光伏系统设计(20180724100328)

103 4．光伏系统设计本章主要讲述太阳能光伏系统的组成结构和工作原理，并结合实例讲述光伏系统的常见类型、一般设计原理和方法、光伏系统的测试以及性能分析，并描述了太阳能光伏系统的发展趋势。4． 1．光伏系统的组成和原理光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。光伏系统具有以下的特点：- 没有转动部件，不产生噪 音 ；- 没有 空气污染 、不 排 放 废水 ；- 没有 燃烧过程 ，不 需 要 燃料 ；- 维修保养简单 ， 维护费用低 ；- 运行可靠 性、 稳定 性 好 ；- 作 为关键 部件的太阳电池 使用寿命长 ， 晶体硅 太阳电池 寿命可达到 25 年 以 上 ；- 根据需 要 很容易扩大 发电 规模 。光伏系统 应用非 常 广泛 ，光伏系统 应用 的 基 本 形式可 分 为两大 类： 独立 发电系统和并 网 发电系统。 应用 主要 领域 主要 在 太 空航空 器、 通信 系统、 微波中继站 、电 视差转 台 、光伏 水泵 和 无 电 缺 电 地区户用供 电。 随着技术 发展和 世界经济可持续 发展的 需要，发 达 国家已 经 开始 有计 划 地 推 广 城市 光伏并 网 发电，主要 是建 设 户用 屋顶 光伏发电系统和 MW级集 中 型 大 型并 网 发电系统等， 同时 在 交 通 工具和 城市照明 等方 面 大 力 推广 太阳能光伏系统的 应用 。光伏系统的 规模 和 应用形式 各异 ， 如 系统 规模 跨度 很大 ， 小 到 0.3 ～ 2W的太阳能庭院灯 ， 大到 MW级 的太阳能光伏电 站 。 其 应用形式 也多种多样 ， 在 家 用 、 交 通 、 通信 、空 间 应用 等 诸多 领域 都 能 得 到广泛 的 应用 。 尽管 光伏系统 规模大 小 不一， 但 其组成结构和工作原理 基 本 相同 。 图 4-1 是 一 个典 型的 供应 直流负载 的光伏系统 示意图 。其 中包含 了光伏系统 中 的 几个 主要部件：l 光伏组件方 阵 ：由太阳电池组件 （也称 光伏电池组件 ）按照 系统 需 求串 、并 联而PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn104 成， 在 太阳光 照射 下 将 太阳能转 换 成电能 输出 ，它 是 太阳能光伏系统的 核心 部件。l 蓄电池： 将 太阳电池组件产生的电能 储存起来 ， 当 光 照 不 足 或 晚 上 、或 者负载 需求 大 于 太阳电池组件 所 发的电 量时 ， 将储存 的电能 释 放以 满足负载 的能 量 需 求 ，它 是 太阳能光伏系统的 储 能部件。 目前 太阳能光伏系统常 用 的 是铅酸 蓄电池， 对于较高 要 求 的系统， 通 常 采 用 深 放电 阀 控 式 密封铅酸 蓄电池、 深 放电 吸液 式 铅酸蓄电池等。l 控制器：它 对 蓄电池的充、放电 条 件 加 以 规定 和控制，并 按照负载 的电 源 需 求 控制太阳电池组件和蓄电池 对负载 的电能 输出 ， 是 整 个 系统的 核心 控制部分。 随着太阳能光伏产 业 的发展，控制器的 功 能 越 来 越强 大 ，有 将 传 统的控制部分、逆变器以及监测系统 集 成的趋势， 如 AES公司 的 SPP和 SMD系 列 的控制器 就 集 成了 上述三 种 功 能。l 逆变器： 在 太阳能光伏 供 电系统 中 ， 如 果 含 有 交流负载 ， 那么就 要 使用 逆变器设备， 将 太阳电池组件产生的 直流 电或 者 蓄电池 释 放的 直流 电转 化 为 负载 需 要的 交流 电。太阳能光伏 供 电系统的 基 本工作原理 就 是 在 太阳光的 照射 下， 将 太阳电池组件产生的电能 通过 控制器的控制 给 蓄电池充电或 者 在 满足负载 需 求 的 情况 下 直 接给 负载 供电， 如 果日 照 不 足 或 者 在 夜 间 则 由蓄电池 在 控制器的控制下 给 直流负载 供 电， 对于含有 交流负载 的光伏系统 而 言 ， 还 需 要 增加 逆变器 将直流 电转 换 成 交流 电。光伏系统的应用 具有 多种 形式 ， 但是 其 基 本原理 大 同小异 。 