光伏系統(tǒng)設(shè)計原理課件

1、光伏系統(tǒng)設(shè)計原理辦公樓內(nèi)白天因有人員辦公，用水量較大，晚上基本無人用水，污水總變化系數(shù)較大，結(jié)合表4.8，取污水總變化系數(shù)Kz=3，通過計算得：光伏系統(tǒng)設(shè)計原理光伏系統(tǒng)設(shè)計原理辦公樓內(nèi)白天因有人員辦公，用水量較大，晚上基本無人用水，污水總變化系數(shù)較大，結(jié)合表4.8，取污水總變化系數(shù)Kz=3，通過計算得： 二. 光伏系統(tǒng)設(shè)計的原則: 在充分滿足用戶負(fù)載用電需要的條件下,盡量減少太陽電池和蓄電池的容量,以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。 光伏系統(tǒng)和產(chǎn)品要根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀蠹暗乩項l件,進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計。 要避免盲目追求高可靠性或低成本的傾向。 光伏系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)是:按月能量平衡。光伏系統(tǒng)設(shè)計

2、原理辦公樓內(nèi)白天因有人員辦公，用水量較大，晚上基光伏系統(tǒng)設(shè)計原理課件三. 光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計步驟: 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)不同,設(shè)計的要求也不一樣. (一) 獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計 1. 首先討論應(yīng)用最廣的均衡性負(fù)載,這類負(fù)載每個月份的平均耗電量都相同. 對于負(fù)載月平均耗電量變化不超過10%的,也可以當(dāng)作均衡性負(fù)載三. 光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計步驟: 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)不同,設(shè)計的要(1). 確定負(fù)載耗電量 列出各種用電負(fù)載的耗電功率、工作電壓及平均每天使用時數(shù)，還要計入系統(tǒng)的輔助設(shè)備如控制器、逆變器等的耗電量。選擇蓄電池工作電壓V，算出負(fù)載平均日耗電量QL(Ah/d)。 指定蓄電池維持天數(shù)為 n (通常n取 37天)(1

3、). 確定負(fù)載耗電量(2). 計算方陣面上太陽輻照量 根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砑皻庀筚Y料，先任意設(shè)定某一傾角,根據(jù)前面所介紹的 Klien S A 和 Theilacker J C 所發(fā)表的計算月平均日輻照量的方法，計算在該傾斜面上的各月平均日太陽輻照量Ht（KWh / m2 d），并得出全年平均太陽總輻照量 (2). 計算方陣面上太陽輻照量(3). 算出各月發(fā)電盈虧量 對于某個確定的傾角，方陣輸出的最小電流應(yīng)為 式中：1為從方陣到蓄電池回路的輸入效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配及老化、防反充二極管及線路損耗、蓄電池充電效率等。2為由蓄電池到負(fù)載的放電回路效率，包括蓄電池放電效率、控制器和逆變器

4、的效率及線路損耗等。 (3). 算出各月發(fā)電盈虧量 同樣也可由方陣面上各月平均太陽輻照量中的最小值Ht min得出方陣所需輸出的最大電流為 方陣實(shí)際工作電流應(yīng)在 I min和 I max 之間，可先任意選取一中間值 I 同樣也可由方陣面上各月平均太陽輻照量中的最小值Ht m 方陣各月發(fā)電量為 Q g = N I H t12 式中：N 為當(dāng)月天數(shù)， H t為該月太陽輻 照量。各月負(fù)載耗電量為 Q c = N QL 從而得到各月發(fā)電盈虧量 Q= Q g - Q c 如果Q 0 為虧欠量，表示該月發(fā)電量不足，需要由蓄電池提供部分儲存的電量。 方陣各月發(fā)電量為(4). 確定累計虧欠量-Qi 以兩年為單

