独立光伏系统设计计算

1 独立光伏系统的设计计算1 独立光伏系统的组成光伏系统应用的基本形式可分为两大类： 独立光伏系统和并网光伏系统。 并网光伏系统是指光伏阵列产生的电经并网逆变器 （和升压变压器） 输入常规电网的发电系统， 它不需要蓄电池。 独立光伏系统则不与常规电网连接而能够独立自主地向负载供电。独立光伏系统通常由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池、直流 /交流逆变器和用电负载等部分组成，如图 1 所示。少数可以不要蓄电池，如光伏水泵。图 1 独立光伏系统的组成光伏阵列产生的电能由充放电控制器控制对蓄电池充电或者直接对直流负载供电， 在无日照或日照不足时蓄电池再在充放电控制器的控制下向直流负载供电，对于交流负载，则还需要逆变器将直流变换成交流。独立光伏系统的设计就是要根据用户负载的使用要求合理配置各组成部件，使之满足负载能全年正常工作， 同时尽可能降低系统成本。 为了使系统设计合理，需要了解并获取一些基本数据，包括：当地经度、纬度、海拔，系统安装地理环境， 当地年均和月均太阳辐射量， 最长连续阴雨或重污染天数， 年均气温和最高、最低气温，最大风速，负载要求以及系统各部件的规格参数等。2 负载的配置负载是独立光伏系统的主要设计依据，是确定系统配置和成本的关键因素。它通常由用户给出， 但有时设计者可根据具体情况加以修正或提出更为合理的方案。负载最重要是要考虑采用直流负载还是交流负载， 交流负载中哪些是电阻性负载， 哪些有浪涌电流冲击的电感性负载， 哪些是重要负载必须保障供电， 哪些是一般负载。电阻性交流负载如白炽灯、电子节能灯、电热器等，无浪涌电流；光伏阵列 充放电控制器 DC/AC 逆变器 交流负载蓄电池 直流负载2 电感性交流负载如电动机、电冰箱、水泵、电视机、带电子镇流器的荧光灯等，有浪涌电流。 通常， 电动机和电冰箱的浪涌电流是额定电流的 5~8 倍， 电视机的浪涌电流是额定电流的 2~5 倍， 在配置逆变器时要给予充分重视。 另外， 为了降低光伏系统的配置和成本， 应合理安排负载的用电时间， 较大功率的负载最好能分时分区使用。一些简单的负载，如照明灯，应尽可能采用直流的，额定工作电压最好是6V 的整倍数，因为光伏阵列产生的是直流电，可以省去直流 /交流逆变器，且光伏组件和蓄电池的额定电压通常为 6V、 12V 和 24V 等。如果负载距离光伏阵列较远， 光伏阵列和蓄电池的额定电压较低而传输电流较高， 较长的输电线路就会导致较大的功率损失和电压损失， 还会导致负载不能正常工作。 这种情况倒不如采用交流负载， 此时虽然需要采用逆变器， 但是线路上的损失大大减少了， 负载的工作更加可靠。例如，设直流负载功率为 P0，额定工作电压为 V0，工作电流为 I0，输电线路的电阻、长度、截面积和材料的电阻率分别为 R、 L、 S 和 ρ ，则输电线路上的降压 Δ V 和功率损失 Δ P 就分别为Δ V=I 0R=(P0/V 0)( ρ L/S) （ 1）Δ P=I0Δ V=(P0/V 0) 2 ( ρ L/S) （ 2）输电线路上的降压 Δ V 是由蓄电池输出电压和负载最低启动工作电压决定的， 通常不能超过 1.5~2V， 而输电线路上的功率损失 Δ P 一般不要超过光伏阵列额定输出功率的 2%~5%，可以以此来确定系统输电导线的线径或截面积。铜和铝导线的电阻率分别为 1.75 × 10-8Ω? m 和 2.90 × 10-8Ω? m。 一根直径为 1mm长度为 10m 的铜导线，电阻为 0.223Ω ，那么 10A 直流电流的降压就有 2.23V，功率损失可高达 22.3W。