中国大陆地区独立光伏电源系统设计方法

中国大陆地区独立光伏电源系统设计方法经过光伏工作者们坚持不懈的努力， 太阳能电池的生产技术不断得到提高， 并且日益广泛地应用于各个领域。特别是邮电通信方面，由于近年来通信行业的迅猛发展，对通信电源的要求也越来越高， 所以稳定可靠的太阳能电源被广泛使用于通信领域 。而如何根据各地区太阳能辐射条件 ，来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统， 这是 国内众多专家学 者 研究已久 的 课题 ，而且 已有许多卓 越的 研究成果 ， 为我国 光伏 事 业的发展 奠 定 了 坚 实 的 基础 。 但 是这 些 设计 仅考虑了蓄 电池的 自维 持 时间 （即最长连续阴雨天） ，而 没有考虑 到 亏 电 后 的 蓄 电池 最短恢复时间 （即两组最长连续阴雨天之间 的 最短间隔天数） 。这个 问题尤其在我国南 方地区应 引起 高 度重视 ， 因为我国南 方地区 阴雨天 既 长 又 多 ，而对于方 便适 用的 独立 光伏电源系统，由于 没有 应 急 的 其他 电源 保护备 用，所以应 该将此问题纳入 设计 中一起考虑 。本文综合 以 往 各设计方 法 的 优点 ， 结合多 年来 实际从事 光伏电源系统设计工作的经 验 ，引入两组最长连续阴雨天之间 的 最短间隔天数 作 为 设计的 依 据 之一 ， 并 综合考虑了 各 种影响太阳能辐射条件的 因 素 ，提出 了 太阳能电池 、 蓄 电池 容量 的计 算公式及相关 设计方 法 。2 影响 设计的 诸 多因 素太阳 照 在 地面太阳能电池方 阵上 的辐射光的光 谱 、 光 强受 到 大气层厚 度 （即 大气质量 ） 、地 理位置、 所 在 地的 气候和气象、 地 形 地 物等 的 影响 ， 其 能 量 在一 日 、 一 月和 一 年 内 都 有 很大 的 变化 ， 甚至 各年 之间 的 每 年 总 辐射 量 也 有 较大 的 差 别。太阳能电池方 阵 的光电 转换效率 ， 受 到电池 本 身 的 温 度 、 太阳光 强和 蓄 电池电 压浮动 的影响 ，而这 三 者 在一天内 都会 发生 变化 ，所以太阳能电池方 阵 的光电 转换效率 也是 变量 。蓄 电池 组 也是工作 在 浮充 电 状态下 的， 其 电 压随 方 阵 发电 量和负载 用电 量 的 变化 而 变化 。 蓄 电池提 供 的能 量还受环境温 度 的 影响 。太阳能电池 充放 电 控制器 由电 子元器 件 制造 而 成 ， 它 本 身 也 需 要 耗 能，而使用的 元器 件的 性 能 、质量等 也 关 系到 耗 能的 大小 ， 从 而 影响 到 充 电的 效率等 。负载 的用电 情况 ， 也 视 用 途 而定 ， 如通信 中 继站 、 无人气象站等 ， 有 固 定的设 备 耗 电 量 。而 有些 设 备 如 灯塔、航标灯、民 用 照明及 生 活 用电 等 设 备 ，用电 量 是经 常 有 变化 的。因此 ，太阳能电源系统的设计， 需 要 考虑 的 因 素 多 而 复 杂 。特 点 是 ： 所用的 数 据 大 多为以 前 统计的 数 据，各统计 数 据的 测 量 以 及 数 据的 选择 是 重 要的。设计者的 任务 是 ： 在 太阳能电池方 阵 所 处 的 环境 条件 下 （即 现场 的地 理位置、 太阳辐射能 、气候、气象、 地 形和 地 物等 ） ，设计的太阳能电池方 阵及 蓄 电池电源系统既要 讲 究 经济效 益，又要 保 证 系统的高可靠 性 。某 特定地 点 的太阳辐射能 量 数 据 ，以 气象 台 提 供 的 资料 为 依 据 ， 供 设计太阳能电池方 阵用。这 些 气象 数 据 需 取积累几 年 甚至 几十 年的 平均值 。地 球 上 各地区 受 太阳光 照 射 及 辐射能 变化 的 周期 为一天 24h。 