5、位，列出各月發(fā)電盈虧量，如只有一個Q 0的連續(xù)虧欠期，則累計虧欠量即為該虧欠期內(nèi)各月虧欠量之和。如有兩個或以上的不連續(xù)Q n，則增大電流 I ，重新計算，反之亦然。直到 n1 n，即得出方陣輸出電流 I m。 (5). 決定方陣輸出電流(6). 求出方陣最佳傾角 改變傾角，重復(fù)以上計算，進(jìn)行比較，得出最小的方陣輸出電流 I m值，相應(yīng)的傾角即為方陣最佳傾角opt。(6). 求出方陣最佳傾角(7). 得出蓄電池及方陣容量 求出蓄電池容量為： 式中: (DOD)為蓄電池的放電深度,通常取0.30.8 。(7). 得出蓄電池及方陣容量 光伏方陣容量為: P = k I m ( V b + V d )

6、 其中：k 為安全系數(shù),通常取11.5,可根據(jù)負(fù)載的重要程度、參數(shù)的不確定性以及其他所需要考慮的因素而定；V b為蓄電池充電電壓；V d 為防反充二極管及線路壓降。 光伏方陣容量為:(8). 最終決定最佳搭配 改變蓄電池維持天數(shù)n，重復(fù)以上計算，可得到一系列B P組合。再根據(jù)產(chǎn)品型號及單價等因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，最后決定蓄電池及光伏方陣容量的最佳組合。(8). 最終決定最佳搭配 (9). 總結(jié) 先指定蓄電池維持天數(shù)n;任意選擇方陣傾角;得到滿足維持天數(shù)要求的方陣輸出電流I.再改變方陣傾角,求出滿足維持天數(shù)要求的方陣最小輸出電流Im,此對應(yīng)的即為方陣最佳傾角opt.由此得出方陣和蓄電池容量.改變維

7、持天數(shù)n,可以得到一系列BP組合,最后確定最佳的BP容量.(9). 總結(jié)案例分析 為沈陽地區(qū)設(shè)計一套太陽能路燈,燈具功率為30W,每天工作6小時,工作電壓為12伏,蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少? 負(fù)載耗電量: 案例分析 為沈陽地區(qū)設(shè)計一套太陽能路燈,燈具功率為30W沈陽地區(qū)緯度是41.44 0 ,任意取方陣傾角 = 60 0 ,算出各月份方陣面上的太陽輻照量Ht選取參數(shù)：1=2= 0.9 得到 Imax=11.52A Imin=5.176A在最大和最小電流值之間取： I = 5.5A 。沈陽地區(qū)緯度是41.44 0 ,任意取方陣傾角 = 60 算出各月方

8、陣發(fā)電量Qa ,并列出各月負(fù)載耗電量Qc ,從而求出各月發(fā)電盈虧量Q具體數(shù)值見下表：光伏系統(tǒng)設(shè)計原理課件月份HtQaQcQa- Qc13.3467462.19465-2.805724.1618519.1442099.13734.4364612.69465147.6944.2092561.76450111.7654.1050566.92465101.9263.8124509.5345059.52873.4893481.8846516.88483.6602505.4946540.48894.2056562.08450112.08104.0399557.9346592.925113.3169443.

9、31450-6.6901123.9347405.30465-59.701月份HtQaQcQa- Qc13.3467462.19465由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月都是虧欠量,但這是一個連續(xù)虧欠期。 總虧欠量： = 69.196Ah 代入公式： = 4.6131由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月都是虧欠量,但這是一個與要求的維持天數(shù)5天相比要小。因此可以減少方陣電流,另取I = 5.4A ,重新進(jìn)行計算,得到下表：與要求的維持天數(shù)5天相比要小。月份HtQaQcQa- Qc13.3467453.79465-11.20924.1618509.7042089.69934.4364601.554

10、65136.5544.2092551.55450101.5554.1050556.6146591.61363.8124500.2645050.26373.4893473.124658.122583.6602496.3046531.29794.2056551.86450101.86104.0399547.7846582.781113.3169435.25450-14.75123.9347397.93465-67.07月份HtQaQcQa- Qc13.3467453.79465 由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月還都是虧欠量, 這是一個連續(xù)虧欠期?？偺澢妨繛?3.029Ah 。 由此求出n1=6

