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第八章光伏系统设计简介8.1光伏系统发电量的估算方法一、光伏系统发电量的粗略估算光伏组件的装机容量可以简单的由单块组件功率和组件总数的乘积得到，通常情况下指的是标准光照1000W/m2下的发电功率，没有考虑到日照强度，装机容量可表示为：光伏系统装机容量（W）=组件标称发电功率×组件的数量同样的装机容量由于日照强度不同，在不同的地区的发电量有很大的区别，考虑到日照强度时，光伏系统的装机容量也可以简单估算为：太阳发电系统装机容量（W）=电池板面积×日照强度×组件的光电转换效率这里日照强度：太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：W/m2。光电转换效率：太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体硅组件效率目前约为：16~17%实际上的光伏组件发电量会受到一些外在因素的影响而降低，实际的发电量远远低于上述的估算结果，实际上光伏系统的发电量可以估算为：太阳发电系统发电量＝装机容量（标准）×有效日照时间×综合系数＝装机容量（标准）×太阳光日辐射量/1000×综合系数这里，装机容量：装机容量是系统的总标称功率，装机容量=组件功率×组件的数量有效日照时间：将每日的入射光能量换算成标准入射功率（1000W/m2）下的入射时间，一般以小时为单位。由于太阳能电池的发电效率受光强影响很大，因此弱光或漫射光等对光伏发电量的贡献很低，如果完全按照入射太阳能电池板的光总能量来计算光伏发电量，会导致计算出来的发电量偏高，因此在估算每日的总入射光能量时候需要考虑直射光、漫射光等因素。综合系数：考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的系统发电效率因数很多情况下0.5~0.6二、如何估算有效入射光能量由于光照的不稳定和不确定性，同时也因为光伏系统在不同入射光强度和入射光性质下发电效率的变化，要准确的估算光伏系统发电量就必须准确的估算入射光能量。光入射量的估算方法也是光伏发电的研究重点之一，目前提出了非常多的模型，共同点是都同太阳能电池板方位角、太阳能电池板倾角以及太阳高度角，也就是说太阳能电池板安装地的经纬度和季节等参数密切相关。一般气象局等单位都会有当地的月太阳辐照数据，根据给出的太阳能辐照数据，可以根据一些经验方法来对有效入射太阳光能量进行估算。1、首先介绍几个关于太阳能的相关参数概念。（1）太阳高度角：太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，一般在正午时分太阳高度达到最大值，此时太阳高度角也称为正午太阳高度，可简单由下面的公式8-3计算，北纬为正，南纬为负。正午太阳高度角(α)=90°-(当地纬度-太阳直射点纬度)8-3（2）太阳能电池板倾角：太阳能电池板平面与水平地面的夹角。一般根据光伏系统安装地的纬度进行设定。最简单的情况可以取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池组件安装的倾斜角，如果能够采用计算机辅助设计软件，可以进行太阳能倾斜角的优化计算。最理想的倾斜角一般是使太阳能电池年发电量尽可能大的倾角，但对于某些带有蓄电池的独立光伏系统，还更需要冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角，否则会造成冬季-夏季发电量差异过大，蓄电池容量要求增加。这对于高纬度地区尤为重要。高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，例如我国黑龙江省相差约5倍。当然，最好的方法是在夏季和冬季各进行一次倾角调整。太阳能电池板最佳倾角和安装地纬度有以下经验关系：纬度为0°~25°时，倾斜角等于纬度；纬度为26°~40°时，倾斜角等于纬度加上5°~10°；纬度为41°~55°时，倾斜角等于纬度加上10°~15°；纬度为55°以上时，倾斜角等于纬度加上15°~20°。需要注意的是，不同类型的太阳能光伏发电系统，其最佳安装倾斜角是有所不同的。