独立光伏系统的优化设计方案

独立光伏系统的优化设计方案•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。光伏系统优化设计原则一..光伏系统分类•按供电方式大致可分为三大类：•独立系统•

并网系统•混合系统符合,所以必须配备储能装置。

•由于独立光伏系统没有备用电源,所以应当进行严

格的优化设计,以达到既能保证负载的长期可靠运行,又能使系统规模最小,节省投资费用的目的。三.独立光伏系统•通常是指没有任何辅助电源,光伏系统是唯一电力 来源的电源系统。•

在一般情况下,负载用电规律和太阳日照时间不相四.负载类型

•

均衡性负载：是指每天工作时间都相同的负载, 对于耗电量月平均变化不超过10%的情况,也

可当作均衡性负载。

•季节性负载：负载耗电量随季节而变化。

•随机性负载：负载耗电量没有一定规律。 •先讨论用于均衡性负载的优化设计

•按使用时间来分,大致可分为：.优化设计步骤1.确定负载耗电量:

•分别列出各种用电负载的耗电功率并乘以每天平均作电压V,通常为12伏的倍数。•由此求出负载每天耗电量:QL

=E/V

单位(Ah/d)使用时间,累计求和,得出负载每天所消耗能量E(Wh)。•根据蓄电池及逆变器等要求,确定太阳电池方阵工2.

计算方阵面上太阳辐照量•先选择某个方阵倾角β,根据当地的气象及地理资料,计算出方阵面上各个月份的太阳辐照量

Ht

(kwh/m

2

⋅d)。注意:单位换算成

(kwh

/

m2

⋅

d)

后,在数值上

即等于每天的峰值日照时数。各个月份的Ht

并不相同,所以对应于某个方阵倾角β

,有12个数值,其中最小的为Htmin

,取平

均值为Ht

。Imax

H

t

⋅min

⋅η1

⋅η2其中:η1是从方阵到蓄电池充电回路的效率;η2是从蓄电池到负载放电回路的效率。3.算出各月发电盈亏量

•方阵输出的最小电流为：

为了满足负载耗电量的要求

方阵最佳工作电流应在两者之间,任选一电流I

,只要满足：Imax

≥

I

≥

Imin•方阵输出的最大电流为：H

t

⋅η1

⋅η2

QL

I

=LminQQ=

其中N为当月天数,Ht为该月太阳辐照量。

从而得到各月发电盈亏量：

Δ

Q

=

Q

a

−

Q

c

方阵各月发电量为：

Qa

=N

⋅I

⋅Ht

⋅η1

⋅η2如果得到的△Q

为负值,表示该月方阵发电量不足,需要由蓄电池提供部分储存的容量。

而负载各月耗电量为：

Q

c

=

N

⋅

Q

L4.确定累计亏欠量•以两年为单位,列出各月发电盈亏量。•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

∣。•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。•根据当地连阴雨天数等情况,指定一个蓄电池维持天数n

,一般取n

=3~7天。•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

∑

−

ΔQiL∑−

ΔQi

代入下式:决定方阵输出电流

出电流I

m。•将累计亏欠量5.n

=Q16.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。B

∑−

ΔQi=

(DOD)⋅η2式中(DOD)为蓄电池的放电深度通常取：(DOD)=0.3~0.8•光伏方阵容量为P

=

k

·

I

m

·

(V

b

+

V

d

)其中：k为安全系数；Vb为蓄电池充电电压；V

d

为防反充二极管及线路等压降。7.得出蓄电池及方阵容量•蓄电池容量为：

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。输入纬度、倾角、

H、Hb估算方阵电流最大值、最小值改变I(I

m

in<I<I

m

a

x)Q

a

、Q

c

、Δ

Q确定累计亏欠量判断是否确定蓄电池及方阵容

量|n1-n|<0.1Y开始最佳倾角NNY

•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•负载耗电量：Q

L

=

=

15

(

Ah

/

d

)•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

=11.52A

Imin

=5.