如果直径为 2mm，同样 10 m 长的铜导线，电阻就为0.0557Ω ， 10A 直流电流的降压为 0.557V，功率损失为 5.57W。可见，较大的直流电流在导线上的功率损失是相当可观的。3 蓄电池的容量设计多数独立光伏系统中的蓄电池是工作在循环状态， 以一天或者几天为一个循环周期， 以充放电制方式运行， 供电负载相对固定。 为了尽可能多地接受光伏阵列产生的电能， 蓄电池平常处于不完全充电状态， 大多时间处于放电状态， 而且3 充电电流和电压将随太阳辐照度变化而变化，有时充电电压不够，有时又过高，有时长时间过放电静止， 这都会影响蓄电池的容量和使用寿命， 蓄电池的容量则还要受放电率和环境温度的影响。 所以蓄电池的容量设计和使用条件的控制很重要。（ 1）蓄电池的选用能够与光伏阵列配套使用的蓄电池种类很多， 主要有免维护铅酸蓄电池、 普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。 国内目前大多使用免维护铅酸蓄电池， 因为它免维护和污染环境少，适合用于独立光伏系统，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和对环境污染较大， 常见用于有维护能力的场合。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于价格较高，仅适用于一些特殊场合。（ 2）蓄电池组的容量计算蓄电池的容量是指充满电的蓄电池在一定放电条件下放电到终止电压时所能给出的电量，常用 C 表示。通常在 C 的下角处标明放电率，如 C10 表示 10h放电率时的放电容量。 放电率则是指在一定放电条件下放电到终止电压时所经历的时间，如有 1h、 5h、 10h、 20h、 50h、 100h、 200h、 500h 等，放电率越小，即放电时间越短，放电电流就越大，放电容量就越少。蓄电池容量设计的基本思想是要保证在太阳辐射量连续低于平均值的情况下负载仍能正常工作。 在有太阳光照的时候， 光伏阵列发的电要储存到蓄电池中，或者直接给负载供电；当光照不足或在晚上，就要由蓄电池供电。同样，在连续阴雨天和重污染天期间， 负载也必须由蓄电池供电， 所以蓄电池的容量就必须足够大，有时要将若干蓄电池组合成较大容量的蓄电池组。蓄电池组所需容量的计算公式为C / =2DQZ （ 3）式中， C/(A?h）为指定放电率下蓄电池组所需的容量； Q(A?h) 为负载的日均用电量， Q=P0t/V0， P0（ W） 为负载功率， t（ h） 为日均用电时间， 对于直流负载， V0(V)为负载额定工作电压或蓄电池组的额定电压，对于交流负载， V0(V) 则为逆变器额定输入电压或蓄电池组的额定电压； Z（ d）为自给天数，即系统在没有任何外4 来能源的情况下负载仍能正常工作的天数； D为蓄电池的最大允许放电深度； κ为蓄电池容量的温度修正系数 ( 即实际容量与额定容量之比 ) ； η 2 为电源变换和传输效率， 对于直流负载因无需逆变器， 只需考虑导线的传输效率， 对于交流负载则还包括逆变器的效率。自给天数 Z 的取值非常重要， 取决于负载对电源的要求程度和当地连续阴雨天数（包括重污染天） 。对于一般要求的负载，在特殊恶劣天气允许自行调节或允许暂时不用电，通常可取当地最大连续阴雨天数作为自给天数，常取 2~7 天。对于重要负载， 必须保障每天能够正常工作， 那么应考虑最大连续阴雨天数和重污染天以及相邻连续阴雨天之间间隔较短时的影响， 自给天数有的要取十多天才行。但是，自给天数太长（如 2008 年 1 月南方连续二十几天阴雨雪天） ，就需要配置很大容量的蓄电池， 从而加大了系统的成本， 遇到这种特殊天气情况时， 可以考虑采用备用电源供电，或者有条件时采用市电对蓄电池充电的方案。