光電系統(tǒng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、光電系統(tǒng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（電科專業(yè)）電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)一 光伏系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能光電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板、蓄電池、控制器（也稱調(diào)整器）、逆變器等組成，目的是為負(fù)載提供用電電能。由于太陽(yáng)電池板所接收的光能是不恒定的、不連續(xù)的（只有白天有陽(yáng)光時(shí)才有電能輸出），因此在獨(dú)立太陽(yáng)能光電系統(tǒng)中，必須采用蓄電池來儲(chǔ)存能量，使之輸出較穩(wěn)定、較連續(xù)的電能。即使是使用較廉價(jià)的鉛酸蓄電池，其投資在光電系統(tǒng)中也占有較大的比重。而在獨(dú)立太陽(yáng)能光電系統(tǒng)中，蓄電池的工作方式主要是以充放電的方式進(jìn)行，以一天或幾天為循環(huán)周期。過度的充電和過度的放電都將大大縮短蓄電池的壽命。在光電系統(tǒng)中，使用壽命最短、維修費(fèi)用最高

2、、故障率最多的部件就是蓄電池。光伏充放電控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中配合蓄電池特性，對(duì)蓄電池實(shí)施充電與放電控制的設(shè)備。為了最大限度延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，充放電控制器應(yīng)對(duì)蓄電池進(jìn)行有效的充電、防止過度充電或過度放電。光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池充放電控制，比其他應(yīng)用場(chǎng)合充放電的控制要困難，因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)所供給的電力帶有很大的不確定因素，同時(shí)運(yùn)行也很不穩(wěn)定。蓄電池自身的充電和放電特性不是一成不變的，它與蓄電池的使用過程及蓄電池的新舊程度有關(guān)，光伏發(fā)電系統(tǒng)由于受環(huán)境影響，蓄電池的使用不會(huì)像其他應(yīng)用那樣有穩(wěn)定的充/放電環(huán)境，光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用的是無記憶特性的鉛酸蓄電池，但鉛酸蓄電池充/放電如果不當(dāng)，則很容易造成

3、損壞，要有較好的充放電控制器予以配合。另外，鉛酸蓄電池對(duì)工作環(huán)境要求也較高，當(dāng)工作環(huán)境從2O上升到30時(shí)，其使用壽命將縮短25%，當(dāng)工作溫度環(huán)境降至一10時(shí)，已放電的蓄電池中的電解液會(huì)結(jié)冰并損毀。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的光伏系統(tǒng)控制電路非常重要。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握光伏系統(tǒng)控制電路的工作原理。2 設(shè)計(jì)制作光伏系統(tǒng)蓄電池充放電控制電路。二、實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)控制器應(yīng)具有以下主要功能：1. 將來自太陽(yáng)電池板的 電能直接或通過逆變器向家用電器供電，同時(shí)將多余的電能儲(chǔ)到蓄電池中，以備太陽(yáng)能電力不足時(shí)（如夜間）對(duì)家用電器供電。2. 為防止蓄電池過充電，保護(hù)蓄電池的循環(huán)充放電性能，當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過充電時(shí)，能及時(shí)切

4、斷充電回路；并能按照預(yù)先設(shè)定的保護(hù)模式自動(dòng)恢復(fù)對(duì)蓄電池的充電。3. 提供蓄電池對(duì)各種家用電器的供電通路。為確保蓄電池的正常使用壽命，當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過放電時(shí)能及時(shí)切斷放電回路；當(dāng)蓄電池再次充電后，又能自動(dòng)恢復(fù)供電。4. 當(dāng)用電器發(fā)生故障或短路時(shí)，能自動(dòng)保護(hù)控制器以及系統(tǒng)安全。5. 具有防反充功能。當(dāng)入射光能弱時(shí)有可能出現(xiàn)蓄電池電壓超過太陽(yáng)電池板的輸入電壓，這時(shí)控制器應(yīng)能防止蓄電池電能反向輸入到太陽(yáng)電池板，以避免損壞太陽(yáng)電池板?？刂破鞒俗鳛樘?yáng)電池板、蓄電池和負(fù)載之間的橋梁外，最重要的就是要最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的作用，盡可能延長(zhǎng)系統(tǒng)部件（特別是蓄電池）的使用壽命。因此，在控制器中必須要設(shè)計(jì)蓄電池過充

