电力案例五(太阳能)

电力案例五：

太阳能光伏发电系统设计计算

作者：李华芳前言

太阳能光伏发电是目前发展最快、最具潜力的新能源利用方式之一，太阳能光伏发电系统又分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两种类型，两者在设计过程中考虑的因素有所不同，从而设计计算也有一定区别。其中独立光伏发电系统的设计计算独具特色，本文以2kW独立光伏发电系统和200kW并网光伏发电系统的设计为例，简单介绍光伏发电系统的设计计算。

1．独立太阳能光伏发电系统的结构及设计

1. 独立太阳能光伏发电系统结构框图

独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。从电力系统来说，kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。

独立光伏发电系统由太阳能电池方阵、防反充二极管、控制器、逆变器、蓄电池组以及支架和输配电设备等部分构成。

太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。防反充二极管也称为“阻塞二极管”或“隔离二极管”。其功能是利用二极管的单向导电性，防止无日照时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。

直流或交流负载通过开关与控制器连接。控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载；当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。在交流光伏发电系统中，DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。

2．独立光伏发电系统设计框图

其中最重要的是光伏发电系统的容量设计，它根据当地的太阳能辐照资源和使用要求，确定必要的太阳能电池方阵和蓄电池的规模容量及方阵最佳倾角，这也是本文讨论的重点。

3．独立光发电系统容量设计框图

4．光伏系统优化设计的目标是优化太阳能电池方阵容量和蓄电池组容量的相互关系，在保证光伏发电系统可靠工作的前提下，达到成本最低。在现阶段,太阳能电池的价格还较高,设计光伏系统同时应当根据负载的要求,对当地的太阳能辐照资源、地理及气象数据有尽量详细的了解，一般要求

掌握日平均太阳辐照量、月平均太阳辐照量和连续阴雨天数等,依照能量平衡的原则,综合考虑各种因素。

光伏系统优化设计的原则是在充分满足用户负载用电需要的前提下，尽量减少太阳电池方阵和蓄电池的容量，以达到可靠性和经济性的最佳结合，避免盲目追求低成本或高可靠性的倾向。容量设计的主要内容是确定太阳能电池方阵和蓄电池的容量，以及确定光伏方阵的倾角。

设计实例1：独立光伏发电系统

以西安地区某农户家庭为例,设计一套家用独立光伏发电系统,家用电器日耗电量2000W ·h ，蓄电池维持天数为5天，蓄电池电压为48V 。要求太阳电池方阵和蓄电池容量及方阵倾角是多少？ 设计步骤如下：

负载平均日耗电量为：

（5-

1）

根据附表1推荐，先取方阵倾角β=48°，根据太阳辐射相关章节知识，算出各月份方阵面上的各月月平均日太阳辐照量H t ，可得全年太阳辐

照量 ，并找出12月份时为最小的太阳辐照量

。 考虑到此值是基于标准晴空大气透明度指数计算出的，实际遇到阴雨天时太阳辐照量会减少，若每月平均有80%的天气是晴天，则可确定太阳能电池方阵输出的最小电流和最大电流分别为：

（5-

d

h A V

d

h W Q L /7.4148/2000⋅=⋅=

)/(757.42d m h kW H t ⋅⋅=)/(248.42min d m h kW H t ⋅⋅=A T Q I t L 564.139

.09.08.0757.47

.4121min =⨯⨯⨯==ηη

2）

（5-

3）

式中，η1为从方阵到蓄电池的输入回路效率，通常取0.9。η2为由蓄电池到负载的输出回路效率，取0.9。T t 为该倾斜面上当月平均每天峰值日照时数。

在最大和最小电流值之间任取I=14A 。计算出各月份方阵发电量Q g 为：

（

5-

4）

式中，N 为当月天数；T t 为该月平均日倾斜面上的峰值日照时数。 并计算出各月负载耗电量Q c 为：

（

5-

5）

从而得到各月发电盈亏量：

（5-

6）

如果△Q ＞0,为盈余量,表示该月中系统发电量大于耗电量,方阵所发电能除了满足负载使用外,还有多余电能,可以给蓄电池充电,如果此时蓄电池已充满,则多余的电能通常只能白白浪费,成为无效能量;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。具体数值见表1。

表1 β=48°、I=14A 时各月能量平衡情况

A T Q I t L 16.159

.09.08.0248.47

.4121min max =⨯⨯⨯==ηη21ηηt g NIT Q =c

g Q Q Q -=∆L

c NQ Q =

由表1可见，11月至次年1月都是亏欠的，全年累计亏欠量之和为：

（5-

7）

得：

（

5-

8）

h

A h A Q

i

⋅=⋅---=∆-∑1809928533.41

=∆-=∑L

i

Q Q n

得到的n1与指定的蓄电池维持天数n相比较，若n1＞n,表示所考虑的电流太小，以致亏欠量太大，所以应该增大电流I，重新计算；反之亦然，直到n1≈n,即得出方阵输出电流I m。

计算结果比要求的蓄电池维持天数5要小，表示所取方阵电流大了，因此要减小电流，重新计算。取I=13.75A，同样计算出各月份方阵发电量Q g，列出各月负载耗电量Q c，从而求出各月份的发电盈亏量△Q，具体数值见表2。

表2 β=48°、I=13.75A时各月能量平衡情况