光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展，能源日漸減少，并伴隨著環(huán)境問(wèn)題日益突出，使得越來(lái)越多的國(guó)家把目光投向可再生能源。太陽(yáng)能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的發(fā)展。但是太陽(yáng)能電池在其工作過(guò)程中，由于受環(huán)境(主要包括日照強(qiáng)度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線性特性，造成電池與負(fù)載之間的不匹配，從而不能使太陽(yáng)能最大效率地轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，就需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPowerPointTracking)控制。

在光伏控制技術(shù)上，MPPT控制方法有很多種，目前市場(chǎng)上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術(shù)的控制器，因?yàn)镃VT法較為簡(jiǎn)單，制造相對(duì)也容易，但是此種控制技術(shù)帶來(lái)了較為嚴(yán)重的功率損失，相對(duì)于光伏電池價(jià)格的高昂以及電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，顯得很不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發(fā)展起來(lái)，本文所設(shè)計(jì)控制器即是一種基于電壓擾動(dòng)法采用高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的小型光伏控制器，控制超級(jí)電容器充放電?？刂破髡J(rèn)識(shí)控制器控制器的工作原理控制器的作用控制器的功能控制器的特點(diǎn)多種多樣的控制器在光伏系統(tǒng)中控制器僅次于太陽(yáng)能電池??????

蓄電池放電也要控制器。。。。。我是控制器他是我的上司我是儲(chǔ)能裝置我是發(fā)電裝置光伏電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí)，會(huì)在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電壓，接上負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生電流。該電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)接受的光強(qiáng)一定時(shí)，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環(huán)境(主要包括溫度，光照強(qiáng)度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線性。

其生成的電流也是具有波動(dòng)性的曲線，如果將所生成的電流直接充入蓄電池內(nèi)或直接給負(fù)載供電，則容易造成蓄電池和負(fù)載的損壞，嚴(yán)重減小了他們的壽命。因此我們必須把電流先送入太陽(yáng)能控制器，采用一系列專用芯片電路對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)，并加入多級(jí)充放電保護(hù)，確保電池和負(fù)載的運(yùn)行安全和使用壽命。對(duì)負(fù)載供電時(shí)，也是讓蓄電池的電流先流入太陽(yáng)能控制器，經(jīng)過(guò)它的調(diào)節(jié)后，再把電流送入負(fù)載。這樣做的目的：一是為了穩(wěn)定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過(guò)放電；三是可對(duì)負(fù)載和蓄電池進(jìn)行一系列的監(jiān)測(cè)保護(hù)。原理太陽(yáng)能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)微機(jī)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。既可快速實(shí)時(shí)采集光伏系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，隨時(shí)獲得PV站的工作信息，又可詳細(xì)積累PV站的歷史數(shù)據(jù)，為評(píng)估PV系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及檢驗(yàn)系統(tǒng)部件質(zhì)量的可靠性提供了準(zhǔn)確而充分的依據(jù)。此外，太陽(yáng)能控制器還具有串行通信數(shù)據(jù)傳輸功能，可將多個(gè)光伏系統(tǒng)子站進(jìn)行集中管理和遠(yuǎn)距離控制。

作用反接、反沖自動(dòng)保護(hù)，報(bào)警電瓶保護(hù)，過(guò)欠壓保護(hù)過(guò)載保護(hù)防止蓄電池過(guò)度充電。

防止蓄電池過(guò)度放電。

防止夜間蓄電池向太陽(yáng)能板反向放電。

過(guò)載保護(hù)。

短路保護(hù)。

電池防反。功能：1．防止蓄電池過(guò)度充電、過(guò)度放電、晚間反向放電。2．根據(jù)光線強(qiáng)弱，傍晚自動(dòng)開啟照明燈。3．根據(jù)設(shè)定，定時(shí)關(guān)閉照明燈或者根據(jù)光線強(qiáng)弱，黎明自動(dòng)關(guān)閉照明燈?？刂破魇窃鯓訉?shí)現(xiàn)通電斷電呢？測(cè)量太陽(yáng)能電池的電壓比如說(shuō)早上是3V中午是17V晚上是3V那么控制器就會(huì)在0-3V時(shí)（晚上）接通電路給用電器供電;當(dāng)電壓為大于3V時(shí),就會(huì)斷開電路，太陽(yáng)能電池就會(huì)給蓄電池充電。工業(yè)版控制器可以分成3個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段的時(shí)間可任意設(shè)置，根據(jù)使用環(huán)境的不同，每個(gè)時(shí)段可以設(shè)置成關(guān)閉狀態(tài)。比如有些廠區(qū)或者風(fēng)景區(qū)夜間無(wú)人，可以把第二個(gè)時(shí)段（深夜）關(guān)閉，或者第二、第三個(gè)時(shí)段都關(guān)閉，降低使用成本。