5、電保護(hù)電路、過放電保護(hù)電路、負(fù)載過流保護(hù)電路和防反充保護(hù)電路等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)控制器的功能要求也越來越高。如蓄電池充電時(shí)，內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有著密切關(guān)系。環(huán)境溫度越高，電化學(xué)反應(yīng)越激烈, 則蓄電池過充電保護(hù)閾值就要隨之降低，即要求蓄電池過充電保護(hù)閾值隨著環(huán)境溫度的變化而變化。因此，要求對(duì)過充電保護(hù)閾值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。為了防止蓄電池極板的鉛化現(xiàn)象，近來發(fā)展了自動(dòng)均衡充電技術(shù)。每隔一定的時(shí)間間隔（如一個(gè)月），控制器將自動(dòng)對(duì)蓄電池進(jìn)行均衡充電，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。為了避免因太陽(yáng)電池板或蓄電池正負(fù)極性接反而損壞控制器，控制器還設(shè)計(jì)有防極性接反保護(hù)電路。此外，為了使用戶能對(duì)控制器的工作

6、狀態(tài)一目了然，還需設(shè)計(jì)一些指示電路，如蓄電池電壓指示、充電指示、過充電指示、過放電指示以及過流指示等。圖1表示太陽(yáng)能光電系統(tǒng)控制器框圖。太陽(yáng)電池板過充電保護(hù)蓄電池過流保護(hù)電路家用電器圖1 太陽(yáng)能光電系統(tǒng)控制器框圖防反充保護(hù)顯示電路溫度補(bǔ)償電路過放電保護(hù)顯示電路在控制器中，蓄電池充、放電保護(hù)電路是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1.蓄電池充電保護(hù)電路蓄電池充電保護(hù)電路的主要功能就是保護(hù)蓄電池避免過充電。其保護(hù)方式根據(jù)開關(guān)元件在電路中的連接方式不同可分為串聯(lián)型保護(hù)電路和并聯(lián)型保電路。1.1 串聯(lián)型充電保護(hù)電路串聯(lián)型充電保護(hù)電路的框圖如圖2所示?？刂齐娐芬话阌杉呻娐窐?gòu)成。開關(guān)元件通常采用開關(guān)三極管或繼電器。當(dāng)取樣電路

7、檢測(cè)到蓄電池電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的過充保護(hù)值時(shí)，控制電路輸出信號(hào)，開關(guān)元件動(dòng)作，切斷充電回路。當(dāng)蓄電池電壓回復(fù)到預(yù)定的恢復(fù)充電值時(shí)，控制電路輸出信號(hào)，開關(guān)元件再次動(dòng)作接通充電回路，太陽(yáng)電池板再次對(duì)蓄電池充電。溫度補(bǔ)償電路根據(jù)環(huán)境溫度的不同自動(dòng)調(diào)整過充電保護(hù)閾值。防反充二極管開關(guān)元件取樣電路蓄電池顯示電路電路溫度補(bǔ)償電路圖2 串聯(lián)型充電保護(hù)電路框圖太陽(yáng)電池板控制電路防反接保護(hù)電路.1.2 并聯(lián)型充電保護(hù)電路 并聯(lián)型充電保護(hù)電路框圖如圖3所示。防反充二極管控制電路取樣電路蓄電池溫度補(bǔ)償電路圖3 并聯(lián)型充電保護(hù)電路框圖顯示電路開關(guān)元件太陽(yáng)電池板防反接保護(hù)電路 并聯(lián)型充電保護(hù)電路中的開關(guān)元件是并聯(lián)在太陽(yáng)電