对于 其 他 类型的光伏系统 只 是 在 控制机理和系统部件 上根据 实 际 的 需 要有 所 不 同 ，下 面将对 不 同 类型的光伏系统 进 行 详细地 描述。图 4-1 直流负载 的太阳能光伏系统PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn105 4.2. 光伏系统的分类 与介绍一般 将 光伏系统分 为独立 系统、并 网 系统和 混 合系统。 如 果 根据 光伏系统的 应用形式 、 应用规模 和 负载 的类型， 对 光伏 供 电系统 进 行 比 较 细致 的 划 分， 可 将 光伏系统分 为 如 下 六 种 类型： 小 型太阳能 供 电系统 （ Small DC） ； 简单 直流 系统 （ Simple DC） ；大 型太阳能 供 电系统 （ Large DC） ； 交流 、 直流 供 电系统 （ AC/DC） ；并 网 系统 （ Utility Grid Connect ） ； 混 合 供 电系统 （ Hybrid ） ；并 网 混 合系统。下 面 就每 种 系统的工作原理和特点 进 行 说 明 。4.2.1. 小 型太阳能 供 电系统 （ Small DC）该 系统的特点 是 系统 中 只 有 直流负载而 且 负载 功率比 较小 ， 整 个 系统结构 简单 ， 操作 简 便 。其主要 用 途 是 一般的 户用 系统， 负载 为 各种 民 用 的 直流 产 品 以及 相 关 的 娱乐设备。 如 在 我 国 西北边远 地区 就 大 面 积 推 广使用 了 这 种 类型的光伏系统， 负载 为 直流节 能 灯 、 收录 机和电 视 机等， 用 来 解决 无 电 地区 家庭 的 基 本 照明 问题 。图 4-4 简单 直流 的光伏 水泵 系统删除的内容 : PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn106 4.2.2. 简单 直流 系统 （ Simple DC）该 系统的特点 是 系统 负载 为 直流负载而 且 对负载 的 使用 时间 没有特 别 的要 求 ， 负载 主要 是 在 白天 使用 ， 所 以系统 中 没有 使用 蓄电池， 也 不 需 要 使用 控制器。系统结构简单 ， 直 接 使用 太阳能太阳电池组件 给 负载 供 电， 省去 了能 量 在 蓄电池 中 的 储存 和 释放 过程 所 造 成的 损失 ，以及控制器 中 的能 量 损失 ， 提 高 了太阳能的 利 用 效率 。其常 用于 光伏 水泵 系统、一 些白天临 时 设备 用 电和 旅游 设 施 中 。 图 4-4 显 示 的 就 是 一 个 简单直流 的光伏 水泵 系统。 这 种 系统 在 发展 中 国家 的 无 纯净自 来 水供 饮 地区 得 到 了 广泛 的应用 ，产生了 良 好 的 社会效益 。4.2.3. 大 型太阳能 供 电系统 （ Large DC）与 上 述 两 种 光伏系统 相 比 ， 这 种 光伏系统 仍适 用 于直流 电 源 系统， 但是 这 种 太阳能光伏系统的 负载 功率 较 大 ， 为 了 保 证 可靠地 给 负载 提 供稳定 的电力 供应 ，其 相 应 的系统 规模 也较 大 ， 需 要 配 备 较 大 的太阳能太阳电池组件 阵 列 和 较 大 的蓄电池组，常 应用 于 通信 、 遥 测、监测设备电 源 ， 农村 的 集 中供 电 站 ， 航 标 灯 塔 、 路 灯 等 领域 。 我国 在 西 部 地区 实 施 的 “ 光 明 工 程 ” 中 ，一 些 无 电 地区 建 设的部分 乡村 光伏电 站 就 是采用 这 种 形式 ； 中 国 移 动和 中 国联 通 公司 在 偏僻 无 电 网地区 建 设的 通信基站 也采 用 了 这种 光伏系统 供 电。4.2.4. 交流 、 直流 供 电系统 （ AC/DC）与 上 述的三 种 太阳能光伏系统不 同 的 是 ， 这 种 光伏系统能 够 同时 为 直流 和 交流负载 提 供 电力， 在 系统结构 上 比 上 述三 种 系统 多 了逆变器， 用 于将直流 电转 换 为 交流 电以 满足交流负载 的 需 求 。 通 常 这 种 系统的 负载 耗 电 量也 比 较 大 ， 从 而 系统的 规模 也较带格式的 : 项目符号和编号PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn107 大 。 