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学号 59 成绩独立光伏系统设计院部太阳能光电信息工程专业光电信息工程姓名黄丹萍指导教师二〇一二年五月独立光伏系统设计1 摘要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要 ,加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。利用洁净的太阳光能 ,以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。在进行光伏系统设计时其中很重要的一部分是光伏系统的容量设计 ,包括确定光伏方阵的倾斜角 ,以及决定太阳能电池方阵和的容量。在确定光伏方阵最佳倾角时，应综合考虑方阵面上太阳辐射量的连续性、均匀性。【关键词】能源蓄电池倾斜角独立光伏系统设计2 Abstract Based on conventional energy sources of energy structures as resources continue to consume more and more do not meet the requirements of sustainable development, speed up the development and utilization of solar to renewable energy has become the subject of consensus. Use clean solar energy, based on semiconductor photovoltaic effect of photovoltaic power generation technology has a very broad application prospects. When the PV system design and a major part of the PV system capacity design, including determining the inclination angle of the PV array, as well as of the solar matrix and decision capacity. When you determine the best angle PV array, should be considered on a square surface continuity, uniformity of sun radiation. 【 Key words】 energy storage battery tilt angle 独立光伏系统设计3 目录第一章结论 1第 2 章独立光伏系统 22.1 独立光伏系统系统概述 . . 22.1.1 蓄电池组2.1.2 阻塞二极管第 3 章光伏系统设计 . 23.1 设计的基本原理 . 33.2 蓄电池设计方法 4第四章系统的优化设计 64.1 独立光伏系统设计实例 . 6致谢 10参考文献 11独立光伏系统设计1 第一章绪论在当今社会，人类要长久生存需要能源，社会要不断发展也需要能源。然而煤、石油、天然气这些化石能源实在有限。据统计这些化石能源可采用年限越来越少，甚至濒临枯竭。伴随社会经济的飞速发展，能源消耗持续增加，环境问题日益增突出。开发、利用太阳能作为新能源成为大势所趋。太阳能发电无需燃料，具有无污染、安全、无噪音、运行简单可靠、资源的相对广泛性和安全性、长寿命等其他常规能源所不具备的优点。而且太阳能是资源最丰富的可再生资源，太阳能不但数量巨大、用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。广义地说太阳光的辐射能、风能、水力能、生物质能、潮汐能都属于太阳能，它们随着太阳的活动，周而复始地循环，不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。在石油和煤炭等矿物能源日渐枯竭、环境污染日趋严重的今天，太阳能等可再生能源的应用愈来愈受到人们的重视。因此，我国应该注重光伏产业的发展。光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源，并且可再生的绿色能源太阳能光伏发电应用非常的广泛。独立光伏系统设计2 第 2 章独立光伏系统2.1 独立光伏系统系统概述通常的独立光伏发电系统主要由太阳电池方阵、蓄电池、控制器以及阻塞二极管组成。2.1.1 蓄电池组蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能贮存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。 3 i1 _ s * }7 n在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电，（同时方阵还要给负载用电），晚上则负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。f 2.1.2 阻塞二极管肖特基或锗管 0.3V 左右。也称作为反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为 0.6V。S独立光伏系统设计3 第 3 章光伏系统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。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。3.1 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。独立光伏系统设计4 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。3.2 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。独立光伏系统设计5 考虑的计算修正因子，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＝温度修正因子最大允许放电深度日平均负载自给天数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允许放电深度为 50％。