独立光伏系统常采用深循环免维护铅酸蓄电池， 其最大允许放电深度通常可取 0.8。也有使用浅循环铅酸蓄电池的，它成本较低，但最大允许放电深度只有0.5。蓄电池的最大允许放电深度与工作温度有关，对于深循环铅酸蓄电池，工作温度低于– 8℃时就要进行修正， 如图 2 所示。 当蓄电池温度为– 10℃、 – 15℃、– 20℃时，最大允许放电深度就约为 0.75 、 0.62 、 0.53 。所以在北方安置在野外的光伏系统（如光伏路灯） ，必须把蓄电池放在地下一定深度的地方，以避免蓄电池工作温度过低。图 2 铅酸蓄电池最大允许放电深度随温度的变化蓄电池的额定容量通常是在 10h 放电率和 25℃下标定的，但蓄电池的容量将随放电变慢（即放电率变大）而有所增加，将随蓄电池的温度降低而降低。典5 型的铅酸蓄电池容量与放电率和工作温度的关系如图 3 所示。图 3 蓄电池容量与放电率和工作温度的关系蓄电池之所以需要较大的容量， 主要是为了在自给天数中对负载供电， 其平均放电率 τ f(h)就为τ f = DZt (4) τ f 值一般大于 10h ， 故实际放电容量要略高于额定容量， 如果按 10h 放电率来选择蓄电池的容量，一般是有余量的。但是，当工作温度比 25℃低得较多时，就要考虑蓄电池容量的温度修正， 如当放电率约为 50h 时， 蓄电池温度为 10℃、 0℃、-10 ℃、 -20 ℃，温度修正因子 κ 就相应为 0.92 、 0.86 、 0.80 和 0.70 。蓄电池容量与放电率和温度的实际关系以及蓄电池最大允许放电深度与温度的实际关系，可从供应商的资料得到。（ 3）蓄电池的并、串联设计要达到计算所需的蓄电池组的容量和电压， 必须将若干单个蓄电池并、 串联起来， 组成蓄电池组。 这样， 蓄电池组的额定电压就等于串联的单个蓄电池的额定电压之和，蓄电池组的容量则是并联的单个蓄电池的容量之和。蓄电池组的额定电压必须与负载的额定工作电压相匹配， 单个蓄电池的串联数可用下式进行计算：Nc=xVV0 (5) 式中， Nc (个 )为单个蓄电池的串联数，通常是整数； Vx(V)为单个蓄电池的额定电压。由式（ 3）计算出所需的蓄电池组的容量后，就可以得到单个蓄电池的并联6 数：N/b=xCC / (6)式中， N/b（个） 为所需的单个蓄电池的并联数， 实际应取整数值 Nb（个） ； Cx(A?h)为所选择的单个蓄电池的额定容量。在实际应用中， 最好是选择大容量的单个蓄电池， 尽量减少并联数目， 以减少单个蓄电池充放电不平衡带来的影响。（ 4）蓄电池组的额定容量实际的蓄电池组的额定容量为C=NbCx (7) 4 光伏阵列的容量设计光伏阵列是由若干光伏组件根据系统需求并、 串联而成， 其容量设计的基本思想就是要满足负载日常用电的需求， 所以其容量计算的基本方法是阵列的日均发电量必须等于负载、蓄电池和逆变器等工作时的日均耗电量。（ 1）光伏阵列所需的日均发电量和最佳工作电流光伏阵列在某时间段所需的日发电量可按下式计算：n/b ImHsλ η 1 32Q (8) 式中， n/b ImHsλ η 1(A · h/d)为光伏阵列在此时间段所需的日均发电量； n/b 为光伏组件所需的并联数； Im(A) 为所选择的单个光伏组件的最佳工作电流； Hs（ h/d ）为在此时间段当地水平面的平均峰值日照时数； λ 为在此时间段斜面辐射量修正系数， 即在此时间段倾斜安装光伏阵列表面平均每天接受的太阳辐射量与水平面太阳辐射量之比； η 1 为光伏阵列的利用效率； Q/η 2η 3 为负载、蓄电池和逆变器等的日均耗电量； η 3 为蓄电池的充放电效率。