太陽能光伏發(fā)電課程設(shè)計(jì)

1、1 太陽能發(fā)電概述1.1 太陽能光伏發(fā)電背景 能源短缺是當(dāng)今社會中的熱點(diǎn)問題，它直接制約著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，可再生能源的利用也就成了當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能。廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。近年來太陽能的利用得到了世界各國的廣泛關(guān)注，美國、日本、德國相繼提出了“陽光計(jì)劃”、“節(jié)能計(jì)劃”等大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。自“六五”以來我國政府也一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術(shù)列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃，大大推動(dòng)了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 中國1958年開始研制太陽能電池，1959年第一塊有實(shí)用價(jià)

2、值的太陽能電池誕生。中國于1971年3月首次應(yīng)用太陽能電池作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的電源，開始了太陽能電池的空間應(yīng)用。中國于1973年首次在燈浮標(biāo)上進(jìn)行應(yīng)用太陽能電池供電試驗(yàn)，開始了太陽能電池的地面應(yīng)用。經(jīng)過40多年的努力，中國的光伏發(fā)電技術(shù)已具有一定的水平和基礎(chǔ)。到2002年地，已建成10個(gè)初具規(guī)模的光伏電池專業(yè)生產(chǎn)廠，光伏電池組件的年生產(chǎn)能力約為10MW,其中單晶硅電池為8WM，非單晶硅電池為2WM。中國光伏電池的主要產(chǎn)品是單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池。商品單晶硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率為11%14%，功率為3570Wp。商品多晶硅光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率為10%13%，功率為3570Wp。商品非晶

3、硅光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率為4%6%，功率為1112Wp，為單節(jié)p-I-n電池。 2002年中國光伏電池組件的產(chǎn)量約為9MW，其中單晶硅和多晶硅光伏電池組件約為8MW，非晶硅光伏電池組件約為1MW。在單硅和多晶硅光伏電池組件中，包括用進(jìn)口光伏電池封裝的組件，未包括出口的草坪燈等消費(fèi)品用的光伏電池。在非晶硅光伏電池組件中，未包括出口的電子計(jì)算器等消費(fèi)品用的光伏電池。2002年中國單晶硅和多晶硅光伏電池組件的售價(jià)為3340元/Wp，非晶硅光伏電池組件的售價(jià)為2426元/Wp。從總體上講，與國外發(fā)達(dá)國家相比，中國的光伏發(fā)電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)還有很大差距，存在的主要問題是：(1）規(guī)模小。目前中國商品晶體硅光伏

4、電池生產(chǎn)廠的規(guī)?；?10MW之間，比國外的50100MW的生產(chǎn)規(guī)模小得多。(2）技術(shù)水平低。目前中國商品晶體硅光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率多在10%14%之間；組件的封裝水平低，工程應(yīng)用不時(shí)發(fā)現(xiàn)有的組件經(jīng)過幾年的使用有發(fā)黃、起跑、焊線脫落、效率下降等現(xiàn)象出現(xiàn)；組件的實(shí)際使用壽命，也不如國外產(chǎn)品。非晶硅光伏電池廠只能生產(chǎn)單節(jié)電池，轉(zhuǎn)換效率低，穩(wěn)定性差，目前尚不能生產(chǎn)雙節(jié)和三節(jié)電池。(3）平衡設(shè)備薄弱落后。光伏發(fā)電用的控制器、逆變器等關(guān)鍵平衡設(shè)備，至今尚缺少具有一定規(guī)模并擁有較先進(jìn)生產(chǎn)和檢測設(shè)備的專業(yè)工廠生產(chǎn)，僅在幾個(gè)研究所和小廠少量生產(chǎn)，技術(shù)性能不夠高，可靠性較低，品種規(guī)格少，價(jià)格也高，更談不上

5、研究開發(fā)更先進(jìn)的產(chǎn)品。(4）用材料的國產(chǎn)化程度不高。銀漿、低鐵鋼化玻璃、PVF、TPT等關(guān)鍵封裝材料尚未真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。國家曾把專用材料的國產(chǎn)化列入“八五”攻關(guān)計(jì)劃進(jìn)行攻關(guān)，雖然取得了一定成果，但性能仍然不如國外產(chǎn)品，各生產(chǎn)廠為保證產(chǎn)品質(zhì)量，目前許多專用材料仍然從國外進(jìn)口。(5）成本、價(jià)格高。目前晶體硅光伏電池組件的生產(chǎn)成本約為2530元/Wp，平均售價(jià)約為3345/Wp，成本和售價(jià)均高于國外產(chǎn)品，在國際市場上缺乏競爭力，“入世”實(shí)行進(jìn)口光伏電池零關(guān)稅后受進(jìn)口產(chǎn)品的沖擊很大。6）產(chǎn)品與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不健全，檢測認(rèn)證體系尚待完善與建立。 而且面對當(dāng)前的能源短缺，故需要建立一套完整的家用太陽能發(fā)

