光伏系统设计原理课件

第七章.光伏系统的设计

一.光伏系统设计内容光伏系统的设计包括:容量设计;电气设计;机械结构设计;建筑设计;热力设计;安全设计;可靠性设计;包装运输设计;安装调试运行设计以及维修检测设计等。其中最重要的是容量设计,内容包括确定太阳电池方阵和蓄电池的容量,以及方阵的倾角。

二.光伏系统设计的原则:在充分满足用户负载用电需要的条件下,尽量减少太阳电池和蓄电池的容量,以达到可靠性和经济性的最佳结合。光伏系统和产品要根据负载的要求和当地的气象及地理条件,进行专门的优化设计。要避免盲目追求高可靠性或低成本的倾向。光伏系统设计的依据是:按月能量平衡。三.光伏系统优化设计步骤:

根据负载性质不同,设计的要求也不一样.(一)独立光伏系统的设计1.首先讨论应用最广的均衡性负载,这类负载每个月份的平均耗电量都相同.对于负载月平均耗电量变化不超过10%的,也可以当作均衡性负载(2).计算方阵面上太阳辐照量

根据当地地理及气象资料，先任意设定某一倾角β,根据前面所介绍的KlienSA和TheilackerJC所发表的计算月平均日辐照量的方法，计算在该倾斜面上的各月平均日太阳辐照量Ht（KWh/m2·d），并得出全年平均太阳总辐照量(3).算出各月发电盈亏量对于某个确定的倾角，方阵输出的最小电流应为

式中：η1为从方阵到蓄电池回路的输入效率，包括方阵面上的灰尘遮蔽损失、性能失配及老化、防反充二极管及线路损耗、蓄电池充电效率等。η2为由蓄电池到负载的放电回路效率，包括蓄电池放电效率、控制器和逆变器的效率及线路损耗等。

同样也可由方阵面上各月平均太阳辐照量中的最小值Htmin得出方阵所需输出的最大电流为

方阵实际工作电流应在Imin和Imax之间，可先任意选取一中间值I

(4).确定累计亏欠量∑∣-⊿Qi∣以两年为单位，列出各月发电盈亏量，如只有一个△Q<0的连续亏欠期，则累计亏欠量即为该亏欠期内各月亏欠量之和。如有两个或以上的不连续△Q<0的亏欠期，则累计亏欠量∑∣-⊿Qi∣应扣除连续两个亏欠期之间⊿Qi为正的盈余量，最后得出累计亏欠量∑∣-⊿Qi∣。(5).决定方阵输出电流将累计亏欠量∑∣-⊿Qi∣代入

将n1与指定的蓄电池维持天数n相比较，若n1>n，则增大电流I，重新计算，反之亦然。直到n1≈n，即得出方阵输出电流Im。(6).求出方阵最佳倾角改变倾角，重复以上计算，进行比较，得出最小的方阵输出电流I

m值，相应的倾角即为方阵最佳倾角βopt。光伏方阵容量为:

P=k·Im·(Vb+Vd)其中：k为安全系数,通常取1~1.5,可根据负载的重要程度、参数的不确定性以及其他所需要考虑的因素而定；Vb为蓄电池充电电压；Vd为防反充二极管及线路压降。(8).最终决定最佳搭配改变蓄电池维持天数n，重复以上计算，可得到一系列B~P组合。再根据产品型号及单价等因素，进行经济核算，最后决定蓄电池及光伏方阵容量的最佳组合。

案例分析

为沈阳地区设计一套太阳能路灯,灯具功率为30W,每天工作6小时,工作电压为12伏,蓄电池维持天数取5天。要求太阳电池方阵和蓄电池的容量及方阵倾角是多少?负载耗电量:

沈阳地区纬度是41.440,任意取方阵倾角β=600,算出各月份方阵面上的太阳辐照量Ht选取参数：η1=η2=0.9得到

Imax=11.52AImin=5.176A在最大和最小电流值之间取：

I=5.5A。

算出各月方阵发电量Qa,并列出各月负载耗电量Qc,从而求出各月发电盈亏量△Q具体数值见下表：由表中可见,当年11~12月和次年1月都是亏欠量,但这是一个连续亏欠期。总亏欠量：=69.196Ah代入公式：=4.6131与要求的维持天数5天相比要小。因此可以减少方阵电流,另取I=5.4A,重新进行计算,得到下表：月份HtQaQcQa-Qc13.3467453.79465-11.20924.1618509.7042089.69934.4364601.55465136.5544.2092551.55450101.5554.1050556.6146591.61363.8124500.2645050.26373.4893473.124658.122583.6602496.3046531.29794.2056551.86450101.86104.0399547.7846582.781113.3169435.25450-14.75123.9347397.93465-67.07月份HtQaQcQa-Qc13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.83934.4364609.98465144.9844.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.59450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528123.9347403.51465-61.495

由表中可见,当年11~12月和次年1月还都是亏欠量,总亏欠量为74.49998Ah。由此求出n1=4.999天,与要求的维持天数n=5天基本相符。由此确定电流取：I=5.47565A。接着再改变倾角,用同样电流,比较累计亏欠量(或n1)。试取倾角β=620,重复以上计算,得到下表：月份HtQaQcQa-Qc13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.76234.3920603.75465138.7544.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411122.9386403.89465-61.113

本例最后得出,方阵工作电流：Im=5.47356A所对应的角度,即为方阵最佳倾角： βopt=620结果得到蓄电池容量为： B=104.18Ah太阳电池方阵容量为： P=95.05W2.季节性负载独立光伏系统的设计

这类系统的负载每天工作时间随着季节而变化,不能当作均衡负载处理。最典型的是光控太阳能光伏照明系统。光控照明系统的特点是以自然光线的强弱来决定负载工作时间长短的。天黑开灯,天亮关灯。每天的工作时间不一样,因此负载耗电量也不相同。

此特点与太阳日照时间的规律正好相反,夏天日照时间长,辐照量大,但灯具需要照明的时间短;而冬天日照时间短,辐照量小,而灯具需要照明的时间长,所以此类光控照明系统在太阳能光伏电源应用中的工作条件是最苛刻的。光控照明系统不同于独立光伏系统,设计时必须特别仔细考虑。先估计需要照明的时间:从日落到日出之间的无日照小时数为:

式中:φ为当地纬度,δ为太阳赤纬

δ每天都在变化,所以t也每天在变.

不同地区t的差别很大,如海口地区(φ=20.030),夏至(6月21日δ=23.45)时t=10.1h,冬至(12月21日δ=-23.45)时t=13.2h;哈尔滨地区(φ=45.450),夏至时t=8.5h,冬至时t=15.5h,可见纬度越高,晚间需要照明时间相差越大。一般情况下,日出前半小时和日落后半小时内,天空尚有余光,为了节约起见,可以不必开灯。如负载的工作电流为,负载日耗电量应为:各月耗电量则为:其中:N是当月天数。显然,各个月份的耗电量都不相同,夏天少,冬天多。这是季节性负载的工作特点。

光控太阳能照明系统的优化设计步骤与独立光伏系统的优化设计步骤相同,只是每天的耗电量QL不一样。所以一开始不是统计确定每天的耗电量,,而是得出工作电流i,然后根据上述方法确定每天工作时间t,才能求得各天的耗电量仍以上例进行分析:为沈阳地区设计一套光控太阳能路灯,灯具功率为30W,工作电压为12伏,蓄电池维持天数取5天。要求太阳电池方阵和蓄电池的容量及方阵倾角是多少?首先求出负载工作电流：

i=W/V=30/12=2.5(A)再应用公式:求出每天工作时间t

最后由公式：

Qi=(t-1)·I算得各天耗电量其余步骤与前相同,得到如下结果：月份HtQaQcQa-Qc13.34071045.01056.3-11.26924.10441159.6879.36280.2834.29391343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.3953.82541196.6671.85524.7863.53541070.2603.94466.2873.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.8994.03611221.8805.41416.37103.96121239.1941.23297.87113.3022999.631001.1-1.4333122.9377918.931080.5-161.57太阳电池方阵倾角为：β=660蓄电池容量为：B=242.5Ah太阳电池方阵容量为：P=216.3W由以上计算最后得出：与上面讨论的独立光伏系统比较：太阳电池方阵倾角为：β=620