在 一 些 同时 具有 交流 和 直流负载 的 通信基站 和其它一 些 含 有 交 、 直流负载 的光伏电 站中 得 到应用 。4.2.5. 并 网 系统 （ Utility Grid Connected ）这 种 光伏系统 最 大 的特点 就 是 太阳电池组件产生的 直流 电 经过 并 网 逆变器转 换 成符 合 市 电电 网 要 求 的 交流 电 之后 直 接接 入 公 共 电 网 ，并 网 系统 中 光伏方 阵所 产生电力除 了 供 给 交流负载 外 ， 多 余 的电力 反馈 给 电 网 。 在 阴雨 天 或 夜 晚 ，太阳电池组件没有产生电能或 者 产生的电能不能 满足负载 需 求时 就 由电 网供 电。 因 为 直 接 将 电能 输 入 电网 ， 免除配置 蓄电池， 省 掉 了蓄电池 储 能和 释 放的 过程 ， 可 以充分 利 用 光伏方 阵所 发的电力 从 而 减 小 了能 量 的 损 耗 ，并 降 低 了系统的成本。 但是 系统 中需 要 专 用 的并 网 逆变器，以 保 证 输出 的电力 满足 电 网 电力 对 电 压 、 频 率 等电性能 指标 的要 求 。 因 为 逆变器 效率 的 问题 ， 还 是 会 有部分的能 量 损失 。 这 种 系统 通 常能 够 并 行使用 市 电和太阳能太阳电池组件 阵 列 作 为 本 地 交流负载 的电 源 ， 降 低 了 整 个 系统的 负载 缺 电 率 。 而 且 并网 光伏系统 可 以 对 公 用 电 网 起 到 调峰 作 用 。 但 并 网 光伏 供 电系统作 为 一 种 分 散 式 发电系统， 对 传 统的 集 中供 电系统的电 网 会 产生一 些 不 良 的 影响 ， 如 谐 波污染 ， 孤岛 效 应等。4.2.6 ． 混 合 供 电系统 （ Hybrid ）这 种 太阳能光伏系统 中 除 了 使用 太阳能太阳电池组件 阵 列 之外 ， 还 使用 了 燃 油 发电机作 为 备 用 电 源 。 使用 混 合 供 电系统的 目 的 就 是 为 了 综 合 利 用 各种 发电 技术 的 优 点，避免 各 自 的 缺 点。 比 方 说 ， 上 述 几种 独立 光伏系统的 优 点 是 维护 少 ， 缺 点 是 能 量输出PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn108 依赖 于 天 气 ，不 稳定 。 综 合 使用 柴油 发电机和太阳电池组件的 混 合 供 电系统 与 单 一能源 的 独立 系统 相 比 所 提 供 的能 源 对 天 气 的 依赖 性要 小 ，它的 优 点 是 ：2 使用 混 合 供 电系统 可 以 达到可 再 生能 源 的 更 好 利 用 。 因 为可 再 生能 源 是 变 化 的，不 稳定 的， 所 以系统 必须 按照 能 量 产生 最少 的 时 期 进 行 设计。由 于 系统 是按照 最差 的 情况进 行 设计， 所 以 在 其 他 的 时间 ，系统的 容 量 过大 。 在 太阳 辐 照 最 高 峰 时期 产生的 多 余 能 量 没法 使用 而 白白 浪 费 了。 整 个 独立 系统的性能 就 因此 而 降 低 。如 果 最 差 月份 的 情况 和其 他 月份 差 别 很大 ，有 可 能 导 致 浪 费 的能 量 等 于 甚至超 过设计 负载 的 需 求 。2 具有 较高 的系统实 用 性。 在独立 系统 中 因 为可 再 生能 源 的变 化 和不 稳定 会 导 致 系统 出 现 供 电不能 满足负载 需 求 的 情况 ， 也 就 是存 在 负载 缺 电 情况 ， 使用 混 合系统则会 大大地 降 低 负载 缺 电 率 。2 和 单用 柴油 发电机的系统 相 比 ，具有 较 少 的 维护 和 使用 较 少 的 燃料 。2 较高 的 燃 油 效率 。 在低 负 荷 的 情况 下， 柴油 机的 燃 油 利 用 率 很低 ， 会造 成 燃 油 的浪 费 。 在 混 合系统 中可 以 进 行 综 合控制 使 得 柴油 机 在 额 定 功率 附近 工作， 从 而 提高 燃 油 效率 。2 负载 匹配更佳 。 使用 混 合系统 之后 ， 因 为 柴油 发电机 可 以 即 时 提 供 较 大 的 功率 ，所 以 混 合系统 可 以 适 用 于 范围更 加 广泛 的 负载 系统，例 如 可 以 使用 较 大 的 交流负载 ， 冲击 载 荷 等。 