6、電系統(tǒng)，來滿足一個(gè)家庭日常的基本的電能需要。1.2 太陽能光伏發(fā)電數(shù)據(jù)負(fù)載數(shù)據(jù)表 1-1設(shè)計(jì)負(fù)載電器名稱規(guī)格型號耗電功率數(shù) 量每日工作時(shí)間日耗電量電腦液晶顯示100W251000wh打印機(jī)250W11250wh傳真機(jī)150W11150wh電冰箱150L100W18800wh洗衣機(jī)300w10.5150wh微波爐1000w111000wh電視接收機(jī)/VCD25W16150Wh收音機(jī)3W1515Wh水泵400W11400Wh照明節(jié)能燈11W86528Wh彩色電視95W16570Wh總計(jì)3224W1940.55013Wh蓄電池(鉛酸) 額定電壓12V 電量200AH由上圖計(jì)算得日耗電量為L=5013

7、wh1.3 太陽能發(fā)電原理及結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。國產(chǎn)晶體硅電池效率在10至13%左右，國外同類產(chǎn)品效率約12至14%。由一個(gè)或多個(gè)太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件。白天，在光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢，通過

8、組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過負(fù)載運(yùn)行及免遭雷擊，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。光伏效應(yīng) 如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的

9、電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外的可測試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.50.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。 太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理 光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光伏效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，

10、光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染。 （1）電池單元：由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實(shí)用中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件

11、（陣列）。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。 若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，于是就有“光生電流”流過，太陽能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載的功率P輸出。（2）電能儲存單元：太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技

12、術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時(shí)間（發(fā)電時(shí)間）的影響。因此蓄電池瓦時(shí)容量和安時(shí)容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時(shí)間決定。1.4 太陽能發(fā)電各個(gè)部分的材料及作用（1）太陽能電池在有光照（無論是太陽光，還是其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”。在光生伏打效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。電池片：采用高效率（16.5%以上）的單晶硅太陽能片封裝，保證太陽能電池板發(fā)電功率充足。玻璃： 采用低

13、鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃)， 厚度3.2mm,在太陽電池光譜響應(yīng)的波長范圍內(nèi)(320-1100nm)透光率達(dá)91%以上，對于大于1200 nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時(shí)能耐太陽紫外光線的輻射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為0.78mm的優(yōu)質(zhì)EVA膜層作為太陽電池的密封劑和與玻璃、TPT之間的連接劑。具有較高的透光率和抗老化能力。TPT：太陽電池的背面覆蓋物氟塑料膜為白色，對陽光起反射作用，因此對組件的效率略有提高，并因其具有較高的紅外發(fā)射率，還可降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。當(dāng)然，此氟塑料膜首先具有太陽電池封裝材料所要求的耐老化、耐腐

14、蝕、不透氣等基本要求。邊框：所采用的鋁合金邊框具有高強(qiáng)度，抗機(jī)械沖擊能力強(qiáng)。也是家用太陽能發(fā)電中價(jià)值最高的部分。(2)蓄電池組其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求是：自放電率低；使用壽命長:深放電能力強(qiáng)；充電效率高；少維護(hù)或免維護(hù)；工作溫度范圍寬；價(jià)格低廉。目前我國與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池，每只蓄電池的額定電壓為2VDC；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護(hù)鉛酸蓄電池，每只蓄電池的額定電壓為12VDC

15、。(3)充放電控制器是能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設(shè)備。(4)逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。

16、正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載。逆變器保護(hù)功能：a、 過載保護(hù)；b、短路保護(hù)；c、接反保護(hù)；d、欠壓保護(hù)；e、過壓保護(hù)；f、過熱保護(hù)。除了具有靜態(tài)旁路逆變器的功能之外，還可以將市電供給電池充電，可以保證電池電壓不會低于某一值后導(dǎo)致過放，有些功能更強(qiáng)大一點(diǎn)的逆變器還可以進(jìn)行市電與逆變的功能互補(bǔ)，比如一個(gè)額定容量7 KW的逆變器，需要共給一個(gè)10KW的負(fù)載，光靠逆變器來的7KW的電是不行的，并且一般的逆變器150%過載時(shí)間不會超過幾分鐘，在這種情況下，雙向逆變器的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來了，它可以逆變7KW，再加上市電3Kw來供給10KW的負(fù)載。這一點(diǎn)在系統(tǒng)升級時(shí)是非常重要的，如果一個(gè)系統(tǒng)