光伏阵列在此时间段所需的最佳工作电流就为n/b Im=sQ (9) 式中， η 为光伏系统的总效率，即η =η 1η 2η 3 (10) 7 （ 2） Hs 和 λ 值的选取在设计计算光伏阵列容量时， Hs 和 λ 值的选取十分关键。 Hs 值是指在一定时段内当地水平面上的平均峰值日照时数， 即这时段平均每天的太阳辐射量除以标定光伏组件性能的标准太阳辐照度 1000W/m2。因为在光照最差的情况下独立光伏系统一般没有备用电源给蓄电池进行补充充电， 对于全年负载用电均衡的情况， 设计光伏阵列较好的方法是使之能满足光照最差月份或季节里的需要， 虽然此时光伏阵列提供的电量在其他日期略有富余， 但它能够保障在光照最差的一时段内蓄电池也能够充满电， 亦即全年都能充满电，从而可延长蓄电池的使用寿命。因此， Hs 值应取光照最差这时段的平均峰值日照时数。如果是按全年平均峰值日照时数（ H）来设计计算，虽然此时光伏阵列提供的电量也能够满足负载全年的需要， 但有近半年时间蓄电池是处于亏电状态， 这将会严重影响蓄电池的性能和使用寿命。 当然， 如果光照最差月份的日均辐射量大大低于全年的日均辐射量，而光伏阵列仍按光照最差月份来设计，那么所设计的光伏阵列就会远远超过负载所需， 从而加大了系统的成本。 对于重要负载， 这时可以考虑使用备用电源， 或者交流负载时直接切换使用市电。 对于全年负载用电变化的情况， 最好的方法是逐月分别进行计算， 取所需光伏阵列容量最大的值。λ 值是指与 Hs 值的相同时段内平均每天光伏阵列倾斜面上的太阳辐射量与水平面上太阳辐射量之比。水平面上太阳辐射量包括直射辐射量和散射辐射量，它可以直接从气象站台得到，也可以从美国 NASA 太阳能数据库查得。斜面上的太阳辐射量则包括斜面上的直射辐射量、 天空散射辐射量和地面对水平面上太阳总辐射的反射所构成的散射辐射量， 不容易计算， 比较简单的方法是仍然利用美国 NASA 太阳能数据库，先得到与光伏系统安装地相邻的城市的水平面上太阳辐射量和不同倾角斜面上的太阳辐射量， 求出各月斜面上的太阳辐射量与水平面上太阳辐射量的比值， 再乘以当地各月水平面上的太阳辐射量求得。 我国部分城市水平面和斜面太阳辐射量可参见附录。一般情况， 对于负载全年用电比较均衡的独立光伏系统， 光伏阵列通常是要朝正南倾斜安装， 其最佳倾角应考虑在斜面上各月的太阳辐射量也比较均衡。 表1 列出了我国部分城市的全年平均峰值日照时数 (H) 、朝正南安装的最佳倾角。8 不过，由于低于最佳倾角 30~50对太阳辐射量的影响并不大，有时可以选取比最佳倾角稍低的角度安装光伏组件。表 1 我国部分城市年平均 H 值和斜面最佳倾角城市 纬度 Φ （ 0） 年平均 H 值（ h/d） 最佳倾角（ 0）哈尔滨 45.68 3.529 Φ ＋ 3 长春 43.90 3.770 Φ ＋ 1 沈阳 41.77 3.832 Φ ＋ 1 北京 39.80 4.242 Φ ＋ 4 天津 39.10 3.991 Φ ＋ 5 呼和浩特 40.78 4.604 Φ ＋ 3 太原 37.78 4.184 Φ ＋ 5 乌鲁木齐 43.78 4.018 Φ ＋ 12 西宁 36.75 4.661 Φ ＋ 1 兰州 36.05 4.157 Φ ＋ 8 银川 38.48 4.598 Φ ＋ 2 西安 34.30 3.550 Φ ＋ 14 上海 31.17 3.545 Φ ＋ 3 南京 32.00 3.639 Φ ＋ 5 合肥 31.85 3.479 Φ ＋ 9 杭州 30.23 3.241 Φ ＋ 3 南昌 28.67 3.637 Φ ＋ 2 福州 26.08 3.334 Φ ＋ 4 济南 