还 可 以 更 好 的 匹配 负载 和系统的发电， 只 要 在 负载 的 高 峰 时 期打 开 备 用 能 源 即 可简单 的 办 到 。有 时 候 ， 负载 的 大 小 决 定 了 需 要 使用 混 合系统，大 的 负载 需 要 很大 的电 流 和 很 高 的电 压 。 如 果只 是 使用 太阳能成本 就会 很 高 。但 混 合系统 也 有其 自 身 的 缺 点：2 控制 比 较 复杂 。 因 为使用 了 多种 能 源 ， 所 以系统 需 要监控 每 种 能 源 的工作 情况 ，处 理 各个 子能 源 系统 之 间 的 相 互影响 、 协调 整 个 系统的 运 作， 这 样 就 导 致 其控制系统 比 独立 系统 复杂 ， 现 在 多 使用微 处 理 芯片 进 行 系统 管 理。2 初期 工 程 较 大 。 混 合系统的设计， 安装 ， 施 工工 程 都 比 独立 工 程 要 大 。2 比 独立 系统 需 要 更 多 的 维护 。 油 机的 使用需 要 很 多 的 维护 工作， 比 如 更 换 机 油滤清 器， 燃 油滤 清 器， 火花塞 等， 还 需 要 给 油 箱添 加 燃 油 等。2 污染 和噪 音 。光伏系统 是 无 噪 音 、 无排 放的 洁 净 能 源利 用 ， 但是 因 为 混 合系统 中使用 了 柴油 机， 这 样 就 不 可 避免 地 产生噪 音 和 污染 。很 多 在 偏 远 无 电 地区 的 通信 电 源 和 民 航 导 航 设备电 源 ， 因 为 对 电 源 的要 求 很 高 ，PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn109 都采 用 混 合系统 供 电，以 求 达到 最 好 的性 价 比 。 我 国 新疆 、 云南 建 设的 很 多 乡村 光伏电 站 就 是采 用 光 / 柴 混 合系统。4.2.7 ．并 网 混 合 供 电系统 （ Hybrid ）随着 太阳能光伏产 业 的发展， 出 现 了 可 以 综 合 利 用 太阳能光伏 阵 列 、 市 电和备 用油 机的并 网 混 合 供 电系统。 这 种 系统 通 常 是 控制器和逆变器 集 成一 体 化 ， 使用 电 脑 芯片 全 面 控制 整 个 系统的 运行 ， 综 合 利 用 各种 能 源 ， 达到 最佳 的工作 状态 ，并 可 以 配 备使用 蓄电池。 进 一 步 提 高 系统的 负载 供 电 保 障 率 ，例 如 AES的 SMD逆变器系统。 该 系统 可 以 为 本 地 负载 提 供 合 格 的电 源 ，并 可 以作 为 一 个 在 线 UPS（ 不 间 断 电 源 ） 工作。它 可 向 电 网供 电， 也 可 从 电 网 获 得 电力， 是个 双向 逆变 / 控制器。系统工作方 式 是将市电和光伏电 源 并 行 工作， 对于 本 地 负载而 言 ， 如 果 太阳电池组件产生的电能 足 够 负载使用 ，它 将直 接 使用 太阳电池组件产生的电能 供 给 负载 的 需 求 。 如 果 太阳电池组件产生的电能 超 过 即 时负载 的 需 求 还 能 将多 余 的电能 返回 给 电 网 ； 如 果 太阳电池组件产生的电能不 够 用 ， 则 将 自 动 启 用 市 电， 使用 市 电 供 给 本 地 负载 的 需 求 ； 而 且 ， 当 本 地 负载 功 耗 小于 SMD逆变器 额 定 市 电 容 量 的 60％ 时 ， 市 电 就会自 动 给 蓄电池充电， 保 证 蓄电池 长 期处 于 浮 充 状态 ； 如 果 市 电产生 故障 ， 即 市 电 停 电或 者市 电的 供 电 品 质 不合 格 ，系统 就会自 动 断 开市 电，转成 独立 工作 模式 ，由蓄电池和逆变器 提 供 负载所 需 的 交流电能。一 旦 市 电 恢 复 正 常， 即 电 压 和 频 率 都 恢 复 到 正 常 状态 以 内 ，系统 就会 断 开 蓄电池， 改 为 并 网模式 工作，由 市 电 供 电。有的并 网 混 合 供 电系统 中 还 可 以 将 系统监控、控制和 数 据 采集 功 能 集 成 到 控制 芯片 中 。4.3. 