17、正常工作在額定功率下，在負(fù)載稍微加大的情況下就要么系統(tǒng)無法工作，要么就需要投入大量的成本來進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容，這都不合算(5)交流配電柜在電站系統(tǒng)的主要作用是對備用逆變器的切換功能，保證系統(tǒng)的正常供電，同時(shí)還有對線路電能的計(jì)量。(6)發(fā)電系統(tǒng)反充二極管太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時(shí)，擂電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔?。因此它必須保證回路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的沖擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的話可以不用任何二極管，因?yàn)榭?/p>

18、制器本來就可防反沖。板子串聯(lián)的話，需要安裝旁路二極管，如果是并聯(lián)的話就要裝個(gè)防反沖二極管，防止板子直接沖電。防反充二極管只是保護(hù)作用，不會影響發(fā)電效果。2 設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 負(fù)載計(jì)算 對于負(fù)載的估算，是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和定價(jià)的關(guān)鍵因素之一。通常列出所有負(fù)載的名稱、功率要求、額定工作電壓和每天用電時(shí)間。對于交流和直流負(fù)載都要同樣列出，功率因數(shù)在交流功率計(jì)算中可不必考慮。然后，將負(fù)載分類并按工作電壓分組，計(jì)算每一組的總的功率要求。接著，選定系統(tǒng)工作電壓，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)在這一電壓下所要求的平均安培·小時(shí)（Ah）數(shù)，也就是算出所有負(fù)載的每天平均耗電量之和。關(guān)于系統(tǒng)工作電壓的選擇，經(jīng)常是選最大

19、功率負(fù)載所要求的電壓。在以交流負(fù)載為主的系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)電壓應(yīng)當(dāng)考慮與選用的逆變器輸入電壓相適應(yīng)。通常，在中國獨(dú)立運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其交流負(fù)載工作在220V，直流負(fù)載工作在12V或12V的倍數(shù)，即24V或48V等。從理論上說，負(fù)載的確定是直截了當(dāng)?shù)?，而?shí)際上負(fù)載的要求卻往往并不確定。例如，家用電器所要求的功率可從制造廠商的資料上得知，但對它們的工作時(shí)間卻并不知道，每天、每周和每月的使用時(shí)間很可能估算過高，其累計(jì)的效果會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量和造價(jià)上升。所以負(fù)載的實(shí)地調(diào)查和統(tǒng)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的工作。實(shí)際上，某些較大功率的負(fù)載可安排不同的時(shí)間內(nèi)使用。在嚴(yán)格的設(shè)計(jì)中，必須掌握獨(dú)立光伏發(fā)電

20、系統(tǒng)的負(fù)載特性，即每天24h 中不同時(shí)間的負(fù)載功率，特別是對于集中的供電系統(tǒng)，了解用電規(guī)律后即可適時(shí)地加以控制。由表11計(jì)算得出日總耗電量L=5013wh2.2 蓄電池容量的估算設(shè)計(jì)一個(gè)完善的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要考慮很多因素，進(jìn)行多種計(jì)算。然而，對地面應(yīng)用的獨(dú)立光伏系統(tǒng)而言，最重要的是根據(jù)使用要求，確定合理的太陽電池方陣和蓄電池容量。在地面獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏組件的最重要部件，而且隨著光伏組件價(jià)格的不斷降低，蓄電池在總投資中的比例正在逐漸增加。所以，合理配置蓄電池容量十分重要：容量過大，不僅增加投資，而且會造成蓄電池充電不足，長期處于虧電狀態(tài)，加上自放電等原因，蓄電池容易損壞；容