36.68 3.901 Φ ＋ 6 郑州 34.72 3.704 Φ ＋ 7 武汉 30.63 3.667 Φ ＋ 7 9 长沙 28.20 3.160 Φ ＋ 6 广州 23.13 3.364 Φ － 7 海口 20.03 3.843 Φ ＋ 12 南宁 22.82 3.477 Φ ＋ 5 成都 30.67 2.887 Φ ＋ 2 贵阳 26.58 2.869 Φ ＋ 8 昆明 25.02 3.943 Φ － 8 拉萨 29.70 5.917 Φ － 8 如上所述，独立光伏系统应取光照最差时段的 Hs 值设计计算。因我国大部分地区在冬季（ 12~2 月）光照最差，故应按冬季月份的日均峰值日照时数考虑。（ 3）系统总效率的确定系统总效率 η 是光伏阵列利用效率 η 1、电源变换与传输效率 η 2 和蓄电池充放电效率 η 3 之乘积。①光伏阵列利用效率 η 1η 1=η zη mη tη cη Sa.光伏组件的组合系数 η z。 它是光伏阵列的实际输出功率与阵列中每个组件的输出功率之比，主要是因为组件特性不一致和串并联二极管及接线有功率损失，所以要对采用组件进行严格测试、筛选和优化组合。单个组件时为 η z=1，多个组件组合时一般要求 η z 不能低于 0.95。b. 偏离最佳工作点的修正系数 η m。 通常独立系统是通过控制器对蓄电池充、放电控制向负载供电的， 由于一般的充放电控制器没有最大功率点跟踪 （ MPPT）功能， 加上光伏组件输出电压随工作温度的升高而降低 （蓄电池输入电压必须大于蓄电池浮充电压） ， 光伏组件经常偏离最大功率点工作， 可取 η m=0.95； 当充放电控制器有最大功率点跟踪功能时，可取 η m=1。c. 太阳电池工作温度的影响系数 η t。首先要估计各月光伏阵列工作时段的平均环境气温 T（℃） ，再根据经验公式 To=T+0.03G 求得太阳电池工作温度 To（℃） ，这里 G（ W/m2）为光伏阵列工作时段的平均太阳辐照度，再由式 η t=1+α10 （ To-25 ） 可求得 η t, 其中 α 是太阳电池的功率温度系数， 对于晶体硅太阳电池，α = - 0.005/K。因为独立光伏系统所需的光伏阵列功率通常是按光照最差的冬季（ 12 月 ~2 月）来设计的，而冬季的 T 较低，所以温度的影响通常可以忽略；如果是按其它月份的光照条件来设计，则应考虑这个影响了。例如，在无锡 -上海 -杭州一带， 各月的平均工作气温、 太阳电池工作温度和温度影响系数可见下表所示：月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T 8 12 17 23 28 30 34 33 29 24 19 12 G 500 500 600 700 700 800 850 800 700 600 500 500 To 23 27 35 44 49 54 60 57 50 42 34 27 η t 1.00 0.99 0.95 0.90 0.88 0.85 0.82 0.84 0.87 0.91 0.95 0.99 如果光伏阵列是铺在屋顶，在夏天气温则还要提高 30~50。d. 表面覆盖尘土的影响系数 η c。尘土较少的南方地区可取 η c=0.97，尘土较多的北方地区可取 η c=0.95。e. 性能衰减影响系数 η S。对于常用的晶体硅太阳电池，一般在 25 年寿命期末的功率衰减为 15%，即年平均衰减 0.6%/a。如果只要求系统初期达到性能，则 η S=1；如果要求系统 10 年内保证性能，则 η S=0.94。可见， 各种影响系数要根据具体情况来选取。 