離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)一 引言 隨著社會(huì)的發(fā)展，能源在社會(huì)發(fā)展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益呈現(xiàn)出來的能源危機(jī)問題更加明顯地把能源置于社會(huì)發(fā)展的首要地位。 目前世界大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各國紛紛出臺(tái)各種法規(guī)支持開發(fā)利用新能源和可再生能源， 使得新能源和可再生能源在全球升混。 近幾年來，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，世界太陽電池年產(chǎn)量在最近十年內(nèi)保持了30%以上的增速，2007 年年增長率達(dá)到了50% ，2008 年年增長率甚至達(dá)到了100% ，年產(chǎn)量達(dá)到6.5GW ， 大陽電池產(chǎn)量迅速增加的動(dòng)力來自于世界對(duì)太陽能等清潔能源持續(xù)增長的需求，2008 年世界光伏系統(tǒng)新裝機(jī)容

2、量達(dá)到5.95 GW ，比200 7年增長了110%。按照目前光伏組件4.5 $/W的價(jià)格計(jì)算，世界光伏市場規(guī)模接近三百億美元. 新能源是國家“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)要求發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，政策對(duì)其扶持力度很大。2009年3月，由科技部、國家發(fā)改委等部門聯(lián)合舉辦的2009年中國國際節(jié)能和新能源科技博覽會(huì)上集中展示了節(jié)能減排和新能源科技的重大成果，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。 我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來的高長使我國迫切需要加大對(duì)新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源題，保障能源供應(yīng)安全。二獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能

3、光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可叫做太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。盡管太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用樣式多種多樣，應(yīng)用規(guī)?？缍纫埠艽?，從小到不足一瓦的太陽能草坪燈，大到幾百千瓦甚至幾兆瓦的大型光伏發(fā)電站，但太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。其主要結(jié)構(gòu)由太陽能電池組件（或方陣）、蓄電池（組）、光伏控制器、逆變器（在有需要輸出交流電的情況下使用）以及一些測試、監(jiān)控、防護(hù)等附屬設(shè)施構(gòu)成。 圖3 獨(dú)立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理2.工作原理太陽能電池方陣吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負(fù)載通過開關(guān)與控制器連接?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過充或過放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一

4、定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載，當(dāng)蓄電池達(dá)到過充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測、遙信和遙控的功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中， DC-AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電。 三獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)步驟和內(nèi)容（1）用電量需求的分析和計(jì)算。 （2）確定光伏發(fā)電系統(tǒng)形式。（3）當(dāng)?shù)靥柲苜Y源和氣象地理?xiàng)l件數(shù)據(jù)的收集、計(jì)算。如：當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯 度；年最高最低氣溫；全年太陽能輻射量；平均峰值日照射數(shù)；年最長連續(xù)陰雨 天數(shù)等。（4）系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)：太陽能電池組件功能和方陣構(gòu)成的設(shè)計(jì)與計(jì)算

5、；蓄電池 組的容量與組合的設(shè)計(jì)與計(jì)算。（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置：控制器的選型與配置；交流逆變器的選型與配置；組件支架及固定方式與設(shè)計(jì)；交流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)；防雷與接地系統(tǒng)配置與設(shè)計(jì)；監(jiān)控和測量系統(tǒng)的配置。2.系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)目標(biāo): 優(yōu)化太陽能電池方陣容量和蓄電池組容量的相互關(guān)系，在保證獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠工作的前提下，達(dá)到成本最低。要求: 首先對(duì)當(dāng)?shù)氐奶柲茌椪召Y源、地理及氣象數(shù)據(jù)有盡量詳細(xì)的了解，一般要求掌握日平均太陽輻照量、月平均太陽輻照量和連續(xù)陰雨天數(shù)。方法: 依據(jù)各部件的數(shù)理模型，采用計(jì)算機(jī)仿真，可以擬合出太陽能電池方陣每小時(shí)發(fā)電量、蓄電池組充電量和負(fù)載工作情況，并預(yù)測所需要的太陽能電池方陣及蓄電

6、池組的容量。通過數(shù)值分析法，可以解析太陽能電池方陣容量及蓄電池組容量之間存在的相互關(guān)系，然后在特定的供電可靠性要求下，根據(jù)成本最低化的原則，確定二者各自的容量。3.數(shù)值計(jì)算列如：負(fù)載的總耗電量為4000w·h/d，選擇的逆變器效率為90%，連續(xù)陰雨天數(shù)為4天，蓄電池的放電深度為70%,系統(tǒng)電壓為48V。蓄電池容量= =530AH通常，鉛酸蓄電池的容量是在25時(shí)標(biāo)定的。隨著溫度的降低， 0 時(shí)的容量大約下降到額定容量的90% . 而在-20的時(shí)候大約下降到額定容量的80% . 所以必須考慮蓄電池的環(huán)鏡溫度對(duì)其容量的影響。南京地區(qū)全年最低氣溫大約為-4-6，所以在此溫度下，蓄電池的容量會(huì)