处 在 某 一 地区的太阳能电池方 阵 的发电 量 也 有 24h 的 周期 性 的 变化 ， 其 规律与 太阳 照 在该 地区辐射的 变化 规律 相 同 。但 是 天 气 的 变化 将 影响 方 阵 的发电 量 。如 果有 几 天连续阴雨天 ，方 阵 就几乎 不能发电， 只 能靠 蓄 电池来 供 电 ，而 蓄 电池 深 度 放 电 后 又 需 尽快 地 将其 补 充 好 。设计者 多数 以 气象 台 提 供 的太阳 每 天 总 的辐射能 量 或 每 年的日 照 时数 的 平均值 作 为 设计的 主 要 数 据 。 由于 一 个地区各年的 数 据不 相 同 ， 为 可靠 起 见 应 取 近 十 年 内 的 最 小 数 据。根据 负载 的 耗 电 情况 ， 在 日 照和无 日照 时 ， 均 需 用 蓄 电池 供 电。 气象 台 提 供 的太阳能 总 辐射 量 或 总 日 照 时数 对 决 定 蓄 电池的 容量大小 是不可 缺少 的 数 据。对太阳能电池方 阵 而 言 ， 负载 应 包括 系统 中 所 有 耗 电 装 置 （ 除 用电 器 外 还 有蓄 电池 及 线路 、控制器等 ） 的 耗量 。方 阵 的 输 出 功 率 与 组 件 串 并 联 的 数 量 有 关 ， 串联 是 为了 获 得所 需 要的工作电 压 ，并 联 是为了 获 得所 需 要的工作电 流 ， 适 当 数 量 的 组 件经过 串 并 联 即组成 所 需 要的太阳能电池方 阵 。3 蓄 电池 组 容量 设计太阳能电池电源系统的 储 能 装 置 主 要是 蓄 电池 。 与 太阳能电池方 阵 配套 的 蓄 电池通 常 工作 在 浮充状态下 ， 其 电 压随 方 阵 发电 量和负载 用电 量 的 变化 而 变化 。 它 的 容量 比 负载 所 需 的电 量大 得 多 。 蓄 电池提 供 的能 量还受环境温 度 的 影响 。 为了 与 太阳能电池 匹配 ，要求 蓄 电池工作 寿命 长 且 维护 简单 。（ 1）蓄 电池的 选 用能 够 和 太阳能电池 配套 使用的 蓄 电池 种 类 很 多 ， 目前 广泛 采 用的 有 铅酸免 维护蓄 电池 、普 通 铅酸 蓄 电池 和 碱 性 镍镉 蓄 电池 三种 。 国内 目前主 要使用 铅酸免 维护蓄 电池， 因为其 固 有的 “ 免 ” 维护 特 性及 对 环境较 少污染 的特 点 ， 很 适合 用于 性 能可靠的太阳能电源系统，特别是无人 值守 的工作 站 。 普 通 铅酸 蓄 电池由于 需 要经 常 维护 及 其 环境 污染 较大 ， 所以 主 要 适 于 有维护 能力 或低档场 合 使用。 碱 性 镍镉 蓄 电池 虽然 有 较 好 的 低 温、 过 充、 过 放性 能， 但 由于 其价格 较 高， 仅适 用于 较 为 特 殊 的 场 合 。（ 2）蓄 电池 组 容量 的计 算蓄 电池的 容量 对 保 证 连续 供 电是 很 重 要的。 在一 年 内 ，方 阵 发电 量 各 月 份 有 很大差 别。方 阵 的发电 量 在 不能 满足 用电 需 要的 月 份 ，要靠 蓄 电池的电能 给 以 补足 ； 在 超 过用电 需 要的月 份 ，是靠 蓄 电池 将多 余 的电能 储 存 起 来。所以方 阵 发电 量 的不 足 和 过 剩 值 ，是 确 定 蓄 电池容量 的 依 据 之一 。 同 样 ， 连续阴雨天 期 间 的 负载 用电也 必须 从蓄 电池 取 得。所以，这 期 间 的耗 电 量 也是 确 定 蓄 电池 容量 的 因 素 之一 。因此 ， 蓄 电池的 容量 BC 计 算公式 为 ：BC=A × QL× NL × TO ／ CCAh(1) 式 中 ： A 为 安全 系 数 ， 取 1.1～ 1.4 之间 ；QL 为 负载 日 平均 耗 电 量 ， 为 工作电 流 乘 以日工作 小 时数 ；NL 为最长连续阴雨天数 ；TO 为 温 度 修正 系 数 ， 一 般 在 0℃ 以 上 取 1， － 10℃ 以 上 取 1.1， － 10℃ 以 下 取 1.2；CC 为蓄 电池 放 电 深 度 ， 一 般 铅酸 蓄 电池 取 0.75， 碱 性 镍镉 蓄 电池 取 0.85。