离网型太阳能系统计算方法

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：1.太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。2.太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。3.蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。4.逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计。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；该地区的气象数据，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、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。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，可以从蓄电池供货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=(自给天数X日平均负载)/最大放电深度这些当然都没有修正，以下为正确计算公式：蓄电池的容量BC计算公式为：BC=A×QL×NL×TO／CCAhA为安全系数，取1.1～1.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。下面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/蓄电池标称电压计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数--AH）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数--AH），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本计算公式如下：并联的组件数量＝日平均负载（AH）/组件日输出(AH)串联组件数量＝系统电压（V)/组件电压（V）以上都是没有修正过的公式.以下公式供参考太阳能电池方阵设计：串联数：Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）式（2）中：--UR为太阳能电池方阵输出最小电压；--Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；--Uf为蓄电池浮充电压；--UD为二极管压降，一般取0.7V；--UC为其它因子引起的压降。太阳能电池组件并联数Np在确定Np之前，我们先确定其相关量的计算方法。①将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表1）：H=Ht×2.778／10000h（3）式（3）中：2.778／10000（h•m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。②太阳能电池组件日发电量QpQp=Ioc×H×Kop×Cz（Ah）(4)式（4）中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数（参照表1）；Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=A×QL×NL(Ah)(5)④太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。(3)太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=Po×Ns×NpW（7）式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。前言近年来太阳能(又称光伏)发电得到了迅速的发展,在我国各种光伏系统及应用产品不断涌现,出现了前所未有的可喜局面。然而稍加分析便可看出,很多产品都没有经过仔细的最佳化设计,有的系统和产品是照猫画虎,以讹传讹;有的则根本不符合光伏发电的基本规律和工作特点,以致不能保证长期稳定可*地运行,或者配置容量过大,造成大量浪费,影响了光伏电源的推广应用。在现阶段,太阳电池的价格还较高,光伏系统应当根据负载要求和当地的气象地理条件进行最佳化设计,通过科学的计算方法,达到可*性和经济性的最佳结合。然而,由于光伏发电系统运行时牵涉到的影响因素很多,关系错综复杂,设计计算相当困难。一些设计方法不是十分繁杂,就是不够完善。我们在以前工作的基础上[1],进一步做了修正和改进,总结出了一种简明合理而又实用的最佳化设计方法。光伏系统按供电方式大致可分为独立系统、混合系统和并网系统三大类,本文仅讨论应用最广泛的独立光伏系统的最佳化设计。2技术条件2.1负载性质独立光伏系统是指没有任何辅助电源,光伏发电是唯一电力来源的电源系统。