太阳能光伏系统的特点太阳能光伏发电系统 自 身 具有其 独 特的特点：① 无 枯竭危险 ；② 绝 对 干 净 （ 无污染 ， 除 蓄电池 外 ） ；③ 不 受资 源 分 布 地域 的 限 制；④ 可在用 电 处 就 近 发电；⑤ 能 源 质 量高 ；⑥ 使用 者 从 感 情 上容易 接 受 ；⑦ 获取 能 源 花 费 的 时间 短 ；PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn110 ⑧ 供 电系统工作 可靠 。不 足 之处 是 ：① 照射 的能 量 分 布 密度小 ；② 获 得 的能 源与 四季 、 昼 夜 及 阴 晴 等 气 象 条 件有 关 ；③ 造 价 比 较高 。以 上 的一 些 特点 决 定 了光伏发电 供 电系统 在应用中 有 着 其 独 有的优 势和 相 关 的制 约 。4.4. 光伏系统的 容 量 设计光伏系统的设计 包 括 两 个 方 面 ： 容 量 设计和 硬 件设计。光伏系统 容 量 设计的主要 目 的 就 是 要计算 出 系统 在 全 年 内 能 够 可靠 工作 所 需 的太阳电池组件和蓄电池的 数 量 。 同时 要 注 意 协调 系统工作的 最 大可靠 性和系统成本 两 者之 间 的 关 系， 在 满足 系统工作的 最 大可靠 性 基 础 上 尽量 地 减少 系统成本。光伏系统 硬件设计的主要 目 的 是 根据 实 际情况 选择 合 适 的 硬 件设备 包 括 太阳电池组件的 选 型， 支架 设计，逆变器的 选择 ，电 缆 的 选择 ，控制测 量 系统的设计， 防雷 设计和 配 电系统设计等。 在 进 行 系统设计的 时 候 需 要 综 合 考虑 系统的 软 件和 硬 件 两 个 方 面 。针 对 不 同 类型的光伏系统， 软 件设计的 内 容 也 不一 样 。 独立 系统，并 网 系统和 混合系统的设计方法和 考虑重 点 都 会 有 所 不 同 。在 进 行 光伏系统的设计 之 前 ， 需 要了 解 并 获取 一 些进 行 计算和 选择 必 需 的 基 本 数据 ：光伏系统 现 场 的 地 理 位 置 ， 包 括 地 点、 纬 度 、 经 度 和 海拔 ； 该 地区 的 气 象资 料 ，包 括逐 月 的太阳能 总 辐 射量 、 直 接 辐 射量 以及 散 射 辐 射量 ， 年 平均 气 温 和 最 高 、 最 低气 温 ， 最 长 连 续 阴雨 天 数 ， 最 大 风速 以及 冰雹 、 降 雪 等特 殊 气 象 情况 等。4.4.1 ． 独立 光伏系统 软 件设计光伏系统 软 件设计的 内 容 包 括 负载 用 电 量 的 估 算，太阳电池组件 数 量 和蓄电池 容量 的计算以及太阳电池组件 安装最佳 倾角 的计算。 因 为 太阳电池组件 数 量 和蓄电池 容量是 光伏系统 软 件设计的 关键 部分， 所 以本 节 将 着 重 讲述计算 与 选择 太阳电池太阳电池组件和蓄电池的方法。需 要 说 明 的一点 是 ， 在 系统设计 中 ，并不 是所 有的 选择 都 依赖 于 计算。有 些 时 候需 要设计 者 自 己 作 出 判 断 和 选择 。计算的 技 巧 很简单 ，设计 者对负载 的 使用 效率 和 恰当 性作 出 正 确 的 判 断 才 是得 到 一 个 符 合成本 效益 的 良 好 设计的 关键 。PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn111 1．设计的 基 本原理太阳电池组件设计的一 个 主要原 则就 是 要 满足 平均 天 气 条 件下 负载 的 每日 用 电 需求 ； 因 为 天 气 条 件有 低 于 和 高于 平均 值 的 情况 ， 所 以要 保 证 太阳电池组件和蓄电池 在天 气 条 件有 别 于 平均 值 的 情况 下 协调 工作；蓄电池 在 数 天 的 恶劣 气 候 条 件下，其 荷 电状态 （ SOC）将 会 降 低很 多 。 在 太阳电池组件 大 小 的设计 中 不要 考虑 尽 可 能 快 地 给 蓄电池充 满 电。 如 果这 样 ， 就会 导 致 一 个 很大 的太阳电池组件， 使 得 系统成本 过 高 ； 而 在一 年中 的 绝 大 部分 时间 里 太阳电池组件的发电 量 会远远 大 于负载 的 使用 量 ， 从 而 造 成太阳电池组件不 必 要的 浪 费 ；蓄电池的主要作 用 是 在 太阳 辐 射 低 于 平均 值 的 情况 下 给负载 供 电； 在随 后 太阳 辐 射高于 平均 值 的 天 气 情况 下，太阳电池组件 就会给 蓄电池充电。