对于采用单个光伏组件的小型独立系统， 光伏阵列利用效率一般可取 η 1=0.9 来设计； 如果要求保证 10 年性能，则可以取 η 1=0.85。②电源变换与传输效率 η 2 它包括逆变器的效率和输电线路上的损失。 要用小型逆变器时可取 η 2=0.85，要用大中型逆变器时可取 η 2=0.92~0.90，对于直流负载，不需要用逆变器时可取η 2=0.98。③蓄电池充放电效率 η 3 它主要取决于蓄电池的种类规格和充放电控制器的效率。对于铅酸蓄电池，通常可取 η 3=0.90。这样，一般情况下，对于功率较低的直流负载，可取 η =0.75设计；对于功率较低的交流负载，可取 η =0.65设计。（ 4）光伏阵列的并、串联设计光伏阵列是由若干光伏组件并、 串联而成， 其额定电压就等于串联光伏组件11 额定电压之和， 且必须等于蓄电池组的额定电压， 其最佳工作电流则是并联光伏组件最佳工作电流之和。根据这些原理，光伏组件的串联数为nc=mxcVVN (12) 式中， nc(个 )为光伏组件的串联数， 通常是整数； Vm(V)为所选光伏组件的额定电压，一般是 6V 的整倍数。光伏组件的并联数为n/b=sHQmI(13) 实际应取整数值 nb（个） 。在实际应用中， 最好是选择容量较大并与蓄电池组额定电压匹配的单个光伏组件，尽量减少并、串联数目，以减少光伏组件之间不匹配带来的影响。（ 5）光伏阵列的容量实际的光伏阵列的最大工作电流 Izm(A) 和最大工作电压 Vzm(V) 应为Izm=nb Im (14) 和 Vzm=ncVm (15) 实际的光伏阵列的最大功率 Pzm(Wp)应为Pzm= nb nc ImVm (16) (6)最快充电率当太阳辐射处于最强时， 光伏阵列对蓄电池组的充电不能太快， 即充电率数值不能太小， 否则会损害蓄电池。 因此， 光伏阵列对蓄电池组的最快充电率 τ c(h)应不小于蓄电池的允许最快充电率 τ x(h)，即τ c=mbxbInCN ≥ τx (17) 蓄电池的允许最快充电率由产品供应商提供。5 逆变器的选择在有交流负载的系统中， 就要使用逆变器， 将光伏阵列产生的直流电或由蓄电池组释放的直流电变换为负载需要的交流电。逆变器分为单相和三相两种形式， 按输出波形分有方波逆变器、 准正弦波逆变器和正弦波逆变器三类。 一般方12 波和准正弦波逆变器用于负载对谐波要求不高和功率在 1kW 以下的小型系统，大功率系统大多采用正弦波逆变器，通常要求具有最大功率点跟踪控制功能。逆变器的容量是由负载决定的， 电阻性负载时的容量就等于负载功率， 有电感型负载时，就要根据启动时浪涌电流加大容量，其容量的计算式为Pn=σ (χ Pg+P0) (18) 式中， Pn(W) 为所需逆变器的容量； Pg(W)为电感性负载的功率； P0(W)为电阻性负载的功率； χ 为电感性负载启动时的浪涌电流与额定电流之比，如电视机可取2.5 ，电动机可取 5； σ 为安全系数，一般取 1.2~1.5。通常逆变器额定输入电压即为蓄电池额定电压， 但其输入电压范围应大于蓄电池组放电终止电压到过充电压的范围，要有自身额定功率的 1.2~1.5 倍的过载能力，所选逆变器的变换效率要高，输出波形与负载要求相同，在海拔高于 1km的地方，每升高 1km应降额 5%使用。6 充放电控制器的选择充放电控制器是控制光伏阵列对蓄电池组充电及控制光伏阵列和蓄电池组对负载输（放）电的基本部件，有的还兼有自动保护和信息监控等功能。充放电控制器的额定电压应与蓄电池组的额定电压相同， 但其耐压能力应是额定电压的 1.5 ～ 2 倍。充放电控制器输入回路的电流通过能力应为光伏阵列最大输出电流的1.2 ～ 1.3 倍 , 输出回路的电流通过能力应为最大负载电流的 1.3 ～ 1.5 倍。