蓄电池容量为：B=104.18Ah太阳电池方阵容量为：P=95.05W

光控太阳能照明系统冬天工作时间长,耗电量多,夏天耗电量少,与日照规律正好相反。光控太阳能照明系统与同样功率的定时太阳能照明系统相比,所需要配置的太阳电池方阵和蓄电池的容量要大得多。前者太阳电池方阵的倾角要比后者大,其原因是要照顾冬天方阵面上的日照量。

所分析的光控太阳能照明系统全年发电量为13495.66Ah，而灯具实际耗电量只有10027.33Ah,利用率只有74.3%。而上例定时太阳能照明系统全年发电量为6087.12Ah,灯具实际耗电量5475Ah,利用率可达89.9%。3.某些特殊要求光伏系统的设计

衡量供电系统的稳定性能通常可用负载缺电率(Loss-of-load-probability).LOLP的定义为光伏系统全年停电时间与供电时间之比，LOLP值在0~1之间，数值越小，可靠程度越高。如LOLP=0，表示任何时间都能保证供电，全年停电时间为零。常规电网对大城市供电也只能达到LOLP=10-3数量级在一些特殊需要的场合，例如为重要的通讯设备、灾害测报仪器、电网分段断路器、军用装备等供电的独立光伏系统，确实需要做到满足一分钟都不停电的要求。对于这类独立光伏系统，不能够盲目地增加系统的安全系数，设计时要特别仔细，稍有不慎，其结果不但可能造成大量浪费，还会影响光伏系统的稳定工作，产生严重后果。

对于均衡负载要求LOLP=0的独立光伏系统,同样可以用上面提到的优化设计步骤,只是用蓄电池的维持天数n=0代入,使得各个月份的方阵发电量都大于负载耗电量,即可确定太阳电池方阵的容量。再根据当地的最长连续阴雨天数,作为蓄电池的维持天数,确定蓄电池的容量。

实例分析为上海地区设计一套全天工作，缺电率为零的光伏系统，负载平均每天耗电量为10W，工作电压取12V，试确定系统的容量。求出每天负载耗电量为20Ah。

重复上述计算,或以蓄电池维持天数n=0代入,即可得到最佳倾角为470,方阵输出电流为10.46A,太阳电池方阵容量为204.9W。根据上海地区最长连续阴雨天数为8天,用n=8,并取蓄电池放电深度为0.6,求出蓄电池容量为313.7Ah。实际可采用2只12V-160Ah蓄电池并联使用。各月能量平衡表如下:

月份HtQaQcQa-Qc1月2.6557620.036200.032月2.9795628.3156068.313月3.0011700.6662080.664月3.65824.66600224.665月3.8399896.5620276.56月3.569758.45600158.457月3.9046911.59620291.598月4.0097936.14620316.149月3.7106838.35600238.3510月3.4880814.37620194.3711月3.1002700.44600100.4412月2.8832673.1362053.13

(二).并网光伏系统的设计由于有电网作为储能装置,不必像蓄电池那样受到容量的限制。所以太阳电池方阵的安装倾角应该是以全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度。电网可以随时补充电力,所以系统设计不需要独立光伏系统那样严格。

通常并网光伏系统设计有两种:1.根据准备安装的太阳电池方阵的容量，进行设计，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射量所对应的角度即为方阵最佳倾角。

根据已知方阵容量,求出方阵输出电流,再根据最佳倾角时方阵面上各个月份所接收到的太阳辐射量,利用公式:

Qg=