所以，加权平均负载工作时间 A10A5hrs6A10hrs8A5＋＋＝ 6.67hrs 平均放电率 0.5hrs67.6days5 ＝ 66.7 小时率根据上页中的典型温度－放电率－容量变化曲线，与平均放电率计算数值最为接近的放电率为 50 小时率， -20 ℃时在该放电率下所对应的温度修正系数为 0.7 （也可以根据供应商提供的性能表进行查询）。如果计算出来的放电率在两个数据之间，那么选择较快的放电率（短时间）比较保守可靠。因此蓄电池容量为蓄电池容量＝7.05.0hrs6A10hrs8A55 ）＋（＝ 1428.57Ah50小时放电率独立光伏系统设计6 第四章系统的优化设计4.1 独立光伏系统设计实例下例中的独立光伏系统是为微波中继站配套设计（ Mark， 1979） [17] 。1、第一步分析负载微波中继站一般平均需要 100W 的功率和 245V 或 24-5V 的电压。因此，相对应的平均电流也就是 4.17A。2、第二步选择蓄电池的容量对于上述负载，假设我们需要 15 天的能量储备，那么系统中蓄电池的容量即为4.17Ah 24h 15 天 1500Ah。3、第三步太阳能板倾角的初步估算一般来说，需要根据安装地区的信息进行设计，而且经常会选择比安装地点的纬度角大 20° 左右的倾角。比如说，南半球某处的纬度是 37.8 ° S，那么初次近似得到的倾角就应该是 37.8 ° 20° 57.8 °，面北。表 4.1 南半球某处投射在水平面上的月平均直射 /漫射日照数据月份 S（ mW/cm2） D（ mW/cm2）一月 629 210 二月 559 144 三月 396 166 四月 309 127 五月 199 98 六月 167 79 七月 195 82 八月 254 120 九月 368 148 十月 500 197 十一月 491 241 十二月 676 214 独立光伏系统设计7 4、第四步日照。首先获取该地的日照数据，然后计算出落在太阳能板斜面上的日照量。从表 4.1 得出，在一月份S 629 mWh/cm2 D 210 mWh/cm2 因此，在倾角为 57.8°的平面上，通过公式可得出，直射光为S57.8 629 sin α 57.8 / sin αδ 23.45 ° sin [15-81 360/365] ﹣ 21.3 °α 90 -37.8 - δ在上式中我们选择一月中旬的一天（如一年中的第 15 天，即 d 15）代入，因此α 73.5 ° S57.8 493 mWh/cm2而投射到阵列上的总日照辐射（直射漫射）就是R S57.8 D 703 mWh/cm2当然，此处假设漫射 D 不会随倾角的增减而变化。在倾角不是很大的情况设置这样的假设还是合理的。从表得出，在六月d 166 δ 23.45 ° sin [166-81 360/365] ﹣ 23.3 °α 28.9 °S57.8 629 sin a57.8 / sin α 345 mWh/cm2R S57.8 D 424 mWh/cm25、第五步阵列面积的初步计算① 阵列面积可初步估算为 5 4.17 20.9Ap（ Ap 为峰值电流）② 算出每月输出电能换算成 A（采用 Ah 估算即可），亚利桑那州的一个研究报告指出（ Hammond， 1997） [18] ，对垂直于太阳安装的组件而言，两次雨水冲刷间由尘泥覆盖引起的能量损失最大为 3，并且会随着入射角的增加而增大。灰尘会降低太阳能板的能量输出，这部分一般记作作 10的遮光损失。例如，在一月份703mWh/cm2 0.9 31d 20.9A/100 mWh/cm2 4100Ah。③ 将每月负载用电量换算成 B，同时需包括蓄电池漏电的损耗（可估算为 3）。以一月份为例，用电量是（ 4.17A 24d 31d）（ 0.03 1500A） 3147Ah 上式中我们独立光伏系统设计8 假设蓄电池最初为满电状态。④ 通过每月发电量②和每月用电量③的差，求出当月月底蓄电池的剩余电量。⑤ 对其他月份重复② ④的计算。6、第六步优化光伏阵列倾角保留太阳能板面积不变，对光伏阵列倾角作以微调，然后重复上述第四步，以及第五步的② ⑤，直到将蓄电池放电深度最小化为止。这样可以得到最优化的光伏阵列倾角。7、第七步优化阵列面积确定了最佳倾角后，通过不断调整阵列面积，重复第五步 ② ⑤得计算，以得出最优化的蓄电池放电深度。其理想值介于蓄电池总容量的 50的± 2之间。比如说，一个容量为 1500Ah 的蓄电池，它的最大放电深度应该控制在 720780Ah 之间。8、第八步对设计加以总结。表 4.2 太阳能板倾角为 57.8 °各月月底蓄电池的剩余用电量月份 Rβ（ mW/cm2） A（ Ah） B（ Ah） A-B（ Ah）一月 703 4100 3147 953 二月 657 3460 2847 613 三月 612 3569 3147 422 四月 574 3239 3047 192 五月 459 2676 3147 -471 六月 424 2392 3047 -654 七月 464 2706 3147 -441 八月 527 3073 3147 -74 九月 628 3544 3047 497 十月 690 4023 3147 876 十一月 643 3628 3047 581 十二月 722 4210 3147 1063 表格中 A 为每月的输出电能， B 为每月负载用电量。 A-B 为当月月底蓄电池的剩余用电量。表格中 5、 6、 7、 8 月月底蓄电池剩余电量之和为 -1640Ah。而例题中给出的蓄电池独立光伏系统设计9 的容量为 1500Ah 无法满足该地区冬季的用电量。因此下两节将重点对太阳能电池板倾角进行分析和对蓄电池容量进行优化。独立光伏系统设计10 致谢非常感赵老师，赵老师在我大学的学习阶段设计阶段给我的指导。从最初的选题、资料收集、构思、写作、修改。赵老师给了我耐心的指导和无私的帮助。在论文写作过程中周老师倾注了大量的心血，严格把关，一遍又一遍的指出具体问题，循循善诱，在此我表示衷心感谢。最后，衷心的感谢在百忙之中参加论文审阅的专家和老师。独立光伏系统设计11 参考文献[1] 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 . 北京工业大学出版社 .2001. [2] 车孝轩 . 太阳能光伏电源系统概论 . 武汉大学出版社 .2006. [3] 李俊峰．中国光伏发电商 qk 化发展报告 IM] ．中国环境科学 }n 版社， 2001.