11、.2019 ,與要求的維持天數(shù) n=5天相比要大。因此應(yīng)該再增加方陣電流, 不斷重復(fù)以上步驟,最后取I=5.47565A,得到的結(jié)果如下表： 由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月還都是虧欠量, 這月份HtQaQcQa- Qc13.3467460.15465-4.85224.1618516.8442096.83934.4364609.98465144.9844.2092559.27450109.2754.1050564.4146599.41163.8124507.2745057.27273.4893479.7546514.75183.6602503.2546538.25094.2056559.5

12、9450109.59104.0399555.4646590.455113.3169441.35450-8.6528123.9347403.51465-61.495月份HtQaQcQa- Qc13.3467460.15465 由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月還都是虧欠量, 總虧欠量為74.49998Ah 。 由此求出n1= 4.999天,與要求的維持天數(shù)n = 5天基本相符。由此確定電流?。?I = 5.47565A 。 接著再改變傾角,用同樣電流,比較累計虧欠量(或n1) 。試取傾角 = 620 ,重復(fù)以上計算,得到下表： 由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月還都是虧欠量, 總月份HtQa

13、QcQa- Qc13.3480460.33465-4.669924.1466514.9642094.95834.3920603.98465138.9844.1324549.8545099.84654.0143551.9446586.94163.7220495.2445045.24373.4128469.244654.241683.5917493.8446528.83194.1526552.54450102.54104.0174552.3746587.386113.3153441.13450-8.8727122.9386404.04465-60.959月份HtQaQcQa- Qc13.34804

14、60.33465由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月還都是虧欠量。 總虧欠量為74.501Ah 。 由此求出n1= 4.9668天,與上面的n1= 4.999天更小,可見取傾角620要比600更好。同樣繼續(xù)改變傾角,得出與維持天數(shù)n = 5天基本相符的最小電流,該角度即為最佳傾角。 本例中,最后得出I = 5.47356A ,相應(yīng)的角度是 = 62 0 ,各月的盈虧情況如下表由表中可見,當(dāng)年1112月和次年1月還都是虧欠量。 總虧欠月份HtQaQcQa- Qc13.3480460.15465-4.845624.1466514.7642094.76234.3920603.75465138.754

15、4.1324549.6445099.63754.0143551.7346586.73063.7220495.0545045.05473.4128469.064654.062483.5917493.6446528.64294.1526552.33450102.33104.0174552.1646587.157113.3153440.96450-9.0411122.9386403.89465-61.113月份HtQaQcQa- Qc13.3480460.15465 本例最后得出,方陣工作電流： Im = 5.47356A所對應(yīng)的角度,即為方陣最佳傾角： opt= 620 結(jié)果得到蓄電池容量為： B

16、 = 104.18Ah 太陽電池方陣容量為： P = 95.05W 本例最后得出,方陣工作電流：2. 季節(jié)性負(fù)載獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計 這類系統(tǒng)的負(fù)載每天工作時間隨著季節(jié)而變化,不能當(dāng)作均衡負(fù)載處理。 最典型的是光控太陽能光伏照明系統(tǒng)。 光控照明系統(tǒng)的特點(diǎn)是以自然光線的強(qiáng)弱來決定負(fù)載工作時間長短的。天黑開燈,天亮關(guān)燈。每天的工作時間不一樣,因此負(fù)載耗電量也不相同。2. 季節(jié)性負(fù)載獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計 這類系統(tǒng)的負(fù)載每天工 此特點(diǎn)與太陽日照時間的規(guī)律正好相反,夏天日照時間長,輻照量大,但燈具需要照明的時間短;而冬天日照時間短,輻照量小,而燈具需要照明的時間長,所以此類光控照明系統(tǒng)在太陽能光伏電源應(yīng)用中