8、池兩端，因此可解決串聯(lián)型充電保護(hù)電路中充電時(shí)開關(guān)元件要損耗部分功率的問題。當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，開關(guān)元件斷開，不消耗功率。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到預(yù)定的過充保護(hù)電壓值時(shí)，控制電路輸出信號(hào)，開關(guān)元件接通，太陽(yáng)電池板的能量通過開關(guān)元件釋放，從而停止對(duì)蓄電池的充電。當(dāng)蓄電池電壓回復(fù)到預(yù)定的恢復(fù)充電值時(shí)，控制電路輸出信號(hào)，開關(guān)元件斷開，太陽(yáng)電池恢復(fù)對(duì)蓄電池的充電。1.3脈寬調(diào)制型充電保護(hù)電路以上所介紹的充電保護(hù)電路中開關(guān)元件是處于開、關(guān)工作狀態(tài)。為了能既有效防止過充電，又可充分利用太陽(yáng)能對(duì)蓄電池充電，近年來發(fā)展了脈寬調(diào)制充電保護(hù)電路，以并聯(lián)型保護(hù)電路方式為主。并聯(lián)型脈寬調(diào)制充電保護(hù)電路框圖仍可參考圖6。在脈

9、寬調(diào)制型充電保護(hù)電路中，控制電路輸出的是脈沖寬度隨著蓄電池電壓而變化的脈沖信號(hào)。隨著蓄電池電壓的升高，控制電路將會(huì)輸出脈沖波，太陽(yáng)電池板的部分能量將會(huì)通過開關(guān)元件釋放，從而減少了對(duì)蓄電池充電的能量。隨著蓄電池電壓的進(jìn)一步升高，通過開關(guān)元件所釋放的能量越來越多，對(duì)蓄電池充電的能量越來越少，直至涓流充電。一旦蓄電池電壓下降，脈沖寬度隨之變窄，又有較多能量可輸入到蓄電池中。 采用這種電路的優(yōu)點(diǎn)是既能保護(hù)蓄電池，又能充分利用能量，但是電路較為復(fù)雜。2.2.1 蓄電池放電保護(hù)電路 蓄電池放電保護(hù)電路框圖如圖4所示。當(dāng)取樣電路檢測(cè)到蓄電池電壓降至預(yù)定的過放電保護(hù)電壓值時(shí)，控制電路輸出信號(hào)，開關(guān)元件動(dòng)作，切

10、斷蓄電池與用電器的通路，停止對(duì)用電器提供電能。當(dāng)蓄電池再次充電后，其電壓上升到預(yù)定的恢復(fù)供電值時(shí)，控制電路輸出信號(hào)，接通開關(guān)元件，恢復(fù)供電。開關(guān)元件可采用開關(guān)三極管或繼電器。采用繼電器的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓損耗較小，但繼電器吸合時(shí)，繼電器線圈要消耗一定的能量。采用開關(guān)三極管，由于管壓降使輸出電壓有所損失，同時(shí)，如果用電器的功率較大，則三極管上的功耗也隨之增大。蓄電池顯示電路電路取樣電路圖4 蓄電池放電保護(hù)電路框圖控制電路防反接保護(hù)電路過流保護(hù)開關(guān)元件用電器DCAC逆變器三、實(shí)驗(yàn)儀器1. 直流電源；2. 示波器；3. 制作光伏系統(tǒng)蓄電池充放電控制電路所需元器件。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)控制

11、電路：根據(jù)光伏系統(tǒng)控制電路原理圖設(shè)計(jì)一個(gè)具有蓄電池充放電保護(hù)功能的控制電路。 主控電路可用運(yùn)算放大器、555集成電路或單片機(jī)等，關(guān)鍵是要控制電壓要有回差，形成施密特觸發(fā)器。如圖5所示。圖5 555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器參考電路如圖6所示。FUSEVNE555太陽(yáng)電池板用電器 R1R2 R3 R4 R5 R7 R8R6NE555 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R22 R23 R24 R26R21R25 C1 C2 C3 C4 C5 C6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13T1T2T3T4