例如光控太阳能路灯照明系统等季节性负载供电的光伏发电系统，这类负载的工作时间随着季节而变化，其特点是以自然光线的来决定负载每天工作时间的长短。冬天时日照时间短，太阳能辐射能量小，而夜间负载工作时间长，耗电量大。因此系统设计时要考虑照顾冬天，按冬天时能得到最大发电量的倾斜角确定，其倾斜角偏大一些，因为冬天太阳高度非常小，太阳光几乎呈水平方向入射。而对于主要为光伏水泵、制冷空调等夏季负载供电的光伏系统，则应考虑为夏季负载提供最大发电量，其倾斜角可以偏小一些，有利于夏季垂直于电池板入射光分量的增大。有些时候太阳能电池板倾角只能根据安装地地理条件来设定，例如屋顶光伏系统很多时候的倾角需要根据屋顶面形状设定。（3）太阳能电池板方位角：所谓方位角一般是指东西南北方向的角度，方位角决定了阳光的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向的建筑物的采光状况。对于太阳能光伏系统来说，太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。，一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。北半球的光伏阵列朝向的方位角一般取正南方向，但随季节也有不同变化。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。例如太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率，这样有利冬季多发电。对固定安装的光伏阵列来说，不跟踪太阳移动的方位角会导致大约36.3%的太阳辐射能量的损失。2、电池板上有效入射太阳能估算1太阳能辐射的数值一般可以在当地气象局查询。从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量H，直接辐射量H及散射辐射量H。且有：H～H＋H，由于太阳能电池板有一定倾角，因此需换算成倾斜面上的太阳辐射量，这里假设漫射部分同倾斜角无关。在确定了安装方位角，太阳高度角以及安装倾角之后，就可以粗略估算入射到太阳能电池板的有效光辐射量。下面介绍一种简单的估算方法。图8-1给出了太阳能电池板倾角和太阳高度关系示意图。估算方法如下：如果从已有日照数据中可以直接得到投射到水平面上的月平均直射（S）和漫射（D）日照数据，可以根据经验公式得出投射到阵列上的总日照数，或根据已有软件计算。漫射值也可不计入。电池板倾斜面垂直入射太阳辐射的简单公式如式8-4所示。sin=sinSRD8-4图8-1入射倾斜太阳能电池板面的太阳辐射式8-4中：Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量S——水平面上太阳直接辐射量D——散射辐射量α——中午时分的太阳高度角（阳光同水平面夹角，可查资料）β——光伏阵列倾角（方阵面同水平方向夹角）需要注意的是，漫射光辐射在很多时候很难被作为有效入射能量，可能被舍去。例如阴天的发电量如果直接用漫射光辐射计算，计算值会偏大。另外，很多时候电池板倾斜面垂直入射太阳辐射用字母HT表示，Rβ表示日照或月照平均小时数。3.电池板上有效入射太阳能估算2上面的计算方法采用了简单公式描述水平面直射辐射同倾斜面上直射辐射的关系，这里给出一个更为详细的计算方法，利用了更多的太阳位置参数。已知：水平面上直接辐射分量HB和漫射辐射分量Hd，这里漫射量同倾斜角也有关系。下面给出一个简单说明。（１）首先计算倾斜面上的直接辐射分量HBTHBT=HBRB其中RB为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值。对于朝向赤道的倾斜面来说：（8-5）（8-6）（3）、计算地面反射辐射分量HrT：通常可将地面的反射辐射看成是各向同性的，其大小为：（8-7）其中ρ为地面反射率，其数值取决于地面状态，各种地面的反射率如下表所示：一般计算时，可取ρ=0.2，故斜面上太阳辐射量即为：（8-8）通常计算时用上式即可满足要求。如考虑天空散射的各向不同性，则可用下式计算：（8-9）式中：HO为大气层外水平面上辐射量。这里辐射量单位mwh/cm2.在光伏系统计算时，以月平均量计算的场合居多。