独立光伏系统容量计算

独立光伏系统容量计算太阳能电池组件设计的基本原理太阳能电池组件设计的主要原则是满足负载的每日用电需求，当设计的太阳能电池组件输出等于全年负载需求的平均值时，太阳能电池组件将提供负载所需要的所有能量，但这意味着每年将有近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间处于亏电状态将使蓄电池的极板硫酸盐化。而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大影响，使整个系统的运行费用也将大幅度增加。所以在计算系统容量过程中要以该地方光照最恶劣季节里的负载需求来计算，也就是保证在光照最差的情况下蓄电池也能够完全的充满电，这样蓄电池全年可达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命减少维护费用。太阳能电池组件配置计算—、基本公式计算太阳能电池组件数量的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳能电池组件在一天中可以产生的能量即组件日输出（安时数） ，这样就可以算出系统需要并联的太阳能电池组件数，其中组件日输出的计算为太阳能光伏组件最大工作点电流（安）乘以每日太阳辐照最小时数（小时） ，使用这些组件并联可以产生系统负载所需要的电流。用系统的标称电压除以太阳能组件的标称电压，就可以得到需要串联的太阳能组件数，使用这些太阳能电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本公式如下：并联的组件数量= h日 平 均 负 载 （ A）组 件 日 输 出 （ ）组件日输出（Ah）=组件最大工作点电流(A) 日辐射最小时数(h)=串 联 组 件 数 量 系 统 电 压 （ V）组 件 电 压 （ ）二、修正太阳能电池的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳能电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正：a. 将太阳能电池组件输出降低 10% 在实际工作情况下，太阳能电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低，如泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变等。通常的做法就是在计算的时候减少太阳能电池组件的输出的 10%来解决上述不可预知和不可量化的因素。b. 将负载增加 10%以应付蓄电池的库伦效应 在蓄电池的充放电过程中，蓄电池会电解水产生气体逸出，太阳能电池组件产生的电流中将有 5%—10%的部分不能转化储存起来而是耗散掉，我们用蓄电池的库伦效率来评估这种电流损失。所以保守设计中有必要将太阳能电池组件的功率增加 10%以抵消蓄电池的耗散损失。修正后公式如下：并联组件数量= h  日 平 均 负 载 （ A）库 伦 效 率 组 件 日 输 出 （ ） 衰 减 因 子组件日输出（Ah）=组件最大工作点电流(A) 日辐射最小时数(h)串联组件数量= v系 统 电 压 （ ）组 件 电 压 （ ）例题 1 某家庭需要使用独立光伏系统提供电源，工作电压为 24V，负载有 200W 用电器每日工作 3 小时，8W 高亮度 LED 灯每天工作 6 小时。现选用规格为 12V 75W 的光伏组件，最大工作点电流为 4.35A，该地区在 12 月的辐照时数最少，为 3.6h。计算所需太阳能组件的串并联数量？解：日负载 200W 3h+8W 6h=648Wh648Wh 24V=27Ah组件日输出 4.35A 3.6h=15.66Ah库伦效率 0.9衰减因子 0.9并联组件数量 =2.128 保守设计取 327h0.91560.9（ A）（ ）串联组件数量 24V 12V=2所以并联组件数量为 3，串联组件数量为 2，所需太阳能电池组件数量为总的太阳能组件数=2 串 3 并=6 块蓄电池容量设计基本原理蓄电池容量设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作，为了避免连续阴雨天气时蓄电池长期处于欠压状态，在蓄电池容量设计时需要引入一个不可缺少的参数--自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。一般来说自给参数的确定与两个因素有关：一，负载对电源的要求；二，安装地点的最大连续阴雨天数。一般情况下可以将安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计的自给天数。对于负载对电源要求不是很严格的光伏系统，我们在设计中常取自给天数为 3—5 天；对于负载对电源要求很严格的光伏系统，我们在设计中常取自给天数为 7—14 天。所谓负载不严格的光伏应用系统通常指用户可以稍微调节一下负载需求从而适应恶劣天气带来的不便，而严格系统指负载用电比较重要，如通信、导航、医院、诊所等。此外还要考虑安装地点，如果在很偏远的地方必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员到达现场需要花费很长时间。蓄电池容量计算—、基本公式将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量，再除以蓄电池的允许最大放电深度即可得到所需的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中使用的蓄电池的性能参数，通常情况下，深循环型蓄电池推荐使用 80%的放电深度（DOD） ；浅循环型蓄电池推荐使用 50%的放电深度（DOD） 。