7、下降10%左右。 蓄電池實(shí)際容量=590AH確定蓄電池的串并聯(lián)方式每個(gè)蓄電池都有它的標(biāo)稱電壓。為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓，將蓄電池串連起來給負(fù)載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個(gè)數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo)稱電壓。這里選用24v/200AH的膠體蓄電池。串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)=2 所以蓄電池串聯(lián)數(shù)為2并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)=2.9534 太陽能電池組件及方陣的設(shè)計(jì) 1.太陽能電池組需要注意的問題 （1）設(shè)計(jì)太陽電池組件要滿足光照最差季節(jié)的需要。 （2）蓄電池長時(shí)間處于虧電狀態(tài)將使得蓄電池的極板硫酸鹽化。 （3）在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中沒有備用電源在天氣較差的情況下給蓄電池進(jìn)行再充電，這樣蓄電池的使用壽命和性能將會(huì)受到很大的

8、影響，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用也將大幅度增加。 （4）太陽電池組件設(shè)計(jì)中較好的辦法是使太陽電池組件能滿足光照最惡劣季節(jié)里的負(fù)載需要，也就是要保證在光照最差的情況下蓄電池也能夠被完全地充滿電。 （5）由于光照最差季節(jié)的光照度大大低于平均值，這樣設(shè)計(jì)的太陽電池組件在一年中的其他時(shí)候會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際需要，而且成本高昂。2.太陽能電池組件的方位角和傾斜角 （1） 由于太陽能光伏發(fā)電的發(fā)電量與太陽光的輻射強(qiáng)度、大氣質(zhì)量、地理位置等因素有直接的關(guān)系和影響，因此在設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮太陽輻射的方位角和傾斜角、峰值日照時(shí)數(shù)等。 （2） 太陽能電池組件的方位角與傾斜角的選定是太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最重要的因素

9、之一。 所謂方位角一般是指東西南北方向的角度。對(duì)于太陽能光伏系統(tǒng)來說，方位角以正南為00，由南向東向北為負(fù)角度，由南向西向北為正角度。方位角決定了陽光的入射方向，決定了各個(gè)方向的山坡或不同朝向建筑物的采光狀況。 傾斜角是地平面與太陽能電池組件之間的夾角。傾斜角為00時(shí)表示太陽能電池組件為水平設(shè)置，傾斜角為900時(shí)表示太陽能電池組件為垂直設(shè)置。 太陽能電池方位角的選擇： 在我國，太陽能電池的方位角一般選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發(fā)電量最大。 太陽能電池傾斜角的選址： 最理想的傾斜角是使太陽能電池年發(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小的傾斜角。一般取當(dāng)?shù)鼐暥然蚣由蠋锥茸鳛楫?dāng)?shù)靥?/p>

10、陽能電池組件安裝的傾斜角。以下為根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽能電池的傾斜角：緯度為00250時(shí)，傾斜角等于緯度；緯度為260400時(shí)，傾斜角等于緯度加上50100；緯度為410550時(shí)，傾斜角等于緯度加上100150；緯度為550以上時(shí)，傾斜角等于緯度加上150200。3.太陽能電池組件的計(jì)算方法計(jì)算太陽電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量除以一塊太陽電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量，這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的太陽電池組件數(shù)，使用這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電流。將系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓除以太陽電池組件的標(biāo)稱電壓，就可以得到太陽電池組件需要串聯(lián)的太陽電池組件數(shù)，使用這些太陽電池組件串聯(lián)

11、就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓?；竟剑捍?lián)電池組件數(shù)=（系數(shù)1.43是太陽能電池組件峰值工作電壓與系統(tǒng)工作電壓的比值。） 并聯(lián)電池組件數(shù)=其中，組件日平均發(fā)電量=組件峰值工作電流（A）×峰值日照時(shí)數(shù)（h)。上面的公式是理論計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要考慮其他因素，由于系統(tǒng)需要在連續(xù)陰雨天數(shù)中工作，綜合考慮其它因素后得到的計(jì)算公式為： 串聯(lián)電池組件數(shù)= 并聯(lián)電池組件數(shù)=補(bǔ)充的蓄電池容量(Ah)=安全系數(shù)×負(fù)載日平均耗電量(Ah)×最大連續(xù)陰雨天數(shù) 負(fù)載日平均耗電量= 組件平均日發(fā)電量(Ah)=選定組件峰值工作電流(A)×峰值日照時(shí)數(shù)(h)×傾斜面修