12、T5 1 2 6 4 8 3 5 1 2 6 3 5 4 8圖6 蓄電池充放電控制電路圖2、控制器性能指標(biāo)參數(shù)：控制器的主要性能指標(biāo)如下：最大充電電流：自由設(shè)定。輸出：12V直流電壓（采用12V蓄電池），輸出電流自由設(shè)定。過充保護(hù)電壓值：14.3V(密封鉛酸蓄電池)充電恢復(fù)電壓：13.6V過放保護(hù)電壓：11.0V恢復(fù)供電電壓：12.6V3、制作控制電路線路板：按所設(shè)計(jì)的電路圖，制作PCB板。焊接合適參數(shù)的元器件并按所給的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試。4、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、提交實(shí)物撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，畫出你所設(shè)計(jì)的電路圖，簡(jiǎn)述工作原理。列表給出你最后調(diào)試得到的結(jié)果。最后分析你所得到的結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際的需要。 實(shí)驗(yàn)二

13、 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理。2. 按給定地區(qū)的氣象條件和用戶負(fù)載要求，設(shè)計(jì)所需的太陽(yáng)電池組件和蓄電池的容量，構(gòu)建光伏系統(tǒng)。二、實(shí)驗(yàn)原理太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，且軟件設(shè)計(jì)先于硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池、蓄電池用量的計(jì)算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。硬件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載的選型及必要的設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池和蓄電池的選型，太陽(yáng)能電池支架的設(shè)計(jì)，逆變器的選型和設(shè)計(jì)，以及控制、測(cè)量系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)。對(duì)于大型太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，還要

14、有方陣場(chǎng)的設(shè)計(jì)、防雷接地的設(shè)計(jì)、配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及輔助或備用電源的選型和設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)由于牽涉到復(fù)雜的輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般是由計(jì)算機(jī)來完成；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。1. 獨(dú)立光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括負(fù)載用電量的估算，太陽(yáng)電池組件數(shù)量和蓄電池容量的計(jì)算以及太陽(yáng)電池組件安裝最佳傾角的計(jì)算。太陽(yáng)電池組件數(shù)量和蓄電池容量是光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。(1)設(shè)計(jì)的基本原理太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的一個(gè)主要原則就是要滿足平均天氣條件下負(fù)載的每日用電需求。設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池組件要滿足光照最差季節(jié)的需要。在進(jìn)行太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要考慮的問題就是設(shè)計(jì)的

15、太陽(yáng)電池組件輸出要等于全年負(fù)載需求的平均值。在那種情況下，太陽(yáng)電池組件將提供負(fù)載所需的所有能量。但這也意味著每年都有將近一半的時(shí)間蓄電池處于虧電狀態(tài)。太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)中較好的辦法是使太陽(yáng)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。這樣蓄電池全年都能達(dá)到全滿狀態(tài)，可延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用。但所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)電池組件在一年中的其他時(shí)候就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際所需，成本高昂。設(shè)計(jì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵就是選擇成本效益最好的方案。(2)蓄電池設(shè)計(jì)方法蓄電池的設(shè)計(jì)思想是保證在太陽(yáng)光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。在進(jìn)行蓄電池設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要

16、引人一個(gè)不可缺少的參數(shù):自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。這個(gè)參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。一般來講，自給天數(shù)的確定與兩個(gè)因素有關(guān):負(fù)載對(duì)電源的要求程度;光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣象條件，即最大連續(xù)陰雨天數(shù)。通?？梢詫⒐夥到y(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的自給天數(shù)，但還要綜合考慮負(fù)載對(duì)電源的要求。蓄電池的設(shè)計(jì)包括蓄電池容量的設(shè)計(jì)計(jì)算和蓄電池組的串并聯(lián)設(shè)計(jì)。首先，給出計(jì)算蓄電池容量的基本方法?；竟降谝徊?，將每天負(fù)載需要的用電量乘以根據(jù)實(shí)際情況確定的自給天數(shù)就可以得到初步的蓄電池容量。第二步，將第一步得到的蓄電池容量除以蓄電池的允許

17、最大放電深度。因?yàn)椴荒茏屝铍姵卦谧越o天數(shù)中完全放電，所以需要除以最大放電深度，得到所需要的蓄電池容量。最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中選擇使用的蓄電池的性能參數(shù)，可以從蓄電池供應(yīng)商得到詳細(xì)約有關(guān)該蓄電池最大放電深度的資料。通常情況下，如果使用的是深循環(huán)型蓄電池，推薦使用80%放電深度 (DOD);如果使用的是淺循環(huán)蓄電池，推薦選用使用50%DOD。設(shè)計(jì)蓄電池容量的基本公式如下： 確定蓄電池串并聯(lián)的方法。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，我們將蓄電池串聯(lián)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。 設(shè)計(jì)修正 以上給出的只是蓄電池容量的基

