光伏应用系统设计方案

光伏应用系统设计方案

太阳能光伏发电在电力系统中的应用

1.1光伏系统原理

光伏发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。

光伏发电系统是由光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载

提供电能或通过逆变器给交 流负载提供电能的一种新型电源系统。广泛应用于环境恶劣的高原、海岛、偏远山区及野外作业，也可作为通讯基站、广告 灯箱、路灯等供电电源。 光伏发电系统利用取之不尽、用之不竭的自然能源，可有效缓解电力短缺地区的需求矛盾，解决偏远地区的生活 及通讯问题。改善全球生态环境，促进人类可持续发展。

1.2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，光伏发电所用的接受光照的材料，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。

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。

2.1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。 2.2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： 蓄电池容量 =

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。 串联蓄电池数 =

负载标称电压

蓄电池标称电压自给天数X日平均负载

最大放电深度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）完整的蓄电池容量设计计算

考虑到以上所有的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式。

蓄电池容量(@指定放电率)＝

自给天数?日平均负载

最大允许放电深度?温度修正因子下面对每个参数进行总结分析： ?

最大允许放电深度：一般而言，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为

50％，而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80％。如果在严寒地区，就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正。设计时可以适当地减小这个值扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。例如，如果使用深循环蓄电池，进行设计时，将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为60％而不是80％，这样既可以提高蓄电池的使用寿命，减少蓄电池系统的维护费用，同时又对系统初始成本不会有太大的冲击。根据实际情况可对此进行灵活地处理。 ?

温度修正系数：当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。温度修正

系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量

值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求。

?

指定放电率：指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的

容量。使用供应商提供的数据，可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。如果在没有详细的有关容量－放电速率的资料的情况下，可以粗略的估计认为，在慢放电率（C/100到C/300）的情况下，蓄电池的容量要比标准状态多30％。

下面举例说明上述公式的应用。建立一套光伏供电系统给一个地处偏远的通讯基站供电，该系统的负载有两个：负载一，工作电流为1安培，每天工作24小时。负载二，工作电流为5安培每天工作12小时。该系统所处的地点的24小时平均最低温度为-20℃，系统的自给时间为5天。使用深循环工业用蓄电池（最大DOD为80％）。

因为该光伏系统所在地区的24小时平均最低温度为-20℃，所以必须修正蓄电池的最大允许放电深度。由最大放电深度－蓄电池温度的关系图我们可以确定最大

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