12、正系數(shù)×組件衰降損耗修正系數(shù) （式中，峰值日照時(shí)數(shù)和傾斜面修正系數(shù)都是指光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝地的實(shí)際數(shù)據(jù)，組件衰降損耗修正系數(shù)主要指因組件組合、組件功率衰減、組件灰塵遮蓋、充電效率等的損失，一般取0.8。）·太陽能電池方陣功率=選定電池組件的峰值輸出功率×電池組件的串聯(lián)數(shù)×電池組件的并聯(lián)數(shù)。 4.直流接線箱的選型 直流接線箱也叫直流配電箱，小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般不用直流接線箱，直流接線箱主要用于中、大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用于把太陽能電池組件方陣的多路輸出電纜集中輸入、分組連接，不僅使連線井然有序，而且便于分組檢查、維護(hù)，當(dāng)太陽能電池方陣局部發(fā)生故障時(shí)

13、，可以局部分離檢修，不影響整體發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)工作。 光伏控制器要根據(jù)系統(tǒng)功率、系統(tǒng)直流工作電壓、電池方陣輸入路數(shù)、蓄電池組數(shù)、負(fù)載狀況及用戶的特殊要求等確定光伏控制器的類型。一般小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)采用單路脈沖寬度調(diào)制型控制器，大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)采用多路輸入型控制器或帶有通信功能和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制功能的智能控制器?？刂破鬟x擇時(shí)要特別注意其最大工作電流必須同時(shí)大于太陽能電池組件或方陣的短路電流和負(fù)載的最大工作電流。5.逆變器的選型光伏逆變器選型時(shí)一般是跟據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定的直流電壓來選擇逆變器的直流輸入電壓，根據(jù)負(fù)載的類型確定逆變器的功率和相數(shù)，根據(jù)負(fù)載的沖擊性決定逆變器的功率余量。逆變器的持續(xù)功

14、率應(yīng)該大于使用負(fù)載的功率，負(fù)載的啟動(dòng)功率要小于逆變器的最大沖擊功率。在選型時(shí)還要考慮為光伏發(fā)電系統(tǒng)將來的擴(kuò)容留有一定的余量。五光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)相對(duì)通常發(fā)電手藝，光伏發(fā)電具備體積小，無噪音，重量輕，無污染，壽命長，零排放等優(yōu)點(diǎn)。由于光伏發(fā)電是操縱太陽能將太陽能轉(zhuǎn)化為光能，而且可以在荒涼等環(huán)境惡劣地域制作。光伏發(fā)電體系主要由電子元件構(gòu)成，沒有機(jī)械動(dòng)彈部位，可以無人值守。各個(gè)地區(qū)差異不是很大，可以建立分布式電站，生產(chǎn)的資源和硅材料比較豐富不受資源分布的限制，可以安裝在建筑物上，安裝簡單成本低。太陽能光伏發(fā)電存在一些待改善的地方，如發(fā)生的電力接入電網(wǎng)必須增加無功抵償設(shè)備，還有太陽能光伏發(fā)電必須要有太陽

15、光，遭到日夜交替，四時(shí)變動(dòng)，陰晴變動(dòng)等氣象條件影響，太陽能的照耀能量散布密度小，而光伏發(fā)電必須占用比例較大的面積。另外，太陽能的轉(zhuǎn)化率還是很低，這也是擺在我國眼前的一道急需解決的大問題。六光伏發(fā)電的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益 （1）經(jīng)濟(jì)增長收益。由于我國是第三人口大國加上隨著社會(huì)的進(jìn)步，家家戶戶都增添了大量的用電設(shè)備，電冰箱、電視機(jī)、電腦、空調(diào)等大功率設(shè)備，加大了供電企業(yè)的負(fù)擔(dān)，而大量進(jìn)行光伏發(fā)電能大大減輕能源缺乏的困境，為社會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。 （2）就業(yè)效益。作為一個(gè)人口大國，使得很多人形成了就業(yè)困難的局面，然而光伏發(fā)電作為一個(gè)新興起的行業(yè)這將帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，為許多的無業(yè)群眾提供提供了就業(yè)機(jī)會(huì)，同時(shí)也將帶動(dòng)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益。七總結(jié)綜上所述，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該考慮用戶的負(fù)載需求量和當(dāng)