18、本估算方法，在實(shí)際情況中還有很多性能參數(shù)會(huì)對(duì)蓄電池容量和使用壽命產(chǎn)生很大的影響。為了得到正確的蓄電池容量設(shè)計(jì)，上面的基本方程必須加以修正。對(duì)于蓄電池，蓄電池的容量不是一成不變的，蓄電池的容量與兩個(gè)重要因素相關(guān):蓄電池的放電率和環(huán)境溫度。蓄電池組并聯(lián)設(shè)計(jì) 當(dāng)計(jì)算出了所需的蓄電池的容量后，下一步就是要決定選擇多少個(gè)單體蓄電池加以并聯(lián)得到所需的蓄電池容量?？梢杂卸喾N選擇，例如，如果計(jì)算出來的蓄電池容量為5OOA·h，那么我們可以選擇一個(gè)5OOA·h的單體蓄電池，也可以選擇兩個(gè)250A·h的蓄電池并聯(lián)，還可以選擇5個(gè)1OOA·h的蓄電池并聯(lián)。從理論上講，這些選擇

19、都可以滿足要求，但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，要盡量減少并聯(lián)數(shù)目。也就是說最好是選擇大容量的蓄電池以減少所需的并聯(lián)數(shù)目。這樣做的目的就是為了盡量減少蓄電池之間的不平衡所造成的影響，因?yàn)橐恍┎⒙?lián)的蓄電池在充放電的時(shí)候可能會(huì)與之并聯(lián)的蓄電池不平衡。并聯(lián)的組數(shù)越多，發(fā)生蓄電池不平衡的可能性就越大。一般來講，建議并聯(lián)的數(shù)目不要超過4組。(3)光伏組件方陣設(shè)計(jì) 基本公式 太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。計(jì)算太陽(yáng)電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量 (安時(shí)數(shù))除以一塊太陽(yáng)電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量 (安時(shí)數(shù))，這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的太陽(yáng)電池組件數(shù)，使用這些組件并聯(lián)就可以

20、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(yáng)電池組件的標(biāo)稱電壓，就可以得到太陽(yáng)電池組件需要串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件數(shù)，使用這些太陽(yáng)電池組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓?；居?jì)算公式如下：光伏組件方陣設(shè)計(jì)的修正 太陽(yáng)電池組件的輸出，會(huì)受到一些外在因素的影響而降低，根據(jù)上述基本公式計(jì)算出的太陽(yáng)電池組件，在實(shí)際情況下通常不能滿足光伏系統(tǒng)的用電需求，為了得到更加正確的結(jié)果，有必要對(duì)上述基本公式進(jìn)行修正。a·將太陽(yáng)電池組件輸出降低10% 減少太陽(yáng)電池組件的輸出10%來解決不可預(yù)知和不可量化的因素。可以看成是光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的工程上的安全系數(shù)。b·將負(fù)載增加10%以應(yīng)付蓄電

21、池的庫(kù)侖效率 在蓄電池的充放電過程中，鉛酸蓄電池會(huì)電解水，產(chǎn)生氣體逸出，這也就是說太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電流中將有一部分不能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存起來而是耗散掉。用蓄電池的庫(kù)侖效率來評(píng)估這種電流損失。不同的蓄電池其庫(kù)侖效率不同，通?？梢哉J(rèn)為有5%一10%的損失，所以保守設(shè)計(jì)中有必要將太陽(yáng)電池組件的功率增加10%，以抵消蓄電池的耗散損失。完整的太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)計(jì)算 考慮到上述因素，必須修正簡(jiǎn)單的太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)公式，給出了一個(gè)在實(shí)際情況下太陽(yáng)電池組件輸出的保守估計(jì)值，得到下面的計(jì)算公式：利用上述公式進(jìn)行太陽(yáng)電池組件的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，還要注意以下一些問題。 a考慮季節(jié)變化對(duì)光伏系統(tǒng)輸出的影響，逐月進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算b根據(jù)太陽(yáng)