21、量太小，容易造成過放電，不能滿足負(fù)載用電需要。結(jié)合參數(shù)分析法，蓄電池容量的計(jì)算可以根據(jù)用電負(fù)荷和連續(xù)陰雨天數(shù)來確定，實(shí)際計(jì)算可按式 （21）2.3 光伏方陣最佳傾角及入射能量的計(jì)算在設(shè)計(jì)地面應(yīng)用的光伏系統(tǒng)時(shí)，首先要解決的關(guān)鍵問題就是要確定光伏方陣的傾角，并由此估計(jì)照射到方陣面上的太陽輻射量，才能得出所需的光伏方陣和蓄電池容量。在地面應(yīng)用的光伏系統(tǒng)中，除了帶有跟蹤系統(tǒng)和安裝在移動(dòng)基座（如車輛、船只等）上的光伏方陣由于方向經(jīng)常改變，不得已只能采用水平安裝以外，其余固定式光伏方陣均采用傾斜安裝的方式。按照不同的使用情況，方陣傾角有不同的要求。對于并網(wǎng)系統(tǒng)及極少數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（如光電水泵），希望方陣全年接

22、收到的輻射量最大，因而可取方陣傾角接近于當(dāng)?shù)鼐暥取６鴮τ趹?yīng)用最廣的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，則有其特殊的要求。（1）分析通常的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，由于負(fù)載用電規(guī)律和太陽輻射情況不相一致，一般都需要蓄電池作為儲能裝置。蓄電池有其額定容量，充滿后如繼續(xù)充電將產(chǎn)生嚴(yán)重過充，會損壞蓄電池。同時(shí)，蓄電池在放電時(shí)又只能允許一定的放電深度。因此，對蓄電池來說，要求盡可能均衡地充放電。然而，對一定的光伏方陣。其發(fā)電量是間歇性的，而且不同季節(jié)之間發(fā)電量差異很大。通過調(diào)節(jié)方陣的傾角可以適當(dāng)緩解蓄電池和光伏發(fā)電量之間的矛盾。根據(jù)日地運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在朝向赤道的適當(dāng)傾斜面上所接收到的太陽輻射量要大于水平面上的輻射量。利用這個(gè)規(guī)律，有利于減小

23、方陣容量，從而可降低投資費(fèi)用。而且在一定范圍內(nèi)，傾角增大時(shí)，夏季照射在傾斜面上的太陽輻射量要減少，而冬季則增加，這正好符合光伏系統(tǒng)要求方陣全年發(fā)電盡量均衡的要求。然而，這兩種變化并不成比例。隨著傾斜角度的增加，夏季傾斜面上的輻射量減少較快，而冬季卻增加得較慢。這種變化情況與許多條件，如當(dāng)?shù)鼐暥?、直接輻射量在總輻射量中所占比例、地面反射情況等有關(guān)。因此，選取光伏方陣最佳傾角要綜合考慮多種因素。通常的做法，選擇最佳傾角是以當(dāng)?shù)厝晏栞椛淞孔钊醯脑路莸玫阶畲蟮妮椛淞繛闃?biāo)準(zhǔn)，該月份在北半球通常是12 月，南半球一般為6 月。然而，這樣片面照顧太陽輻射最弱的月份，會使夏季方陣面上接收到的太陽輻射量削弱

24、太多，甚至低于冬季的輻射量，這樣做顯然是不妥當(dāng)?shù)?。在?fù)荷不變的獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，蓄電池的充放電處于日夜小循環(huán)和季節(jié)大循環(huán)狀態(tài)。從總體上來看，可以認(rèn)為在輻射量較大的連續(xù)6 個(gè)月（稱為“夏半年”）中，蓄電池處于充電狀態(tài)，其余連續(xù)6 個(gè)月（稱為“冬半年”）則處于放電狀態(tài)。因此不應(yīng)以某個(gè)月作為依據(jù)，而以半年為單位較為合適。若以H1和H2 分別表示夏半年和冬半年的平均日輻射量，則在水平面上H1H2。根據(jù)蓄電池均衡充電的要求，最好做到夏半年和冬半年在方陣面上的日輻射量相等，即H1= H2。但同時(shí)還要使方陣面上冬半年的日輻射量H2 盡量達(dá)到最大值，從而增加方陣在太陽輻射強(qiáng)度較弱月份的發(fā)電量。綜合考慮這些因素，

25、可以分別算出不同傾角時(shí)方陣面上夏半年和冬半年的平均日輻射量H1 和H2。一般情況下，隨著傾角增大，H1 減少較快，而H2 增加較慢，并有一極大值。確定最佳傾角的方法是：H2 達(dá)到極大值時(shí)，如仍有H1 H2,則取H2 極大值所對應(yīng)角度為最佳傾角。在H2 達(dá)極大值之前，已有H1= H2，如仍取H2 極大值對應(yīng)角度，則有H1 H2，這時(shí)夏半年輻射量削弱太多，故應(yīng)取H1= H2，所對應(yīng)的角度為最佳傾角。（2）計(jì)算方法 根據(jù)各向異性的天空輻射模型，在緯度為處，傾角為的斜面上，其太陽輻射量為： （22）式中右端第1 項(xiàng)為傾斜面上的直接輻射量， b H 為水平面上的直接輻射量。對于朝向赤道的斜面：Rb= （

