光伏系统的计算(第三课)

太阳能电气基础知识培训第三课：太阳能光伏系统的电气计算太阳电池发电系统的设计步骤设计原理和名词解释1.设计原则：在设计中主要是确定组件工作电压和功率这两个参数。同时还要根据目前材料、工艺水平和长寿命的要求，让组件面积比较合适，并让单体电池之间的连接可靠，且组合损失较小。2.电气原理：通过对单体太阳电池进行适当的串、并联，以满足不同的需要。电池串联时，两端电压为各单体电池中电压之和，电流等于各电池中最小的电流；并联时，总电流为各单体电池电流之和，电压取平均值。组件设计举列：问题：用40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%）设计一工作电压为1.5伏，峰值功率为1.2瓦的组件。计算：单晶硅电池的工作电压为：V=0.41v则串联电池数：Ns=1.5/0.41=3.66片，取Ns=4片单体电池面积：s=/4d2=42/4=12.57cm2单体电池封装后功率：Pm=100mv/cm212.578.5%95%=100mw=0.1w式中95%是考虑封装时的失配损失需太阳电池总的片数：N=1.2/0.1=12片太阳电池并联数：NP=N/Ns=12/4=3组故用12片40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。联接的方法如图1但这种联接方法有缺点，一旦其中一片电池损坏、开路或被阴影遮住，损失的不是一片电池的功率，而是整串电池都将失去作用，这在串联电池数目较多时影响尤为严重。为了避免这种情况，可以用混联（或称网状连接）的对应的电池之间连片连接起来，如图2，这样，即使有少数电池失效（如有阴影线的），也不致于对整个输出造成严重损失。3.平均日照时数和峰值日照时数要了解平均日照时数和峰值日照时数，首先要知道日照时间和日照时数的概念。日照时间是指太阳光在一天当中从日出到日落实际的照射时间。日照时数时指在某个地点，一天当中太阳光达到一定副照度（一般以气象台测定的120W/m2为标准）时一直到小于此辐照度所经过的时间，日照时数小于日照时间。平均日照时数是指某地的一年或若干年的日照时数总和的平均值。例如，某地1985年到1995年实际测量的年平均日照时数时2053.6h，日平均日照时数就是5.63h。峰值日照时数是将当地的辐射量，折算成标准测试条件，（辐照度1000W/m2）下的时数。例如，某地某天的日照时间是8.5h，但不可能在这8.5h中太阳的辐照度都是1000W/m2。而是从弱到强再从强到弱变化的。例：若测得这天累计的太阳辐射量时3600W/m2，则这天的峰值日照时数就是3.6h。4.太阳能电池组件及方阵的常用计算方法：电池组件的并联数=负载日平均用电量(Ah)/组件日平均发电量(Ah)其中，组件日平均发电量=组件峰值工作电流（A）*峰值日照时数（h）再将系统的工作电压除以太阳能电池组件的峰值工作电压，就可以算出太阳能电池组件的串联数量。这些电池组件串联后就可以产生系统负载所需要的工作电压或蓄电池组的充电电压。具体公式为：电池组件的串联数=系统工作电压（V）*系数1.43/组件峰值工作电压（V）系数l.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。例如：假设某光伏发电系统工作电压为48V，选择了峰值工作电压为l7．OV的电池组件，计算电池组件的串联数=48V×1.43／17.0V=4.03≈4(块)。电池组件(方阵)总功率(W)=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率(W)5.相关因素的考虑上面的计算公式完全是理想状态下的书面计算。如果根据上述计算公式计算出的电池组件容量，在实际应用当中是不能满足光伏发电系统的用电需求的。为了得到更准确的数据，就要把一些相关因素和数据考虑进来并纳入到计算中。与太阳能电池组件发电量相关的主要因素有两点。(1)太阳能电池组件的功率衰降.在光伏发电系统的实际应用中，太阳能电池绍件的输出功率(发电量)会因为各种内外因素的影啊而衰减或降低。例如，灰尘的覆盖、组件自身功率的衰降、线路的损耗等各种不可量化的因素，在交流系统中还要考虑交流逆变器的转换效率因素。