22、電池組件電池片的串聯(lián)數(shù)量選擇合適的太陽(yáng)電池組件太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)商根據(jù)太陽(yáng)電池組件工作的不同氣候條件，設(shè)計(jì)了不同的組件：36片串聯(lián)組件與33片串聯(lián)組件。36片太陽(yáng)電池組件主要適用于高溫環(huán)境應(yīng)用，36片太陽(yáng)電池的串聯(lián)設(shè)計(jì)使得太陽(yáng)電池組件即使在高溫環(huán)境下也可以在Imp附近工作。通常，使用的蓄電池系統(tǒng)電壓為l2V，36片串聯(lián)就意味著在標(biāo)準(zhǔn)條件 (25)下太陽(yáng)電池組件的Vmp為l7V，大大高于充電所需的l2V電壓。當(dāng)這些太陽(yáng)電池組件在高溫下工作時(shí)，由于高溫太陽(yáng)電池組件的損失電壓約為2V，這樣Vmp為I5V，即使在最熱的氣候條件下也足夠可以給各種類型的蓄電池充電。33片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件適宜于在溫和氣候環(huán)

23、境下使用，33片串聯(lián)就意味著在標(biāo)準(zhǔn)條件 (25)下太陽(yáng)電池組件的Vmp為l6V，稍高于充電所需的l2V電壓。當(dāng)這些太陽(yáng)電池組件在40一45下工作時(shí)，由于高溫導(dǎo)致太陽(yáng)電池組件損失電壓約為lV，這樣Vmp為l5V，也足夠可以給各種類型的蓄電池充電。但如果在非常熱的氣候條件下工作，太陽(yáng)電池組件電壓就會(huì)降低更多。如果到5O或者更高，電壓會(huì)降低到l4V或者以下，就會(huì)發(fā)生電流輸出降低。c使用峰值小時(shí)數(shù)的方法估算太陽(yáng)電池組件的輸出 因?yàn)樘?yáng)電池組件的輸出是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定的，但在實(shí)際使用中，日照條件以及太陽(yáng)電池組件的環(huán)境條件是不可能與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)完全相同，因此有必要找出一種可以利用太陽(yáng)電池組件額定輸出和氣象數(shù)據(jù)

24、來估算實(shí)際情況下太陽(yáng)電池組件輸出的方法，我們可以使用峰值小時(shí)數(shù)的方法估算太陽(yáng)電池組件的日輸出。該方法是將實(shí)際的傾斜面上的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成等同的利用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射1000W/m2照射的小時(shí)數(shù)。將該小時(shí)數(shù)乘以太陽(yáng)電池組件的峰值輸出就可以估算出太陽(yáng)電池組件每天輸出的安時(shí)數(shù)。太陽(yáng)電池組件的輸出=峰值小時(shí)數(shù)×峰值功率如：一個(gè)月的平均輻射為5.0kW·h/m2。可以將其寫成5.0h×l000W/m2。而l000W/m2正好也就是用來標(biāo)定太陽(yáng)電池組件功率的標(biāo)準(zhǔn)輻射量，那么平均輻射為5.0kW·h/m2就基本等同于太陽(yáng)電池組件在標(biāo)準(zhǔn)輻射下照射5.0h。這不是實(shí)際情況，但是可

25、以用來簡(jiǎn)化計(jì)算。因?yàn)?000W/m2是生產(chǎn)商用來標(biāo)定太陽(yáng)電池組件功率的輻射量，所以在該輻射情況下的組件輸出數(shù)值可以很容易從生產(chǎn)商處得到。為了計(jì)算太陽(yáng)電池組件每天產(chǎn)生的安時(shí)數(shù)，可以使用峰值小時(shí)×太陽(yáng)電池組件的Imp。例如，假設(shè)在某個(gè)地區(qū)傾角為30°的斜面上按月平均每天的輻射量為5.0kW·h/m2，可以將其寫成5.0h×l000W/m2。對(duì)于一個(gè)典型的75W太陽(yáng)電池組件，Imp為4.4Amps，就可得出每天發(fā)電的安時(shí)數(shù)為5.0×4.4Amps=22.0A·h/天。(4)蓄電池和光伏組件方陣設(shè)計(jì)的校核 校核蓄電池平均每天的放電深度，保證蓄