26、23）式中 是太陽赤緯角，可由Cooper 方程近似計(jì)算： （24）式中n 為一年中的日期序號，根據(jù)式中S和ST分別為水平面和傾斜面上日出時(shí)角，由式4-1 計(jì)算：s=cos-1-tg×tg (25) （26）式中右端第2 項(xiàng)為天空散射輻射量，其中d H 為水平面上散射輻射量。o H 為大氣層外水平輻射量，可由下式求出： （27）式中ISC=1367W/m2為太陽能常數(shù)。式右端第3 項(xiàng)為地面反射輻射量，實(shí)際上在總量中所占比例很小。式中H 為水平面上總輻射量。為地面反射率，范圍大致為0.20.7，通常取=0.2。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傾角的計(jì)算結(jié)果精確到1 度已經(jīng)足夠。具體計(jì)算過程相當(dāng)復(fù)雜，為此

27、可利用計(jì)算機(jī)軟件，只要輸入安裝地點(diǎn)的太陽輻射資料及地理緯度等數(shù)據(jù)，即可算出任意傾角下的平均日輻射量。并且，可自動(dòng)在當(dāng)?shù)鼐暥鹊?20°+30°范圍內(nèi)每隔1°分別算出夏半年和冬半年的平均日輻射量H1和H2，然后根據(jù)前述原則，確定當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角及各月平均日輻射量。 平均峰值日照時(shí)數(shù)Tm由太陽能電池傾斜面方陣上有輻射資料的歷年逐月日平均太陽能輻射量可求出全年平均日太陽輻射量HT,，并用單位mWh/cm2表示，除以標(biāo)準(zhǔn)日太陽輻射照度，即可求出平均峰值日照時(shí)數(shù)Tm，如式（2-8）所示。 （28）由于設(shè)計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，需要借助仿真所以網(wǎng)上查資料得出陜北地區(qū)太陽能年輻射量為1393

28、1625kwh/m2.年，年日照時(shí)數(shù)22002300h，年平均日照時(shí)間3.8h4.45h 2.4 確定方陣最佳電流方陣應(yīng)輸出最小電流為 （29）式中，L為負(fù)載每天總耗電量；1為蓄電池充電效率（0.800.90）；2為方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通?？扇?.90.95；3為方陣組合損失和對最大功率點(diǎn)偏離的修正系數(shù)，通?？扇?.90.95。由方陣面上各月中最小的太陽能總輻射量HTmin可算出個(gè)月中最小的峰值時(shí)數(shù)Tmin，則方陣應(yīng)輸出的最大電流為： （210） 方陣的最佳電流值介于Imin和Imax之間，具體數(shù)值可用試驗(yàn)方法確定。方法是先選定一電流值IA，按月求出方陣的輸出發(fā)電量，對蓄

29、電池全年的荷電狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。方陣輸出發(fā)電量可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算。 （211）式中，N為當(dāng)月天數(shù)。而各月負(fù)載耗電量為： （212）兩者相減，若E=EA-EL為正，表示該月方陣發(fā)電量大于用電量，能給蓄電池充電；若E為負(fù)，表示該月方陣發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池儲存的電能來補(bǔ)充，蓄電池處于虧損狀態(tài)。如果蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原頂定的放電深度（一般0.5），則應(yīng)該增加方陣輸出電流。當(dāng)然，也可以增加或減少蓄電池容量。若有必要，還可以改變方陣傾角的值，以得出最佳的方陣電流IA。 (213)2.5 蓄電池容量的確定列表容量算出全年各月Ei的數(shù)值，并算出全年中E連續(xù)為負(fù)值（即連續(xù)虧欠量）的積累值Ei。如果全年只