4 太阳能电池方 阵 设计（ 1） 太阳能电池 组 件 串联 数 Ns 将 太阳能电池 组 件 按 一 定 数 目串联 起 来， 就 可 获 得所 需 要的工作电 压 ， 但 是，太阳能电池 组件的 串联 数 必须 适 当 。 串联 数 太 少 ， 串联 电 压 低 于 蓄 电池 浮充 电 压 ，方 阵 就 不能对 蓄 电池 充电。如 果 串联 数 太 多 使 输 出电 压 远 高于 浮充 电 压 时 ， 充 电电 流 也不 会 有 明 显 的 增加 。 因此 ，只 有 当 太阳能电池 组 件的 串联 电 压等 于 合适 的 浮充 电 压 时 ， 才 能 达 到 最 佳 的 充 电 状态 。计 算 方 法 如 下 ：Ns=UR/Uoc= （ Uf ＋ UD ＋ Uc） /Uoc （ 2）式 中 ： UR 为 太阳能电池方 阵 输 出 最 小 电 压 ；Uoc 为 太阳能电池 组 件的 最 佳 工作电 压 ；Uf 为蓄 电池 浮充 电 压 ；UD 为 二极管 压 降 ， 一 般 取 0.7V；UC 为其 它 因数引起 的 压 降 。表 1 我国 主 要 城市 的辐射 参 数 表城市 纬度 Φ 日辐射量 Ht 最佳倾角 Φ op 斜面日辐射量 修正系数 Kop 哈尔滨 45.68 12703 Φ ＋ 3 15838 1.1400 长春 43.90 13572 Φ ＋ 1 17127 1.1548 沈阳 41.77 13793 Φ ＋ 1 16563 1.0671 北京 39.80 15261 Φ ＋ 4 18035 1.0976 天津 39.10 14356 Φ ＋ 5 16722 1.0692 呼和浩特 40.78 16574 Φ ＋ 3 20075 1.1468 太原 37.78 15061 Φ ＋ 5 17394 1.1005 乌鲁木齐 43.78 14464 Φ ＋ 12 16594 1.0092 西宁 36.75 16777 Φ ＋ 1 19617 1.1360 兰州 36.05 14966 Φ ＋ 8 15842 0.9489 银川 38.48 16553 Φ ＋ 2 19615 1.1559 西安 34.30 12781 Φ ＋ 14 12952 0.9275 上海 31.17 12760 Φ ＋ 3 13691 0.9900 南京 32.00 13099 Φ ＋ 5 14207 1.0249 合肥 31.85 12525 Φ ＋ 9 13299 0.9988 杭州 30.23 11668 Φ ＋ 3 12372 0.9362 南昌 28.67 13094 Φ ＋ 2 13714 0.8640 福州 26.08 12001 Φ ＋ 4 12451 0.8978 济南 36.68 14043 Φ ＋ 6 15994 1.0630 郑州 34.72 13332 Φ ＋ 7 14558 1.0476 武汉 30.63 13201 Φ ＋ 7 13707 0.9036 长沙 28.20 11377 Φ ＋ 6 11589 0.8028 广州 23.13 12110 Φ － 7 12702 0.8850 海口 20.03 13835 Φ ＋ 12 13510 0.8761 南宁 22.82 12515 Φ ＋ 5 12734 0.8231 成都 30.67 10392 Φ ＋ 2 10304 0.7553 贵阳 26.58 10327 Φ ＋ 8 10235 0.8135 昆明 25.02 14194 Φ － 8 15333 0.9216 拉萨 29.70 21301 Φ － 8 24151 1.0964 蓄 电池的 浮充 电 压和 所 选 的 蓄 电池 参 数有 关 ， 应 等 于 在最 低 温 度 下 所 选 蓄 电池 单 体 的 最 大 工作电 压 乘 以 串联 的电池 数 。