17、的工作條件是最苛刻的。光控照明系統(tǒng)不同于獨(dú)立光伏系統(tǒng),設(shè)計時必須特別仔細(xì)考慮。 此特點(diǎn)與太陽日照時間的規(guī)律正好相反,夏天日照時間長,輻照量先估計需要照明的時間:從日落到日出之間的無日照小時數(shù)為: 式中: 為當(dāng)?shù)鼐暥? 為太陽赤緯 每天都在變化,所以 t 也每天在變. 先估計需要照明的時間: 不同地區(qū)t的差別很大, 如?？诘貐^(qū)( = 20.030) , 夏至(6月21日 = 23.45)時 t =10.1h ,冬至(12月21日 = -23.45)時 t =13.2h; 哈爾濱地區(qū)( =45.450) , 夏至?xí)r t = 8.5h ,冬至?xí)rt =15.5h ,可見緯度越高,晚間需要照明時間相差越

18、大。 不同地區(qū)t的差別很大, 一般情況下,日出前半小時和日落后半小時內(nèi),天空尚有余光, 為了節(jié)約起見,可以不必開燈。如負(fù)載的工作電流為 , 負(fù)載日耗電量應(yīng)為: 各月耗電量則為: 其中: N是當(dāng)月天數(shù)。 顯然,各個月份的耗電量都不相同,夏天少,冬天多。這是季節(jié)性負(fù)載的工作特點(diǎn)。一般情況下,日出前半小時和日落后半小時內(nèi),天空尚有余光, 為 光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計步驟相同,只是每天的耗電量QL 不一樣。 所以一開始不是統(tǒng)計確定每天的耗電量, ,而是得出工作電流 i ,然后根據(jù)上述方法確定每天工作時間t ,才能求得各天的耗電量 仍以上例進(jìn)行分析: 光控太陽能照明系統(tǒng)的

19、優(yōu)化設(shè)計步驟與獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)為沈陽地區(qū)設(shè)計一套光控太陽能路燈,燈具功率為30W ,工作電壓為12伏,蓄電池維持天數(shù)取5天。要求太陽電池方陣和蓄電池的容量及方陣傾角是多少?首先求出負(fù)載工作電流： i = W / V = 30 / 12 = 2.5(A)再應(yīng)用公式: 求出每天工作時間t 為沈陽地區(qū)設(shè)計一套光控太陽能路燈,燈具功率為30W ,工作電 最后由公式： Qi = ( t -1 )I 算得各天耗電量 其余步驟與前相同,得到如下結(jié)果： 最后由公式：月份HtQaQcQa- Qc13.34071045.01056.3-11.26924.10441159.6879.36280.2834.293

20、91343.2874.57468.5943.98131205.2740.82464.3953.82541196.6671.85524.7863.53541070.2603.94466.2873.25451018.0645.75327.2883.44741078.4726.50351.8994.03611221.8805.41416.37103.96121239.1941.23297.87113.3022999.631001.1-1.4333122.9377918.931080.5-161.57月份HtQaQcQa- Qc13.34071045.0105太陽電池方陣傾角為： =660蓄電池容量為

21、： B=242.5Ah太陽電池方陣容量為： P=216.3W 由以上計算最后得出：與上面討論的獨(dú)立光伏系統(tǒng)比較：太陽電池方陣傾角為： =620 蓄電池容量為： B=104.18Ah 太陽電池方陣容量為： P=95.05W 太陽電池方陣傾角為： =660 光控太陽能照明系統(tǒng)冬天工作時間長,耗電量多,夏天耗電量少,與日照規(guī)律正好相反。 光控太陽能照明系統(tǒng)與同樣功率的定時太陽能照明系統(tǒng)相比,所需要配置的太陽電池方陣和蓄電池的容量要大得多。 前者太陽電池方陣的傾角要比后者大,其原因是要照顧冬天方陣面上的日照量。 光控太陽能照明系統(tǒng)冬天工作時間長,耗電量多,夏天耗電量少 所分析的光控太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)

22、電量為 13495.66Ah，而燈具實(shí)際耗電量只有10027.33Ah ,利用率只有74.3% 。 而上例定時太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為6087.12Ah ,燈具實(shí)際耗電量5475Ah ,利用率可達(dá)89.9% 。 所分析的光控太陽能照明系統(tǒng)全年發(fā)電量為 13495. 3. 某些特殊要求光伏系統(tǒng)的設(shè)計 衡量供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能通?？捎秘?fù)載缺電率(Loss-of-load-probability). LOLP的定義為光伏系統(tǒng)全年停電時間與供電時間之比，LOLP值在01之間，數(shù)值越小，可靠程度越高。如LOLP = 0，表示任何時間都能保證供電，全年停電時間為零。 常規(guī)電網(wǎng)對大城市供電也只能達(dá)到 LOL

