家庭光伏发电系统设计

家庭光伏发电系统设计

一、光伏发电简介及原理

(一)简介:理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池效率在16%至17%左右,单晶硅电池的效率约18%至20%。光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成。光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场可提供电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等;三是并网发电,这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年,中国并网发电还未开始全面推广,不过,2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电

提供的。

(二)原理:

二、独立光伏发电系统组成部分和设计要求

目前在独立运行的光伏发电系统中,普遍采用的结构如图1所示,首先利用太

阳能电池来收集太阳能,在经过DC/DC变换器给蓄电池充电,由于蓄电池的电压较低,往往无法满足逆变要求,因此还需要一个升压变压器,将直流电压升高,最后通过逆变器将直流电转化为220V/50Hz的交流电供用户使用。

①电池板的选择:太阳能电池板容量是指平板式太阳能板发电功率Wp。太阳

能发电功率量值取决于负载24h所消耗的电力,由负载额定电源与负载24h所消耗的电力,决定了负载24h消耗的容量P(AH),再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响,计算出太阳能电池阵列工作电流IP(A)。由负载额定电源,选取蓄电池公称电压,由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF(V),再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT(v)及反充二极管P-N结的压降VD

(v)所造成的影响,则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP(V),由太阳能电池阵

列工作电源IP(A)与工作电压VP(v),便可决定平板式太阳能板发电功率,从而设计出太阳能板容量,由设计出的容量Wp与太阳能电池阵列工作电压VP,确定硅电池平板的串联块数与并联组数

②DC/DC变换器的选择:转换效率要高,静态电流要小,可以更省电;输入电压

要低,尽可能利用电池的潜能;噪音要小,对手机的整体电路无干扰;功能集成度要高,提高单位面积的使用效率,使手机设计的更小巧;足够的输出调整能力,电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫。

③蓄电池的选择:独立光伏系统蓄电池的选择过程主要包括三个方面:蓄电池

种类、蓄电池的容量和蓄电池组串并联的确定。蓄电池种类很多,主要有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢电池等。目前,由于产品技术的成熟性和成本等因素,一些小型简单的独立光伏系统中使用镍氢电池,但应用较少;多数的独立光伏系统中使用铅酸蓄电池,应用广泛。蓄电池的容量选择与很多因素有关,主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。独立光伏系统的蓄电池容量,要保证系统在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间内持续正常工作。在光照度低于平均值的情况下,太阳能电池组件产生的电能,不能完全补充每日负载需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺,这样蓄电池就会处于亏电状态。如果在一定时间内光照度始终低于平均值,蓄电池持续放电以供给负载的需要,蓄电池的荷电状态持续下降。但是为了避免蓄电池的损坏,这样的放电过程只能允许持续一定的时间,直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低值,即蓄电池的最大放电深度。这里我们将持续放电时间称为:独立运行天数,即光伏系统在没有任何外来能源的情况下蓄

电池供给负载正常工作的天数。同时,由于铅酸蓄电池的额定容量会随着温度的变化而变化,当蓄电池温度下降时,蓄电池的容量会下降,所以安装地气温对确定蓄电池的容量非常重要。如果安装地的气温较低,实际需要的蓄电池容量就要比常温条件下需要的蓄电池容量大,才能保证在不影响蓄电池使用寿命的情况下满足负

载的用电需求。大多数铅酸蓄电池生产企业一般会提供相关的蓄电池温度一容量修正曲线。在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数。蓄电池容量=(日负载需求*独立运行天数)/(最大放电深度*容量修正系数)。

④逆变器的选择:在光伏系统中,光伏逆变器的指标及参数主要受蓄电池及其负载的影响,为了满足负载要求,逆变器稳态输出电压的变化量不超过额定值的5%,突变输出电压偏差不超过额定值的10%;输出电压波形失真度小,频率稳定,逆变效率较高;且在功能稳定与经济指标之间权衡。