设计太阳电池组件要 满足 光 照 最 差 季 节 的 需 要。 在 进 行 太阳电池组件设计的 时 候 ，首先 要 考虑 的 问题就 是 设计的太阳电池组件 输出 要等 于 全 年 负载 需 求 的 平均 值 。 在 那种 情况 下，太阳电池组件 将 提 供 负载所 需 的 所 有能 量 。 但 这 也意 味 着 每 年 都 有 将 近 一半 的 时间 蓄电池 处 于 亏 电 状态 。蓄电池 长 时间 内 处 于 亏 电 状态 将 使 得 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 的 影响 ， 整 个 系统的 运行费用 也将 大 幅 度增加 。太阳电池组件设计 中 较 好 的 办 法 是 使 太阳电池组件能 满足 光 照 最 恶劣 季 节 里 的负载 需 要， 也 就 是 要 保 证 在 光 照 情况 最 差 的 情况 下蓄电池 也 能 够 被完 全 地 充 满 电。 这样 蓄电池 全 年 都 能 达到 全 满 状态 ， 可 延 长 蓄电池的 使用寿命 ， 减少 维护费用 。如 果 在 全 年 光 照 最 差 的 季 节 ，光 照度 大大低 于 平均 值 ， 在 这 种 情况 下 仍 然 按照 最差 情况 考虑 设计太阳电池组件 大 小 ， 那么 所 设计的太阳电池组件 在 一 年中 的其它 时 候就会远远 超 过 实 际 所 需 ， 而 且 成本 高 昂 。 这 时 就 可 以 考虑 使用 带 有备 用 电 源 的 混 合系统。 但是对于 很 小 的系统， 安装 混 合系统的成本 会 很 高 ； 而 在 偏 远 地区 ， 使用 备 用 电源 的 操 作和 维护费用 也相当高 ， 所 以设计 独立 光伏系统的 关键 就 是 选择 成本 效益 最 好的方 案 。2．蓄电池设计方法蓄电池的设计 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。 我 们 可 以设 想 蓄电池 是 充 满 电的， 在 光 照度 低 于 平均 值 的 情况 下，太阳电池组件产生的电能不能 完 全 填 满 由 于负载 从 蓄电池 中 消 耗 能 量而 产生的 空缺 ， 这 样 在 第 一 天PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn112 结 束 的 时 候 ，蓄电池 就会 处 于 未 充 满 状态 。 如 果 第二 天 光 照度 仍 然 低 于 平均 值 ，蓄电池 就仍 然 要放电以 供 给 负载 的 需 要，蓄电池的 荷 电 状态 继续 下 降 。 也 许 接 下 来 的 第 三天 第 四 天会 有 同样 的 情况 发生。 但是 为 了 避免 蓄电池的 损 坏 ， 这 样 的放电 过程 只 能 够允许 持续 一 定 的 时间 ， 直 到 蓄电池的 荷 电 状态 到达 指 定 的 危险 值 。 为 了 量 化 评估 这 种太阳光 照 连 续低 于 平均 值 的 情况 ， 在 进 行 蓄电池设计 时 ， 我 们 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 讲， 自给天 数 的 确 定 与 两 个 因 素 有 关 ： 负载对 电 源 的要 求 程 度 ；光伏系统安装 地 点的 气 象 条 件 即最 大 连 续 阴雨 天 数 。 通 常 可 以 将 光伏系统 安装 地 点的 最 大 连 续阴雨 天 数 作 为 系统设计 中使用 的 自给天 数 ， 但 还 要 综 合 考虑 负载对 电 源 的要 求 。 对于负载对 电 源 要 求 不 是 很 严 格 的光伏 应用 ， 我 们 在 设计 中通 常 取 自给天 数 为 3～ 5 天 。 对于负载 要 求 很 严 格 的光伏 应用 系统， 我 们 在 设计 中通 常 取 自给天 数 为 7～ 14 天 。 所 谓负载 要 求 不 严 格 的系统 通 常 是 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 的 是 用 电 负载 比 较 重 要，例 如 常 用 于 通信 ， 导 航 或 者 重 要的健康 设 施 如 医 院 、 诊 所 等。 