太阳能光伏系统设计剖析课件

第七章. 光伏系统的总体设计

要建成一个合理、完善的光伏系统，需要进行一系列设计，如考虑不周，可能导致系统无法正常运行。

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。1一.

光伏系统的容量设计(一).

设计原则

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。

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。2

要避免盲目追求低成本或高可靠性的倾向。当前尤其要纠正为了竞争市场,

片面强调经济效益,任意减小系统容量的现象。光伏系统设计的依据是:按月能量平衡。3(二).

光伏系统优化设计步骤:1.

独立光伏系统的设计1).

均衡性负载这类负载每个月份的平均日耗电量都相同,这是独立光伏系统中应用最广泛的。

对于负载日平均耗电量变化不超过10%

的,也可以当作均衡性负载。4(1).

确定负载耗电量

列出各种用电负载的耗电功率、工作电压及平均每天使用时数，还要计入系统的辅助设备如控制器、逆变器等

的耗电量。选择蓄电池工作电压V，算出负载平均日耗电量QL

(Ah/d)。指定蓄电池维持天数为

n(通常n取

3~7天)5(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

Klien

S

A

和

Theilacker

J

C

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6

Ht的单位化成（KWh/m2

·d）,除以

标准辐照度1000w/m2

(h)

在数值上就等于当月平均日峰值日照

时数

Tt，以后就以单位化成（KWh/m2

·

d）的Ht来代替Tt

。7(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。8

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

I

min和

I

max

之间，可先任意选取一中间值

I9方阵各月发电量为Qg

=

N

·I·H

t·η1·η2式中：N为当月天数，

Ht为该月太阳辐 照量。各月负载耗电量为Qc

=

N

·QL从而得到各月发电盈亏量△Q=

Q

g

-

Q

c

如果△Q

<

0

为亏欠量，表示该月发电量不足，需要由蓄电池提供部分储存的电量。10(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∣。11(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。12(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

Im值，相应的倾角即为方阵最佳倾角βopt。13(7).

得出蓄电池及方阵容量求出蓄电池容量为：

式中: (DOD)为蓄电池的放电深度,通

常取

0.3~

0.8。14光伏方阵容量为:P

=k

·

I

m

·(V

b

+

V

d

)

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、温度的影响以及其他所需要考虑的因素而定；V

b为蓄电池充电电压；V

d

为防反充二极管及线路压降。15(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。1617(9).

总结

先指定蓄电池维持天数n;任意选择方阵

倾角β;得到满足维持天数要求的方阵输出电流I

。再改变方阵倾角，求出满足维持天数要求的方阵最小输出电流Im，此时对应的β即为方阵最佳倾角βopt。由此得出方阵和蓄电池容量。改变维持天数n，可以得到一系列B~P组合，最后确定最佳的蓄电池和方阵搭配容量。18实例分析

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:19沈阳地区纬度是41.44

0

,任意取方阵倾角β

=

60

0

,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=11.52A

Imin=5.176A在最大和最小电流值之间取：I=

5.2A。20算出各月方阵发电量Q

g

,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：21月份HtQgQcQg

-QQcc13.3467

436.98465-28.01624.1618

490.8242070.82134.4364

579.27465114.2744.2092

531.1245081.11854.1050536.46570.99863.8124

481.7445031.73573.4893455.6465-9.400683.6602

477.9246512.91694.2056

531.4245081.42310

4.0399

527.4946562.49311

3.3169

419.13450-30.87112

2.9347

383.19465-81.80822次年11由表中可见，当年7月和11~12月及月都是亏欠量，所以有两个亏欠期，其

中7月份亏欠量-9.4006

，但是在8月份就有盈裕量12.916

，可以全部补足。因此全年累计亏欠量∑∣-⊿Qi∣是11月到1月份的亏欠量之和140.69。代入公式：

=

9.3823

可见要比要求的蓄电池维持天数大得多，表示所取的方阵电流太小，因此

要增加方阵电流。

另取:

I=5.5(A)

，算出各月方阵发电

量Q

g

，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：24月份HtQgQcQ

g

-

Qc13.3467

462.19465-2.805724.1618

519.1442099.13734.4364

612.69465147.6944.2092

561.76450111.7654.1050

566.92465101.9263.8124

509.5345059.52873.4893

481.8846516.88483.6602

505.4946540.48894.2056

562.08450112.0810

4.0399

557.9346592.92511

3.3169

443.31450-6.690112

2.9347

405.30465-59.70125

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：=4.613126与要求的维持天数5天相比要小。

因此可以减少方阵电流，不断重复以

上步骤，最后取I=5.47565A

，得到的结果如下表：27g

--

QQcc月份HtQgQcQg13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.83934.4364609.98465144.9844.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.59450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528122.9347403.51465-61.49528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：29g