26、電池不會(huì)過放電計(jì)算公式如下，但是如果自給天數(shù)很大，那么實(shí)際的每天DOD可能相當(dāng)小，不需要進(jìn)行校核計(jì)算。如果一個(gè)光伏系統(tǒng)使用了4000A·h的深循環(huán)蓄電池，每天的負(fù)載為500A·h，那么平均每天的DOD校核計(jì)算如下：5O00A·h/4000A·h=0.1250.8。所以該系統(tǒng)中蓄電池不會(huì)過放電。校核光伏組件方陣對(duì)蓄電池組的最大充電率另外一個(gè)校核計(jì)算就是校核設(shè)計(jì)光伏組件方陣給蓄電池的充電率。在太陽(yáng)輻射處于峰值時(shí)，光伏組件方陣對(duì)于蓄電池的充電率不能太大，否則會(huì)損害蓄電池。蓄電池生產(chǎn)商將提供指定型號(hào)蓄電池的最大充電率，計(jì)算值必須小于該最大充電率。如：光伏供電系統(tǒng)

27、使用了75W太陽(yáng)電池組件50塊 (25并聯(lián)×2串聯(lián))，工作電壓24V，配備4000A·h的蓄電池。最大充電率為 最大充電率=4000A·h / 25×4.4(75W組件峰值電流)=24h將計(jì)算值和蓄電池生產(chǎn)商提供的該設(shè)計(jì)選用型號(hào)蓄電池的最大充電率進(jìn)行比較，如果計(jì)算值較小，則設(shè)計(jì)安全，光伏組件方陣對(duì)蓄電池的充電不會(huì)損壞蓄電池;如果計(jì)算值較大，則設(shè)計(jì)不合格，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。2. 計(jì)算斜面上的太陽(yáng)輻射井選擇最佳傾角在光伏供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光伏組件方陣的放置形式和放置角度對(duì)光伏系統(tǒng)接收到的太陽(yáng)輻射有很大的影響，從而影響到光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電能力。與光伏組件方陣放

28、置相關(guān)的有下列兩個(gè)角度參量：太陽(yáng)電池組件傾角；太陽(yáng)電池組件方位角。太陽(yáng)電池組件的傾角是太陽(yáng)電池組件平面與水平地面的夾角。光伏組件方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角 (向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度)。一般在北半球，太陽(yáng)電池組件朝向正南 (即方陣垂直面與正南的夾角為0°)時(shí)，太陽(yáng)電池組件的發(fā)電量是最大的。目前有的觀點(diǎn)認(rèn)為方陣傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葹樽罴?。這樣做的結(jié)果，夏天太陽(yáng)電池組件發(fā)電量往往過盈而造成浪費(fèi)，冬天時(shí)發(fā)電量又往往不足而使蓄電池處于欠充電狀態(tài)。也有的觀點(diǎn)認(rèn)為所取方陣傾角應(yīng)使全年輻射量最弱的月份能得到最大的太陽(yáng)輻射量為好，推薦方陣傾角在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上再增加15°一20°。國(guó)外有的設(shè)計(jì)手冊(cè)也提出，設(shè)計(jì)月份應(yīng)以輻射量最小的12月 (在北半球)或6月 (在南半球)作為依據(jù)。這樣往往會(huì)便夏季獲得的輻射量過少，從而導(dǎo)致方陣全年得到的太陽(yáng)輻射量偏小。同時(shí)，最佳傾角的概念，在不同的應(yīng)用中是不一樣的，在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于受到蓄電池荷電狀態(tài)等因素的限制，要綜合考慮光伏組件方陣平面上太陽(yáng)輻射量的連續(xù)性、均勻性和極大性，而對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等通?？偸且笤谌曛械玫阶畲蟮奶?yáng)輻射量。(1)將水平面上的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成斜面上太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)確定朝向赤道傾斜面上的太陽(yáng)輻射量，通常采用Klein提出的計(jì)算方法?；镜挠?jì)算步驟如下：確定所