此外 还 要 考虑 光伏系统的 安装 地 点， 如 果 在很 偏 远 的 地区 ，必须 设计 较 大 的蓄电池 容 量 ， 因 为维护 人员 要 到达 现 场 需 要 花 费很长 时间 。光伏系统 中使用 的蓄电池有 镍氢 、 镍镉 电池和 铅酸 蓄电池， 但是 在 较 大 的系统 中考虑 到技术 成 熟 性和成本等 因 素 ， 通 常 使用 铅酸 蓄电池。 在 下 面 内 容中 涉 及 到 的蓄电池没有特 别说 明 指 的 都是铅酸 蓄电池。蓄电池的设计 包 括 蓄电池 容 量 的设计计算和蓄电池组的 串 并 联 设计。 首先 ， 给 出计算蓄电池 容 量 的 基 本方法。（ 1） 基 本 公 式I. 第 一 步 ， 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 。II. 第二 步 ， 将 第 一 步 得 到 的蓄电池 容 量 除 以蓄电池的 允许 最 大 放电 深度 。 因 为 不能让 蓄电池 在 自给天 数 中 完 全 放电， 所 以 需 要 除 以 最 大 放电 深度 ， 得 到 所 需 要的蓄电池 容 量 。 最 大 放电 深度 的 选择 需 要 参 考 光伏系统 中 选择 使用 的蓄电池的性能 参数 ， 可 以 从 蓄电池 供应 商 得 到 详细 的有 关 该 蓄电池 最 大 放电 深度 的 资 料 。 通 常 情况 下， 如 果 使用 的 是深 循环 型蓄电池， 推 荐 使用 80%放电 深度（ DOD） ； 如 果 使用 的是 浅循环 蓄电池， 推 荐 选 用使用 50%DOD。设计蓄电池 容 量 的 基 本 公 式 见下：PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn113 自给天 数 X 日 平均 负载蓄电池 容 量 = --------------------- （ 4.1 ）最 大 放电 深度下 面 我 们 介绍 确 定 蓄电池 串 并 联 的方法。 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 。负载 标 称 电 压串联 蓄电池 数 = -------------- （ 4.2 ）蓄电池 标 称 电 压为 了 说 明 上 述 基 本 公 式 的 应用 ， 我 们 用 一 个小 型的 交流 光伏 应用 系统作 为 范 例。假 设 该 光伏系统 交流负载 的 耗 电 量 为 10KWh/天 ， 如 果 在 该 光伏系统 中 ， 我 们 选择 使用的逆变器的 效率 为 90％ ， 输 入 电 压 为 24V， 那么 可 得所 需 的 直流负载 需 求 为 462.96Ah/天 。 (10000 Wh ÷ 0.9 ÷ 24 V = 462.96 Ah) 。 我 们假 设 这 是 一 个负载对 电 源 要 求 并不 是 很 严 格 的系统， 使用 者 可 以 比 较 灵活 的 根据 天 气 情况 调 整 用 电。 我 们 选择 5 天 的自给天 数 ，并 使用 深 循环 电池，放电 深度 为 80％ 。 那么 ：蓄电池 容 量 ＝ 5 天 × 462.96Ah/0.8 ＝ 2893.51Ah。如 果 选 用 2V/400Ah 的 单体 蓄电池， 那么 需 要 串 连 的电池 数 ：串联 蓄电池 数 ＝ 24V/2V=12（个）需 要并 联 的蓄电池 数 ：并 联 蓄电池 数 ＝ 2893.51/400 ＝ 7.23 我 们 取 整 数 为 8。 所 以 该 系统 需 要 使用 2V/400Ah 的蓄电池 个 数 为 ： 12 串联 × 8 并 联 = 96（个） 。下 面是 一 个 纯 直流 系统的例子： 乡村 小屋 的光伏 供 电系统。 该 小屋 只 是 在 周末 使用 ， 可 以 使用低 成本的 浅循环 蓄电池以 降 低 系统成本。 该 乡村 小屋 的 负载 为 90 Ah/天 ，系统电 压 为 24V。 我 们 选择 自给天 数 为 2 天 ，蓄电池 允许 的 最 大 放电 深度 为 50％ ， 那么 ：蓄电池 容 量 ＝ 2 天 × 90Ah/0.5 ＝ 360Ah。