--

QQcc月份HtQgQcQg13.3480460.33465-4.669924.1466514.9642094.95834.3920603.98465138.9844.1324549.8545099.84654.0143551.9446586.94163.7220495.2445045.24373.4128469.244654.241683.5917493.8446528.83194.1526552.54450102.54104.0174552.3746587.386113.3153441.13450-8.8727122.9386404.04465-60.95930

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74.501Ah。

由此求出n1=

4.9668天，与上面的n1=4.999天更小，可见取倾角620要比600更

好。同样继续改变倾角，得出与维持天数n

=

5天基本相符的最小电流，该角度即为最佳倾角。

本例中，最后得出I=

5.47356A，相应

的角度是β=

620,各月的盈亏情况如下表31g

--

QQcc月份HtQgQcQg13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.76234.3920603.75465138.7544.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411122.9386403.89465-61.11332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=

104.4Ah太阳电池方阵容量为：P=

107.2W332).

季节性负载

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。34

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，而灯具需要照明的时间短;而冬天日照时间短，辐照量小，但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均衡负载光伏系统，设计时必须特别仔细考虑。35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.36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。37

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

i负载日耗电量应为:各月耗电量则为:QL=(t-1)

·iQC=N

QL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。38

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基本相同，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

:

QL=(t-1)

·i仍以上例进行分析:39

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t40最后由公式：QL=(t

-1)

·i算得各天耗电量其余步骤与前相同，得到如下结果：41月份HtQgQcQgg

--

QQcc13.34071045.01056.3-11.26924.10441159.6879.36280.2834.29391343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.3953.82541196.6671.85524.7863.53541070.2603.94466.2873.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.8994.03611221.8805.41416.37103.96121239.1941.23297.87113.3022999.631001.1-1.4333122.9377918.931080.5-161.5427由以上计算最后得出：太阳电池方阵倾角为：

β=660蓄电池容量为：太阳电池方阵容量为：B=242.5AhP=216.3W与上面讨论的均衡性负载系统比较：太阳电池方阵倾角为：

β=620蓄电池容量为：太阳电池方阵容量为：B=104.2AhP=107.2W43

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。44

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%。453).

特殊要求负载

衡量供电系统的稳定性能通常可用

负载失电率LOLP(Loss-of-load-probability)来衡量。LOLP的定义为:LOLP

=全年停电时间

/全年时间46

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47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、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。48

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，只是蓄电池的维持天数先用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n

，确定蓄电池的容量。49实例分析

为上海地区设计一套全天工作，失电率为零的独立光伏系统，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。50

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:51gg

--

QQcc月份HtQgQc

Q1月2.6557620.036200.032月2.9795628.3156068.313月3.0011700.6662080.664月3.6500824.66600224.665月3.8399896.50620276.56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2.8832673.1362053.13522.

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。53通常并网光伏系统设计计算有两种: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。54

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

=

N

·P·

H

t·η1·η2即可得到各个月份系统的发电量。

将12个月份的发电量相加,就是全年并

网光伏系统的发电量。552).

根据用户负载的用电量，在能量平衡的条件下要确定所需要最小的太阳电池方阵容量及其安装倾角。

同样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。56

任意选取某个方阵输出电流

I，算出

各个月份的方阵发电盈亏量，如全年总的盈亏量为正，则减少电流

I;如全年总的盈亏量为负，则增加电流

I

，重新进行计算，直到全年总的盈亏量为零，这时方阵的输出电流

Im即为所需的最佳电流。再与电压及安全系数相乘，就可得到所需要最小的太阳电池方阵容量。57(三).光伏系统设计中的一些误区581.光伏发电系统必须根据负载和现场的

地理及气象条件进行专门的优化设计。2.日照时数与峰值日照时数不能混淆。3.方阵面应尽量朝南倾斜放置。4.方阵最佳倾角不单取决于纬度,会随不

同的P-B组合而变化。5.

P/B的比例并不固定。

6.系统设计时不能只考虑某个月份的

辐照量。

7.

系统设计时应考虑各个月份的能量平衡。

8.要注意方阵全年发电量和有效发电量

的区别，两者差别越小，系统设计得越好。

9.

蓄电池容量要恰当，并不是越大越好。否则可能造成与太阳电池方阵容量

失配，

因而经常充电不足,容易损坏。59，有10.

影响光伏发电量的因素很多的列出了十几个损失系数，在实际应用设计时，没有必要一一考虑。11.