176A实例分析是多少?•

•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ΔQ

。

.具体数值见下表：月份HtQaQcQa-

Qc 13.3467462.19465-2.805724.1618519.1442099.137 34.4364612.69465147.6944.2092561.76450111.7654.1050566.92465101.9263.8124509.5345059.52873.4893481.8846516.88483.6602505.4946540.48894.2056562.08450112.08104.0399557.9346592.925113.3169443.31450-6.6901

123.9347405.30465-59.701代入公式：n1

=

=4.6131,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：∑

−

ΔQi

L与要求的维持天数5天相比要小。•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：∑

−

ΔQi

=

69.196AhQ月份HtQaQcQa-

Qc13.3467453.79465-11.20924.1618509.7042089.699 34.4364601.55465136.5544.2092551.55450101.5554.1050556.6146591.61363.8124500.2645050.26373.4893473.124658.122583.6602496.3046531.29794.2056551.86450101.86104.0399547.7846582.781113.3169435.25450-14.75

123.9347397.93465-67.07•由表中可见,当年11~12月和次年1月还都是亏欠量,这是一个连续亏欠期。总亏欠•由此求出n1

=6.2019,与要求的维持天数n=5天相比要大。因此应该再增加方阵电流,再取I=5.47565A,重复以上步骤,得到的结果如下表：

量为93.029Ah

。月份HtQaQcQa-

Qc13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.839 34.4364609.98465144.98 44.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.59450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528

123.9347403.51465-61.495•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-

Qc13.3480460.33465-4.669924.1466514.9642094.958 34.3920603.98465138.98 44.1324549.8545099.84654.0143551.9446586.94163.7220495.2445045.24373.4128469.244654.241683.5917493.8446528.83194.1526552.54450102.54104.0174552.3746587.386113.3153441.13450-8.8727

122.9386404.04465-60.959

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•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,该角度即为最月份HtQaQcQa-

Qc13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.762 34.3920603.75465138.75 44.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411

122.9386403.89465-61.113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：

βpot

=620结果得到蓄电池容量为：B=104.18Ah太阳电池方阵容量为：P=95.05W•

•

••

六.光控太阳能照明系统的优化设计•光控照明系统的特点是以自然光线的强弱来决定

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。

负载工作时间长短的。天黑开灯,天亮关灯。每天 长,所以此类光控照明系统在太阳能光伏电源应用

•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：

t

=24−2/15cos−1

(tanϕ

⋅tan

δ)

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)

：哈尔滨地区(ϕ

=20.030)

：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。

式中：ϕ

为当地纬度,δ为太阳赤纬δ=23.45)时，t=10.1h

；δ=-23.45)时，t=13.2h。夏至(6月21日冬至(12月21日•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

负载耗电量应为：Qi

=(t

−1)⋅i各月耗电量则为：

Qc

=

N

⋅

Qi

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。定每天工作时间t

,才能求得各天的耗电量：

Qi

=

(t

−

1)

⋅

i

仍以上面的实例来进行分析：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

量不一样。所以一开始不是统计确定每天的耗电量QL

。而是先得出工作电流i

,然后根据上述方法确具功率为30W

,工作电压为12伏,蓄电池维持天

方阵倾角是多少?

再应用公式：

t

=24−2/15cos−1

(tanϕ

⋅tan

δ)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：

首先求出负载工作电流：

i

=

=

=

2.5(A)

数取5天。要求太阳电池方阵和蓄电池的容量及为沈阳地区设计一套光控太阳能路灯,灯HtQaQcQa-

Qc

3.34071045.01056.3-11.2694.10441159.6879.36280.283

4.29391343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.39

3.82541196.6671.85524.78

3.53541070.2603.94466.28

7

3.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.89 94.03611221.8805.41416.373.96121239.1941.23297.873.3022999.631001.1-1.433312

2.9377918.931080.5-161.57月份11

206511•太阳电池方阵容量为：P=216.3W•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

•由以上计算最后得出：•太阳电池方阵倾角为：•蓄电池容量为：β=660B=242.5Ah•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。•