如 果 选 用 12V/100Ah 的蓄电池， 那么 需 要 该 蓄电池 2 串联 × 4 并 联 = 8 个 。（ 2） 设计 修 正PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn114 以 上 给 出 的 只 是 蓄电池 容 量 的 基 本 估 算方法， 在 实 际情况 中 还 有 很 多 性能 参 数 会对 蓄电池 容 量 和 使用寿命 产生 很大 的 影响 。 为 了 得 到 正 确 的蓄电池 容 量 设计， 上 面 的基 本方 程 必须 加 以 修 正 。对于 蓄电池，蓄电池的 容 量 不 是 一成不变的，蓄电池的 容 量 与 两 个 重 要 因 素 相 关 ：蓄电池的放电 率 和 环境 温 度 。首先 ， 我 们 考虑 放电 率 对 蓄电池 容 量 的 影响 。蓄电池的 容 量 随着 放电 率 的 改 变 而改 变， 随着 放电 率 的 降 低 ，蓄电池的 容 量 会 相 应 增加 。 这 样 就会 对 我 们 的 容 量 设计产生 影响 。 进 行 光伏系统设计 时 就 要 为 所 设计的系统 选择 在 恰 当 的放电 率 下的蓄电池 容量 。 通 常，生产 厂 家 提 供 的 是 蓄电池 额 定容 量是 10 小时 放电 率 下的蓄电池 容 量 。 但是在 光伏系统 中 ， 因 为 蓄电池 中 存储 的能 量 主要 是 为 了 自给天 数 中 的 负载 需 要，蓄电池放电 率 通 常 较 慢 ， 光伏 供 电系统 中 蓄电池 典 型的放电 率 为 100～ 200 小时 。 在 设计 时 我们 要 用到在 蓄电池 技术中 常 用 的 平均 放电 率 的 概念 。 光伏系统的 平均 放电 率公 式 如 下：平均 放电 率 ( 小时 )= 最大放电深度 负载工作时间自给天数 ′ （ 4.3 ）上式中 的 负载 工作 时间 可 以 用 下述方法 估 计： 对于 只 有 单 个负载 的光伏系统， 负载 的工作 时间 就 是 实 际 负载 平均 每天 工作的 小时 数 ； 对于 有 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 ， 加 权 平均 负载 工作 时间 的计算方法如 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 (4.4) 根据上 面 两式 就 可 以计算 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 。下 面 考虑温 度对 蓄电池 容 量 的 影响 。蓄电池的 容 量 会 随着 蓄电池 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 。 通 常， 铅酸 蓄电池的 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 。如 果 光伏系统 安装 地 点的 气 温 很低 ， 这就 意 味 着 按照 额 定容 量 设计的蓄电池 容 量在 该 地区 的实 际 使用容 量 会 降 低 ， 也 就 是 无 法 满足 系统 负载 的 用 电 需 求 。 在 实 际 工作的 情况 下 就会 导 致 蓄电池的 过 放电， 减少 蓄电池的 使用寿命 ， 增加 维护 成本。 这 样 ，设计 时 需 要的蓄电池 容 量 就 要 比 根据 标 准 情况 （ 25℃ ） 下蓄电池 参 数 计算 出来 的 容 量PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 www.fineprint.cn115 要 大 ， 只 有 选择 安装 相对于 25℃ 时 计算 容 量多 的 容 量 ， 才 能 够 保 证 蓄电池 在 温 度 低 于25℃ 的 情况 下， 还 能 完 全 提 供 所 需 的能 量 。图 4－ 9 蓄电池 温 度 － 放电 率 － 容 量 曲 线蓄电池生产 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 ， 除 以蓄电池 容 量 修 正 系 数 就 能 对 上 述的蓄电池 容 量初 步 计算结 果加 以 修 正 。 上 面是 一 个典 型的 温 度 － 放电 率