实际负载的大小及使用情况等可能千变万化,从全天使用时间上来区分,大致可分为白天、晚上和白天连晚上三种负载。对于仅在白天使用的负载,多数可以由光伏系统直接供电,减少了由于蓄电池充放电等引起的损耗,所配备的光伏系统容量可以适当减小。全部晚上使用的负载其光伏系统所配备的容量就要相应增加。白天连晚上的负载所需要的容量则在两者之间。此外,从全年使用时间上来区分,大致又可分为均衡性负载、季节性负载和随机性负载。为了简化,对于月平均耗电量变化不超过10%的负载也可以当作平均耗电量都相同的均衡性负载[2]。本文仅讨论为均衡性负载供电的独立光伏系统的最佳化设计。2.2影响因素的考虑影响光伏系统运行的因素很多,关系十分复杂,有的书上甚至列举了几十个修正系数。实际上因为现场条件和运行情况千变万化,既无法事先逐一确定其大小,也完全没有必要区分得如此细致,可将其组合成少量几个必要的修正系数,如果需要还可加上一定的安全系数来处理。2.3太阳辐照量由于太阳辐射的随机性,无法确定光伏系统安装后方阵面上各个时段确切的太阳辐照量,只能根据气象台记录的历史资料作为参考。然而,通常气象台站提供的是水平面上的太阳辐照量,需要将其换算成倾斜方阵面上的辐照量。对于一般的光伏系统而言,只要计算倾斜面上的月平均太阳辐照量即可,不必考虑瞬时(通常是逐小时)太阳辐射通量。为了将水平面上的月平均太阳辐照量换算成倾斜面上月平均太阳辐照量,不少人还一直应用Liu和Jordan在1962年提出的计算方法[3,4]。这种方法虽然计算比较简单,但实际上只有在一年中的太阳二分点(三月和九月的春秋分)才是正确的。此方法用于朝向赤道的倾斜面上月平均散射辐照量的计算结果偏小。现在国外通常采用Klien和Theilacker提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法[5,6],其计算方法是:2.4方阵倾角固定式光伏方阵,应尽可能朝向赤道倾斜安装,这样一是可以增加全年接收到的太阳辐照量,二还能提升冬季方阵面上的太阳辐照量,而同时降低夏季的辐照量。这对于以蓄电池为储能装置的独立光伏系统是十分重要的。现在,有不少太阳能草坪灯等类光伏产品的太阳电池采用水平安装,这些产品本身容量比较紧张,更不应该采用水平安装的方式。对于光伏方阵的倾角,有些资料提出等于当地纬度,或当地纬度加上5°～15°[7],显然这是不合适的。实际上,即使纬度相同的两个地方,其太阳辐照量的大小及组成往往相差很大,如拉萨和重庆的纬度基本相同(仅差0.18°),而水平面上的太阳辐照量却要相差一倍以上,显然加上相同的度数作为方阵倾角是不妥当的。不少资料提出了确定方阵最佳倾角的方法,然而由于现代计算技术的进步,可以通过一定的计算方法,在满足负载用电要求的条件下,比较各种不同的倾角所需配置的太阳电池方阵和蓄电池容量的大小,从而决定方阵的最佳倾角。事实上,设计时对于不同的蓄电池维持天数,要求的系统累计亏欠量不一样,最佳倾角也不一定相同(见表1),所以不必事先确定。2.5温度影响众所周知,在太阳电池温度升高时,其开路电压要下降,输出功率会减少。所以,有些设计方法在最后确定方阵容量时,考虑太阳电池温度系数的影响,从而增大容量[1,7]。然而,这种把方阵当作全年都处在最高温度下工作,显然是个保守的方法。实际上,现在常用的36片太阳电池串联为12V蓄电池充电的标准组件,已经考虑了夏天温度升高的影响。而且,通常夏天太阳辐射强度较大,方阵发电量常有盈余,完全可以弥补由于温度升高所减少的电能,因此在计算太阳电池容量时可以不必考虑温度的影响。在特殊情况下,只要增加系统的安全系数即可。不过在温度较低时,蓄电池输出容量要受到影响,在冬天工作温度低于0℃时,应适当加以考虑。2.6蓄电池维持天数通常是指没有光伏方阵电力供应的情况下,完全由蓄电池储存的电量供给负载所能维持的天数。有的资料建议在3～6d中选取[8],也可参考当地年平均连阴雨天数等因素而定。3独立光伏系统优化设计步骤3.1确定负载耗电量列出各种用电负载的耗电功率、工作电压及平均每天使用时数,还要计入系统的辅助设备如控制器、逆变器等的耗电量。选择蓄电池工作电压V,算出负载平均日耗电量QL(Ah/d)。3.2计算方阵面上太阳辐照量输入当地地理及气象资料,根据2.3节所介绍的方法,计算不同倾斜面上的全年平均太阳辐照量Ht(kWh/m2·d)。3.3算出各月发电盈亏量对于某个确定的倾角,方阵输出的最小电流应为:从而得到各月发电盈亏量△Q=Qg-Qc如果△Q0,为亏欠量,表示该月发电量不足,需要由蓄电池提供部分储存的电量。3.4确定累计亏欠量Σ|-ΔQi|以两年为单位,列出各月发电盈亏量,如只有一个△Q0的连续亏欠期,则累计亏欠量即为该亏欠期内各月亏欠量之和。如有两个或以上的不连续△Q0的亏欠期,则累计亏欠量Σ|-ΔQi|应扣除连续两个亏欠期之间ΔQi为正的盈余量,最后得出累计亏欠量Σ|-ΔQi|。3.5决定方阵输出电流将累计亏欠量Σ|-ΔQi|代入下式:n1=Σ|-ΔQi|QL将n1与指定的蓄电池维持天数n相比较,若n1n,则增大电流I,重新计算,反之亦然。直到n1=n,即得出方阵输出电流Im。3.6求出方阵最佳倾角改变倾角,重复以上计算,进行比较,得出最小的方阵输出电流Im值,相应的倾角即为方阵最佳倾角βopt。3.7得出蓄电池及方阵容量这样可以求出蓄电池容量为:Β=Σ|-ΔQi|(