23、P =10-3數(shù)量級 3. 某些特殊要求光伏系統(tǒng)的設(shè)計 在一些特殊需要的場合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測報儀器、電網(wǎng)分段斷路器、軍用裝備等供電的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，確實(shí)需要做到滿足一分鐘都不停電的要求。對于這類獨(dú)立光伏系統(tǒng)，不能夠盲目地增加系統(tǒng)的安全系數(shù)，設(shè)計時要特別仔細(xì)，稍有不慎，其結(jié)果不但可能造成大量浪費(fèi)，還會影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。 在一些特殊需要的場合，例如為重要的通訊設(shè)備、災(zāi)害測報儀器 對于均衡負(fù)載要求LOLP = 0的獨(dú)立光伏系統(tǒng),同樣可以用上面提到的優(yōu)化設(shè)計步驟,只是用蓄電池的維持天數(shù)n = 0代入,使得各個月份的方陣發(fā)電量都大于負(fù)載耗電量,即可確定太陽電池方陣的容量。

24、 再根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖铋L連續(xù)陰雨天數(shù),作為蓄電池的維持天數(shù),確定蓄電池的容量。 對于均衡負(fù)載要求LOLP = 0的獨(dú)立光伏系 實(shí)例分析 為上海地區(qū)設(shè)計一套全天工作，缺電率為零的光伏系統(tǒng)，負(fù)載平均每天耗電量為10W，工作電壓取12V，試確定系統(tǒng)的容量。 求出每天負(fù)載耗電量為20Ah 。 實(shí)例分析 重復(fù)上述計算,或以蓄電池維持天數(shù)n = 0代入,即可得到最佳傾角為470,方陣輸出電流為10.46A,太陽電池方陣容量為204.9W 。 根據(jù)上海地區(qū)最長連續(xù)陰雨天數(shù)為8天,用n = 8,并取蓄電池放電深度為0.6,求出蓄電池容量為313.7Ah。 實(shí)際可采用2只12V-160Ah蓄電池并聯(lián)使用。 各月能量平

25、衡表如下: 重復(fù)上述計算,或以蓄電池維持天數(shù)n = 0代入,即可月份HtQaQcQa- Qc1月2.6557620.036200.032月2.9795628.3156068.313月3.0011700.6662080.664月3.65824.66600224.665月3.8399896.5620276.56月3.569758.45600158.457月3.9046911.59620291.598月4.0097936.14620316.149月3.7106838.35600238.3510月3.4880814.37620194.3711月3.1002700.44600100.4412月2.883

26、2673.1362053.13月份HtQaQcQa- Qc1月2.6557620.0362 (二). 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計 由于有電網(wǎng)作為儲能裝置,不必像蓄電池那樣受到容量的限制。所以太陽電池方陣的安裝傾角應(yīng)該是以全年能接收到最大太陽輻射量所對應(yīng)的角度。 電網(wǎng)可以隨時補(bǔ)充電力,所以系統(tǒng)設(shè)計不需要獨(dú)立光伏系統(tǒng)那樣嚴(yán)格。 (二). 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計 通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計有兩種:1. 根據(jù)準(zhǔn)備安裝的太陽電池方陣的容量，進(jìn)行設(shè)計，要找出全年能夠得到最大發(fā)電量所對應(yīng)的方陣最佳傾角，并且計算出系統(tǒng)各個月份的發(fā)電量及全年的總發(fā)電量。 首先可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩碣Y料,求出全年能接收到最大太陽輻射量所對應(yīng)的角度即為方陣最佳傾角。 通常并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計有兩種: 根據(jù)已知方陣容量,求出方陣輸出電流,再根據(jù)最佳傾角時方陣面上各個月份所接收到的太陽輻射量,利用公式: Q g = N I H t12 即可得到各