（ 2） 太阳能电池 组 件并 联 数 Np 在 确 定 NP 之 前 ， 我 们 先确 定 其 相关量 的计 算 方 法 。① 将 太阳能电池方 阵 安 装 地 点 的太阳能日辐射 量 Ht， 转换 成在 标 准 光 强下 的 平均 日辐射 时数 H（ 日辐射 量 参 见 表 1） ：H=Ht × 2.778／ 10000h（ 3）式 中 ： 2.778／ 10000（ h· m2/kJ）为将 日辐射 量换算 为 标 准 光 强 （ 1000W/m2 ） 下 的 平均 日辐射 时数 的系 数 。② 太阳能电池 组 件日发电 量 Qp Qp=Ioc × H× Kop× CzAh(4) 式 中 ： Ioc 为 太阳能电池 组 件 最 佳 工作电 流；Kop 为 斜 面 修正 系 数（ 参 照 表 1） ；Cz 为 修正 系 数 ， 主 要 为组合 、 衰减 、 灰尘 、充 电 效率等 的 损失 ， 一 般 取 0.8。③ 两组最长连续阴雨天之间 的 最短间隔天数 Nw ， 此数 据 为本 设计 之独 特 之 处 ， 主 要 考虑 要在此 段 时间内将亏 损 的 蓄 电池电 量 补 充 起 来， 需 补 充 的 蓄 电池 容量 Bcb 为 ：Bcb=A × QL × NLAh(5) ④ 太阳能电池 组 件并 联 数 Np 的计 算 方 法为 ：Np= （ Bcb＋ Nw × QL） /（ Qp× Nw ） (6) 式 （ 6） 的 表达意 为 ： 并 联 的太阳能电池 组组数 ， 在两组连续阴雨天之间 的 最短间隔天数内所发电 量 ，不 仅 供负载 使用， 还需 补足 蓄 电池 在最长连续阴雨天内 所 亏 损 电 量 。(3) 太阳能电池方 阵 的 功 率 计 算根据太阳能电池 组 件的 串 并 联 数 ， 即 可得出所 需 太阳能电池方 阵 的 功 率 P：P=Po× Ns× NpW （ 7）式 中 ： Po 为 太阳能电池 组 件的 额 定 功 率 。5 设计 实 例以广 州 某 地面 卫星接收 站 为 例 ， 负载 电 压 为 12V， 功 率 为 25W， 每 天 工作 24h， 最长连续阴雨天为 15d， 两最长连续阴雨天最短间隔天数为 30d，太阳能电池 采 用 云 南 半导体 器 件 厂 生产的 38D975 × 400 型 组 件， 组 件 标 准 功 率 为 38W，工作电 压 17.1V ，工作电 流 2.22A ， 蓄 电池 采 用 铅酸免 维护蓄 电池， 浮充 电 压 为（ 14± 1） V 。 其 水 平 面太阳辐射 数 据 参 照 表 1， 其 水平 面的年 平均 日辐射 量 为 12110（ kJ/m2） ， Kop 值 为 0.885， 最 佳倾角 为 16.13° ，计 算 太阳能电池方 阵 功 率及 蓄 电池 容量 。（ 1）蓄 电池 容量 Bc Bc=A × QL× NL × To/CC =1.2× （ 25/12)× 24× 15× 1/0.75 =1200Ah （ 2） 太阳能电池方 阵 功 率 P 因为 ：Ns=UR/Uoc= （ Uf ＋ UD ＋ UC ） /Uoc =（ 14＋ 0.7＋ 1） /17.1=0.92≈ 1 Qp=Ioc × H× Kop× Cz =2.22× 12110× （ 2.778/10000） × 0.885× 0.8 ≈ 5.29Ah Bcb=A × QL × NL =1.2× (25/12)× 24× 15=900Ah QL=(25/12) × 24=50Ah Np= （ Bcb＋ Nw × QL） /(Qp × Nw ）=(900＋ 30× 50)/(5.29× 30)≈ 15 故 太阳能电池方 阵 功 率 为 ：P=Po× Ns× Np=38 × 1× 15=570W （ 3） 计 算 结果该 地面 卫星接收 站需 太阳能电池方 阵 功 率 为 570W， 蓄 电池 容量 为 1200Ah。