因此，设计时要将造成电池组件功率衰降的各种因素按l0％得损耗计算，如果是交流光伏发电系统时，还要考虑交流逆变器转换效率的损失也按l0％计算。这些实际上都是光伏发电系统设计时需要考虑的安全系数，设计时为电池组件留有合理余量，是系统年复一年长期正常运行的保证。(2)蓄电池的充放电损耗。在蓄电池的充放电过程中，太阳能电池产生的电流在转化储存的过程中会因为发热、电解水蒸发等产生一疋的损耗，也就是说蓄电池的充电效率根据蓄电池的不同一般只有90％～95％。因此在设计时也要根据蓄电池的不同将电池组件的功率增加5％～l0％，以抵消蓄电池充放电过程中的耗散损失。6．实用的计算公式在考虑到各种因素的影啊后，将相关系数纳入到上述公式中，才是一个设计和计算太阳能电池组件的完整公式电池组件的并联数=负载日平均用电量（Ah）组件日平均发电量（Ah）x充电效率系数x组件损耗系数x逆变器效率系数电池组件的串联数=系统工作电压（v）x系数1.43组件峰值工作电压（v）电池组件(方阵)总功率(w)=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率(w)注意：在进行太阳能电池组件的设计与计算时，还要考虑季节变化对系统发电量的影啊。因为在设计和计算得出组件容量时，一般都是以当地太阳能辐射资源的参数如峰值同照时数、年辐射总量等数据为参照数据，这些数据都是全年平均数据，参照这些数据计算出的结果，在春、夏、秋季一般都没有问题，冬季可能就会有点欠缺。因此在有条件时或设计比较重要的光伏发电系统时，最好以当地全年每个月的太阳能辐射资源参数分别计算各个月的发电量，其中的最大值就是一年中所需要的电池组件的数量。例如，某地计算出冬季需要的太阳能组件数量是8块，但在夏季可能有5块就够了，为了保证该系统全年的正常运行，就只好按照冬季的数量确定系统的容量。计算举例：某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压48V，用电量为每天150Ah，该地区最低的光照辐射是l月份，其倾斜面峰值日照时数是3.5h，选定125W太阳能电池组件，其主要参数：峰值功率l25W、峰值工作电压34.2v、峰值工作电流3.65A，计算太阳能电池组件使用数量及太阳能电池方阵的组合设计。根据上述条件，并确定组件损耗系数为0.9，充电效率系数也为O.9。该系统是直流系统，所以不考虑逆变器的转换效率系数：计算：电池组件并联数=150Ah=14.493.65Ax3.5hx0.9x0.9电池组件串联数=48Vxl.43=234.2v根据以上计算数据，采用就高不就低的原则，确定电池组件并联数是l5块，串联数是2块.也就是说，每2块电池组件串联连接，l5串电池组件再并联连接，共需要l25W电池组件30块构成电池方阵。连接示意图如图所示。该电池方阵总功率=15×2×125W=3750W7．蓄电池和蓄电池组的设计方法蓄电池容量=负载平均用电量(Ah)×连续阴雨天数×放电率修正系数最大放电深度X低温修正系数0℃时的容量大约下降到标称容量的95％～90％，-10℃时大约下降到标称容量的90％～80％，-20℃时大约下降到标称容量的80％～60％蓄电池串联数=系统工作电压蓄电池标称电压蓄电池并联数=蓄电池总容量蓄电池标称容量计算举例：某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压48V，该系统有两套设备负载，一套设备工作电流为15A，每天工作24h；另一套设备工作电流4.5A，每天工作12h。该地区的最低气温是-20℃，最大连续阴雨天数为6天，选用深循环型蓄电池，计算蓄电池组的容量和串并联数量及连接方式。根据上述条件，并确定最大放电深度系数为0.6，低温修正系数为0.7。负载日平均用电量=(1.5Ax24h)+(4.5Axl2h)=90Ah蓄电池(组)容量=90Ahx6x0.85=1092．86Ah0.6x0.7根据计算结果和蓄电池手册参数资料，可选择2V／600Ah蓄电池或2V/1200Ah蓄电池，这里选择2V／600Ah型。蓄电池串联数=48V／2V=24蓄电池并联数=1092.86Ah／600Ah=182≈2蓄电池组总块数=24X2=48根据以上计算结果，共需要2V／600Ah蓄电池48块构成蓄电池组，其中每24块串联后2串并联，如图