在一定范围内，有一系列P~B组合都能满足负载的用电要求，其规律是比较大的光伏方阵与比较小的蓄电

池容量相搭配，反之亦然。但n越大，

B也越大，而P却减少得不多，在最终决定容量时要加以注意。60案例分析:

太阳能庭院灯工作电压7.2V，每天耗电

量:5W×8h

/

7.2V

=

5.6Ah以连续工作3天计，耗电量为16.7Ah

。即使不计蓄电池效率、放电深度、受蓄

电池容量限制，能量不能全部利用等因素，实际配备的6Ah蓄电池也是无法正常工作的。61

完成光伏系统的容量优化设计后，还需要进行一系列设计:二.光伏系统的机械结构设计

1.

首先根据现场条件，确定太阳电池方阵的安装位置。要求方阵面上尽量不要有建筑物或树木遮荫。否则在遮荫部分，非但没有电力输出，反而要消耗电力，形成局部发热，产生“热斑效应”

，严重时会损坏太阳电池。622. 根据优化设计得出的太阳电池组件数量和尺寸大小以及方阵最佳倾角，设计方阵支架。要求方阵支架牢固可靠，

要充分考虑到承重、通风、抗震等因素。在一些特殊地区，如海边，还要考虑防强风，防潮湿，防盐雾腐蚀等，有时还要加设驱鸟装置。633.根据蓄电池的数量和尺寸大小，对安放蓄电池的房间进行总体布置，设计蓄电池的支架及其结构，要做到连接线路尽量短，

排列整齐，干燥通风，维护操作方便。644.

合理进行配电房的布置，安排好

控制器和逆变器的位置，尽量与蓄电池靠近，但最好又能相互隔开。使得布局适当，接线可靠，测量方便。

如果是并网系统，还要考虑电网连接位置及方式等。65

对于重要或比较复杂的光伏系统，应当画出系统结构的平面或立体结构布

置图。

进行基础工程设计，特别要注意方阵支架的固定，接地线的安排等。有时

还需要进行安放蓄电池和控制和逆变器房间的设计及布置。66三.电气设计

1.

根据优化设计得出的太阳电池方阵中组件的串并联要求，确定组件的连

接方式，如串并联组件数目比较多时，最好采用混合连接方式。

串联组件数目比较多时，应该并联旁路二极管。同时还要决定防反充二极管的位置及连接方法。67

合理安排连接线路走向，尽量采用

最短的连接途径。

确定分线盒和总线盒的位置及连接方式，决定开关及接插件的配置。

根据光伏系统各部分的工作电压及

电流，按照有关电工标准或规范，选择采用合适的连接电线、电缆等附件。

对于比较重要的工程,应该画出电气

原理及结构图,以便于维修及检查。68四.

辅助设备选配1.蓄电池

根据优化设计结果，决定蓄电池的电

压及容量，选择合适的蓄电池种类及型号，再确定其数量及连接方式。

一般场合可以采用密封铅酸蓄电池，有些为重要负载供电的系统，也可采用镍-镉电池。692.

控制器

按照负载的要求和系统的重要程度，

确定光伏系统控制器应具有的充分而又必要的功能，并配置相应的控制器。

控制器功能并非越多越好，否则可能

不但增加了成本，而且还增添了出现故障的可能性。703.逆变器

对于交流负载，必须配备相应的逆变

器。

通常光伏方阵的工作电压，要根据逆变器的要求来决定。

一般情况下，逆变器的额定功率应稍

大于负载的功率;

不过在有些场合也可稍小于负载的功率。71逆变器输出的波形，通常有方波、改良方波和正弦波等多种，在满足负载正常工作的前提下，应尽量选用前

两种,以降低成本。

如果是并网光伏系统，还必须配备必要的检测、并网、报警、自动控制及测量等一系列功能，特别是必须具备

防止“孤岛效应”的功能，以确保光伏系统和电网的安全。724. “三遥”功能

对于大型或重要的实验光伏系统，常常要求具有遥测、遥控和远程通讯的功能，这就需要配备合适的设备。

对于一般系统,除非十分必要，不必

考虑。735.

防雷装置

对于大型或安装在高山上的光伏系统，

特别是在雷暴多发地区，必须配备防雷装置。防雷装置接地必须可靠。74五.热环境设计

对于太阳电池方阵，应尽量降低其工作温度，特别是在南方，要注意采取

适当的降温措施，如:组件之间保持一定间隔，方阵与其他物体之间留有相当距离，以便通风。

在连接线路时，要考虑温度的影响，

尤其在夏天安装时，连线不要太紧，以免天冷时发生断裂。75蓄电池在温度降低时，输出容量会受到影响。在2

00

C以下时，温度每降低10

C,容量要下降1%。尤其是在北方，冬天低温会对蓄电池容量产生严重影响，必须采取一定措施