30、有一個(gè)連續(xù)虧欠期，它就是累積虧欠量之和。對比北半球來說，由于歲末年初是冬季，在計(jì)算累積虧欠量時(shí)應(yīng)取兩年進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。如有幾個(gè)不連續(xù)的虧欠期，即在連續(xù)兩個(gè)虧欠期之間有Ei為正的盈余量，則應(yīng)扣除此盈余量。最后求出累積虧欠量Ei，這樣即可確定蓄電池的： （214）式中，DOD為放電深度，對鉛酸蓄電池最大可達(dá)75%80%。但考慮蓄電池的壽命等影響因素，一般取DOD=6070%為宜。 (2-15) 蓄電池容量與負(fù)載日耗電量相除，即可得到蓄電池的儲備天數(shù)：對可靠性要求不是非常高的一般光伏系統(tǒng)，通常取n=510天即可。如得出的n太大，則適當(dāng)增加所取方陣的工作電流，重新進(jìn)行計(jì)算。如n過小，則適當(dāng)減小方陣的工作

31、電流，直到n處于以上范圍為止。 原本的電池的特性為12V 200AH則需要電池的個(gè)數(shù)為 （2-16）2.6 確定方陣工作電壓方陣的輸出工作電壓應(yīng)足夠大，以保證全年能有效地對蓄電池充電。因此，方陣在任何季節(jié)的工作電壓須滿足 （217）式中，Vf為蓄電池浮充電壓；Vd為因阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓降；Vi為因溫度升高引起的壓降。眾所周知，廠商出售的太陽能電池組件所標(biāo)出的標(biāo)稱工作電壓和輸出功率最大值（Wp），都是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測試的結(jié)果。由太陽能電池的溫度特性曲線可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，其工作電壓有比較明顯的下降，可用式（217）計(jì)算因溫度升高而引起的壓降Vi。二極管的壓降Vd取值為0.3-0.8v

32、。 (218)式中，a是太陽能電池的溫度系數(shù)，對單晶硅和多晶硅電池來說，a=0.005，對非晶硅電池來說，a=0.003；Tmax為太陽能電池的最高工作溫度（4560）；Va為太陽能電池的標(biāo)稱工作電壓。蓄電池的浮充電壓計(jì)算為Vd=1.175電池的額定電壓電池個(gè)數(shù) （2-19）故由式（2-16）計(jì)算得方陣的工作電壓為 為滿足方陣電池的電壓要求故因此采用電池板的規(guī)格電壓36v的兩個(gè)電池串聯(lián)即可達(dá)到目的。則滿足要求的工作電壓為362=72v2.7 確定方陣功率太陽能電池組件板的功率 （2-20）式中，atmax取值與式（2-17）中相同，K為考慮一些未知工作因素，而引入的安全系數(shù)，可根據(jù)電壓等級，數(shù)

33、據(jù)準(zhǔn)確程度，運(yùn)行環(huán)境等，在1.05-1.30之間選取。這樣，只要根據(jù)算出的蓄電池組容量，太陽能電池組件的電流，電壓及功率，參照廠商提供的蓄電池組件和太陽能電池組件性能參數(shù)，就可以選取合適的組件型號和規(guī)格了。 光伏發(fā)電太陽能電池方陣對于蔭蔽十分敏感。在串聯(lián)回路中，單個(gè)組件或部分電池被遮光，就可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓。因?yàn)槭芷渌?lián)組件的驅(qū)動(dòng)，電流被迫通過遮光區(qū)域，產(chǎn)生過熱，嚴(yán)重時(shí)可能對組件造成永久性的損壞。采用旁路二極管可以解決這個(gè)問題。太陽能電池板規(guī)格表21型號 材料 功率 電壓 電流 尺寸APM72M150W158x81 單晶硅 150 34.4 4.36 1580*808*35A

34、PM72M155W158x81 單晶硅 155 34.0 4.56 1580*808*35APM72M160W158x81 單晶硅 160 34.4 4.65 1580*808*35APM72M165W158x81 單晶硅 165 35.8 4.62 1580*808*35APM72M170W158x81 單晶硅 170 35.8 4.75 1580*808*35APM72M175W158x81 單晶硅 175 36.6 4.8 1580*808*35APM72M180W158x81 單晶硅 180 37.0 4.86 1580*808*35APM72M185W158x81 單晶硅 185 37.1 5.0 1580*808*35在選購太陽能電池組件時(shí)，如果用來按一定方式串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成方陣，所有組件的I-V特性曲線須有良好的一致性，以免方陣的組合效率過低。一般應(yīng)要求光伏組件的組合效率大于95%。則計(jì)算一天太陽能發(fā)電要大于負(fù)載耗電5013w，則可取值為6000w。則計(jì)算出需要電池板的功率 （2-21） （2-22）電池板的要求電壓為 （2-23）即串聯(lián)兩個(gè)電池板，則電池板的組數(shù) （2-24）則需要故選擇2*17的串并聯(lián)方式的APM72M185W