑到要在暴暴风雨天气或或者较长的坏坏天气后蓄电电池不至于过过放电，或者者能够很快地地恢复蓄电池池的SOC，我们可以以采用两种方方法，一种方方法是采用很很大的光伏系系统，即很大大的太阳电池池组件和很大大的蓄电池容容量；另外一一种方法就是是考虑使用混混合系统，给给该系统添加加一个备用能能源（通常是是柴油机，或或者汽油机），在在冬天或者在在较长的坏天天气里每隔几几天就将蓄电电池充满，在在夏天备用电电源可能根本本就不会使用用。到底是采采用较大的光光伏系统还是是采用光伏油油机混合系统统，其关键的的决定因素就就是系统成本本。光伏油机混合系系统有更大的的弹性，适合合不同的系统统需求，有很很多种不同的的方法设计混混合系统。对对系统进行设设计时，必须须在初始设计计阶段作出正正确的选择。在在整个设计过过程中必须时时刻牢记整个个系统的运行行过程。混合合系统不同部部分之间的交交互作用很多多，设计者必必须保证满足足所有的重叠叠要求。不管管按照什么方方法进行设计计，首先必须须使光伏油机机混合系统的的功能恰好满满足负载需求求，然后综合合考虑各种因因素，平衡好好各方面因素素对系统的影影响。下面介绍光伏油油机混合系统统的设计：负载工作情况。与与独立光伏系系统设计一样样，混合系统统中总载荷的的确定也同样样重要。对于于交流负载，还还需要知道频频率、相数和和功率因子。需需要了解的不不仅仅是负载载的功率大小小，负载每小小时的工作情情况都是很重重要的。系统统必须满足任任何可能出现现的峰值情况况，采用确定定的控制策略略满足负载工工作的需求。系统的总线结构构。选择交流流还是直流的的总线取决于于负载和整个个系统工作的的需要。如果果，所有的负负载都是直流流负载，那么么就使用直流流总线。如果果负载大部分分都是交流负负载，那么就就最好使用交交流总线结构构。如果发电电机要供给一一部分的交流流负载需求，那那么选择交流流总线结构就就比较有利。总总的来说，采采用交流总线线需要更加复复杂的控制，系系统的操作也也较为复杂。但但是更加的有有效率，因为为发电机产生生的交流电直直接供给负载载的需要，不不像在直流总总线结构下，发发电机输出的的电流需要经经过整流器将将交流转化为为直流，然后后又经过逆变变器将直流转转换为交流满满足交流负载载的需要而产产生很大的能能量损失。进进行设计的时时候必须仔细细的进行这些些比较，确定定最佳的系统统总线结构。蓄电池总线电压压。在混合系系统中，蓄电电池的总线电电压会对系统统的成本和效效率产生很大大的影响。通通常，蓄电池池的总线电压压应该在设备备允许电压和和当地的安全全法规规定的的电压下尽量量取高的值。因因为较高的电电压就会降低低工作电流，从从而降低损失失，提高系统统效率（因为为功率的损失失与电流的平平方成正比）。而而且因为电缆缆、保险、断断路器和其他他的一些设备备的成本都和和电流的大小小有关，所以以较高的电压压能够降低这这些设备的成成本。对于直直流总线系统统，通常负载载的直流工作作电压决定了了总线的电压压。如果有多多种负载，最最大的负载电电压为总线电电压，这样可可以减少DC/DC滤波器的容容量。对于有有交流负载的的系统，蓄电电池电压由逆逆变器的输入入电压决定。通通常，除了最最小的系统以以外，其他的的应该使用最最小为48V的电压。较较大的系统应应该使用120V或者240V。目前商用用的最大的光光伏/柴油机混合合系统为480V系统。蓄电池容量。独独立光伏系统统经常提供5-7天或更多的的自给天数。对对于混合系统统，因为有备备用能源，蓄蓄电池通常会会比较小，自自给天数为2-3天。当蓄电电池的电量下下降时，系统统可以启动备备用能源如柴柴油发电机给给蓄电池充电电。在独立系系统中，蓄电电池是作为能能量的储备，该该能量储备必必须充分以随随时满足天气气情况不好时时的能量需求求。