根据经验，对光伏电池板如果每月调节一次倾角，全年总发电量比固定倾角可增加3%，一般单轴跟踪阵列比固定倾角时年发电量增加约20%，双轴跟踪比固定倾角时年发电量可增约30%以上。三、光伏系统发电成本的粗略估算光伏发电的成本一般以20~25年预估。首先计算年发电量：光伏系统年发电量=太阳能电池组件功率*日平均有效光照时间*最佳利用比*365这里，太阳能电池组件功率是指出厂时标准条件下测定的组件功率。测试条件：AM1.5，光强1000W/m2，25°C；日平均有效光照时间：可以从当地气象部门查询，同地域有关，一般指用太阳能电池标准辐射（1000W/m2)来平均总辐射量得到的小时数。最佳利用比：考虑到系统损耗后及其他光学损失后的系数，经验上取0.6~0.8例如1kw的光伏系统，如果设定最佳利用比0.6，日照平均时间3.5小时，则•1kW一年发电量约为760度（最佳利用比0.6，日照3.5h）•目前1kw硅太阳能电池组件售价约0.45万元，系统安装后：0.9万元•能量回收期按照2年计算•发电成本：总成本/（22年发电量-耗电量）~0.6元/度四、光伏阵列安装密度要求光伏电池组件阵列间必须有一定的距离。在排列太阳能组件时应注意，组件排列要按电池板的投影尺寸排列，即排列面积取实际面积与倾斜角余弦的乘积；组件并列排列时要考虑组件和组件的间隙，一般按2～5mm的间隙考虑；要考虑检修通道的走向。图8-2给出了阵列排列时候阴影部分和阵列尺寸及倾角等的关系。图8-2阴影部分和阵列尺寸及倾角等的关系为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于D，D的经验公式为：()轾臌0.707HD=tanarcsin0.648cosΦ-0.399sinΦ（8-10）式中Φ为当地地理纬度(在北半球为正，南半球为负)，H为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差,根据组件长度和倾角确定。例如，对于组件长度27002700mm和倾角40°时，H=1735mm，根据式8-10计算，求得D=5025㎜。因此取光伏电池组件前后排阵列间距5.5米。图8-3给出了该阵列的排布图，可以看出阵列间距还是非常大的，增大了光伏阵列的铺设面积，导致太阳能利用率的降低。图8-3光伏阵列的间距8.2独立光伏系统设计一、独立光伏系统设计概述分布式（独立）发电一般独立于公共电网而靠近用电负荷，可以包括任何安装在用户附近的发电设施，而不论其规模大小和一次能源的种类。一般来说，分布式电源是集成或单独使用的、靠近用户的小型模块化发电设备。独立光伏系统的组成部分可以归纳为：•蓄电池组（储能系统）•太阳能电池控制器•逆变器•太阳能电池阵列、安装支架•直流汇流箱、交直流电路（熔断器、断路器、电缆导线）•电器控制柜•接地故障保护器等•负荷•其他附加电力来源•远程监控独立光伏系统在很多时候都应用于公共电网无法覆盖的偏远地区，或者作为某些重要负载设备的后备电源，例如偏远地区的照明设施，通讯设备和住宅用电等。因此大多时候独立光伏系统设计的基本内容是确定光伏组件与蓄电池的数量配置，以满足某一给定地点的给定负载的使用需求，大多场合的设计指导思想是满足年平均月负载的用电需求。具体内容包括：•项目地点的太阳能资源评估与光伏电站选址可行性分析，包括光伏电站发电量与发电成本预估等前期工作；•负载特性调查；光伏组件串并联方式及输出电压电流要求；•光伏系统装机容量设计：包括根据负载要求确定太阳电池方阵和蓄电池的容量,以及方阵的倾角。在有其他能源进行补充时，根据安装地点条件、负载要求和综合发电成本等确定太阳电池方阵和蓄电池的容量,以及方阵的倾角。•光伏电站各设备选型：包括储能系统种类，光伏控制器与逆变器，•交直流配电线路设计，例如配电柜等•保护与监测系统设计，例如避雷与接地系统，数据采集与远程监控等。二、独立光伏系统的负载特性以及几种工作方式光伏系统必须匹配负载的用电要求。独立光伏系统直接或通过蓄电池对负载提供电能，对交流用电负载还需要通过逆变器转换。直接提供电能时光伏阵列或者蓄电池阵列的配置必须符合负载端的功率、电压和电流要求。例如，光伏阵列中串联组件的数量=系统电压/单位组件电压；并联组件数量=月平均负载（Ah）/组件串月输出（Ah）等。1、负载的分类（1）均衡性负载。用电量基本保持恒定，不随季节