基本公式如下：所需蓄电池总容量= 自 给 天 数 日 平 均 负 载最 大 放 电 深 度每个蓄电池都有它的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。当蓄电池总容量大于单个蓄电池容量时，我们需要将单个蓄电池并联起来组成总容量。公式如下：串联蓄电池数量= 负 载 标 称 电 压蓄 电 池 标 称 电 压并联蓄电池数量= 所 需 蓄 电 池 总 容 量单 个 蓄 电 池 容 量二、修正对于铅酸蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的与两个重要因素有关：蓄电池的放电率和环境温度。a. 放电率对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随放电率的降低（即蓄电池放电时间变长）而相应增加。在蓄电池匹配计算中我们常用到平均放电率这一参数。公式如下：平均放电率（小时）= 自 给 天 数 负 载 工 作 时 间最 大 放 电 深 度对于多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间。公式如下：加权平均负载工作时间= 负 载 功 率 负 载 工 作 时 间负 载 功 率根据上面两式就可以算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。b. 温度对蓄电池容量的影响。（1）蓄电池的容量随温度的下降而下降。通常，铅酸蓄电池容量是在 25℃时标定的，随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的 90%,而在-20℃的时候大约下降到额定容量的 80%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度-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。如图一是一个典型的温度-放电率-容量变化曲线。（2）蓄电池的最大放电深度受低温的影响。在寒冷气候条件下，如果蓄电池放电过多，电解液凝结点上升，电解液就可能凝结，以致损坏蓄电池。如图二给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度与蓄电池温度的关系。修正后公式如下：蓄电池容量= 自 给 天 数 日 平 均 负 载最 大 允 许 放 电 深 度 温 度 修 正 因 子图一 图二例题二 建立一套光伏供电系统给一个地处偏远的通讯站供电，系统的工作电压为 24V，负载有三个：负载一，工作电流为 2A，每天工作 8h；负载二，工作电流为 5A,每天工作10h；负载三，工作电流为 10A，每天工作 2h。该地区 24 小时平均最低温度为-2 0℃，日光照辐射最小时数为 4h，系统的自给时间为 7 天，选取规格为 12V 75W 的太阳能光伏组件，最大工作点电流为 4.35A；选取规格为 12V 100Ah 的蓄电池。计算所需要太阳能光伏组件数和蓄电池个数？解： 因为系统所在地区 24 小时平均最低温度为-20℃，所以必须修正蓄电池的最大放电深度，如图二可知最大放电深度为 50%，所以加权平均负载工作时间= =5.06h2A8h+510A2h平均放电率= =70.8（小时率） 7d5.06根据图一与平均放电率计算数值最为接近的放电率为 50 小时率，在-20℃时在该放电率下对应的温度修正因子为 0.7（也可以根据供应商提供的性能表进行查询） 。如果计算出的放电在两个数据之间选择数值较小的放电率（短时间）比较保守可靠。因此蓄电池容量为：蓄电池总容量= =1720Ah7dhh0.57（ 2A8+1A2）由于所选蓄电池规格为 12V 100 Ah 所以蓄电池并联数量=1720 Ah 100 Ah=17.2 取 18蓄电池串联数量=24V 12V=2所以蓄电池总数量为 蓄电池总数量=2 串 18 并=36 块日负载=2A 8h+5A 10h+10A 2h=86 Ah组件日输出 = 4.35A 4h=17.4Ah库伦效率 = 0.9衰减因子 = 0.9并联组件数量= =6.10 取 7h0.91740.986（ A）（ ）串联组件数量=24V 12V=2所以太阳能光伏组件总数量为 组件总数量=2 串 7 并=14 块附表一地区 峰值光照时数（小时） 纬度/Φ（°） 最佳倾角(°)哈尔滨 4.3997964 45.68 Φ+3长春 4.7578806 43.90 Φ+1沈阳 4.6012014 41.77 Φ+1北京 5.010123 39.80 Φ+4天津 4.6453716 39.10 Φ+5呼和浩特 5.576835 40.78 Φ+3太原 4.8320532 37.78 Φ+5乌鲁木齐 4.6098132 43.78 Φ+12西宁 5.4496026 36.75 Φ+1兰州 4.4009076 36.05 Φ+8银川 5.449047 38.48 Φ+2西安 3.5980656 34.30 Φ+14上海 3.8033598 31.17 Φ+3南京 3.9467046 32.00 Φ+5合肥 3.6944622 31.85 Φ+9杭州 3.4369416 30.23 Φ+3南昌 3.8097492 28.67 Φ+2福州 3.4588878 26.08 Φ+4济南 4.4431332 36.68 Φ+6郑州 4.0442124 34.72 Φ+7武汉 3.8078046 30.63 Φ+7长沙 3.2194242 28.20 Φ+6广州 3.5286156 23.13 Φ-7海口 3.753078 20.03 Φ+12南宁 3.5375052 22.82 Φ+5成都 2.8624512 30.67 Φ+2贵阳 2.843283 26.58 Φ+8昆明 4.2595074 25.02 Φ-8拉萨 6.7091478 29.70 Φ-8