在混合系系统中，蓄电电池的作用稍稍稍有所不同同。它的作用用是使得系统统可以协调控控制每种能源源的利用。通通过蓄电池的的储能，系统统在充分利用用太阳能的同同时，还可以以控制发电机机在最适宜的的情况下工作作。好的混合合系统设计必必须在经济性性和可靠性方方面把握好平平衡。发电机和蓄电池池充电设计。发发电机和蓄电电池的充电控控制应该进行行匹配设计，因因为在混合系系统中这两个个部分联系紧紧密。首先，蓄蓄电池的容量量决定了蓄电电池的充电器器大小。充电电器不能用过过大的电流给给蓄电池充电电，通常最大大充电率为C/5。发电机的的功率必须能能够满足蓄电电池充电的需需要。较小的的蓄电池会降降低系统的初初始成本，但但会导致更为为频繁的柴油油机工作和启启动，从而增增加燃油消耗耗和柴油机维维护成本。在在计算发电机机大小的时候候还要考虑负负载的能量需需求和功率因因数。如果系系统使用的是是交流总线，那那么还要考虑虑直接接到发发电机的交流流负载。使用用较大的发电电机，会减少少发电机工作作的时间，但但是并不一定定会降低太阳阳电池组件发发电量占系统统总发电量的的百分比。减减少发电机的的工作时间就就可以降低系系统的维护成成本，并且提提高系统的燃燃油经济性。所所以使用较大大功率的发电电机会有很多多优点。理论论上，可以选选择发电机的的功率为系统统负载的75-90%。这样就可可以有比较低低的系统维护护成本和较高高的系统燃油油经济性。在选择发电机的的时候还需注注意到发电机机的额定功率率是在特定的的温度、海拔拔和湿度条件件下测定的。如如果发电机在在不同的条件件下工作，那那么发电机的的输出就会降降低。相关资资料可以从柴柴油机制造商商处获取。一一般情况下，发发电机的输出出功率随着海海拔的升高而而降低，通常常每升高三百百米降低3.5%。温度（相相对额定温度度，一般为30℃）每升高一一度，则输出出降低0.36%%;而湿度可能能导致的功率率下降最高为为6％。燃油发电机发电电与太阳电池池组件能量贡贡献的分配。在在光伏-燃油发电机机混合系统设设计中，燃油油发电机发电电与太阳电池池组件能量贡贡献的分配非非常关键，它它决定了太阳阳电池组件的的大小和燃油油发电机年度度的能量贡献献，直接影响响到系统成本本和系统工作作情况。发电电机提供的能能量越大则所所需的太阳电电池组件就越越小，这样可可以降低系统统的初始成本本，但燃油发发电机的工作作时间会增加加从而导致系系统的维护成成本和燃油消消耗提高，它它是整个系统统各项容量设设计的基础。决决定该分配需需要综合考虑虑系统所在地地气象因素、系系统成本、系系统维护等各各项因素。可可以根据经验验进行简单的的估计，如果果想得到精确确的估计，就就需要使用计计算机进行过过程模拟。通通常认为太阳阳电池组件的的能量贡献应应该在总负载载需求的25%到75%之间，系统统的初始成本本和维护成本本就会比较低低。但是对于于不同的实际际情况，就需需要对整个系系统的效率和和能量损失做做仔细的考虑虑，对贡献比比例加以修正正。在确定了燃油发发电机发电与与太阳电池组组件能量贡献献的分配之后后，就可以根根据负载每年年的耗电量，计计算出太阳电电池组件的年年度供电量和和燃油发电机机的年度供电电量，由太阳阳电池组件的的年度供电量量就可以计算算出需要的太太阳电池组件件容量，由发发电机的年度度供电量可以以计算出每年年的工作时间间，从而估算算燃油发电机机的维护成本本和燃油消耗耗。光伏系统倾角的的设计。对于于独立光伏系系统，为了降降低蓄电池用用量和系统成成本，需要在在冬季获得最最大的太阳能能辐照。这样样就需要将太太阳电池组件件的倾角设置置成比当地纬纬度大10-20度。但是在在混合系统中中，因为备用用油机可以给给蓄电池充电电，所以可以以不再考虑季季节因素对太太阳电池组件件的影响