1、直觀的LED發(fā)光管指示當(dāng)前電瓶狀態(tài)，2、具有直流輸出或1HZ頻閃輸出2種輸出選擇，頻閃輸出特別適用于LED交通警示燈等；3、過(guò)充、過(guò)放、電子短路、過(guò)載保護(hù)、獨(dú)特的防反接保護(hù)等全自動(dòng)控制；以上保護(hù)均不損壞任何部件，不燒保險(xiǎn)；4、太陽(yáng)能控制器利用蓄電池放電率特性修正的準(zhǔn)確放電控制。放電終了電壓是由放電率曲線修正的控制點(diǎn)，消除了單純的電壓控制過(guò)放的不準(zhǔn)確性，符合蓄電池固有的特性，即不同的放電率具有不同的終了電壓;5、取消了電位器調(diào)整控制設(shè)定點(diǎn)，而利用了Flash存儲(chǔ)器記錄各工作控制點(diǎn)，使設(shè)置數(shù)字化，消除了因電位器震動(dòng)偏位、溫漂等使控制點(diǎn)出現(xiàn)誤差降低準(zhǔn)確性、可靠性的因素；6、所有控制全部采用工業(yè)級(jí)芯片（僅對(duì)帶I工業(yè)級(jí)控制器），能在寒冷、高溫、潮濕環(huán)境運(yùn)行自如。同時(shí)使用了晶振定時(shí)控制，定時(shí)控制精確；7、太陽(yáng)能控制器的直觀的LED發(fā)光管指示當(dāng)前電瓶狀態(tài)，讓用戶了解使用狀況；8、使用了數(shù)字LED顯示及設(shè)置，一鍵式操作即可完成所有設(shè)置，使用極其方便直觀；9、采用了串聯(lián)式PWM充電主電路，使充電回路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM高3%-6%，增加了用電時(shí)間；過(guò)放恢復(fù)的提升充電，正常的直充，浮充自動(dòng)控制方式使系統(tǒng)由更長(zhǎng)的使用壽命；同時(shí)具有高精度溫度補(bǔ)償；太陽(yáng)能控制器具有使用了單片機(jī)和專用軟件，實(shí)現(xiàn)了智能控制。逆變器認(rèn)識(shí)逆變器逆變器的原理逆變器的作用逆變方式分類逆變器的多樣性逆變波形分類

逆變器的效率問(wèn)題？？？

認(rèn)識(shí)光伏系統(tǒng)中的逆變器今天講的內(nèi)容

思考關(guān)于逆變器的問(wèn)題在光伏系統(tǒng)中為什么要逆變器？逆變器使用條件？變器的種類？逆變器的效率？認(rèn)識(shí)逆變器控制器與逆變器不同功率的逆變器原理原理原理逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置。主要是將直流轉(zhuǎn)化為交流。誰(shuí)能告訴我為什么要直流轉(zhuǎn)化為交流？思考逆變器作用太陽(yáng)能逆變器的功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過(guò)全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過(guò)調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。逆變器作用太陽(yáng)能逆變器的功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過(guò)全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過(guò)調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。

什么是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池組件、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置及配電系統(tǒng)組成。太陽(yáng)能能量通過(guò)太陽(yáng)電池組件轉(zhuǎn)化為直流電力，再通過(guò)并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，一部分給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，剩余電力饋入電網(wǎng)?？梢?jiàn)光伏并網(wǎng)逆變器為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。逆變器的多樣性

逆變方式分類集中逆變組串逆變多組串逆變太陽(yáng)能逆變器-集中逆變集中逆變一般用與大型光伏發(fā)電站（>10kW）的系統(tǒng)中，很多并行的光伏組串被連到同一臺(tái)集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，同時(shí)使用DSP轉(zhuǎn)換控制器來(lái)改善所產(chǎn)出電能的質(zhì)量，使它非常接近于正弦波電流。最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的功率高，成本低。但受光伏組串的匹配和部分遮影的影響，導(dǎo)致整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率和電產(chǎn)能。同時(shí)整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電可靠性受某一光伏單元組工作狀態(tài)不良的影響。最新的研究方向是運(yùn)用空間矢量的調(diào)制控制，以及開發(fā)新的逆變器的拓?fù)溥B接，以獲得部分負(fù)載情況下的高的效率。在SolarMax(索瑞·麥克）集中逆變器上，可以附加一個(gè)光伏陣列的接口箱，對(duì)每一串的光伏帆板串進(jìn)行監(jiān)控，如其中有一組串工作不正常，系統(tǒng)將會(huì)把這一信息傳到遠(yuǎn)程控制器上，同時(shí)可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制將這一串停止工作，從而不會(huì)因?yàn)橐淮夥墓收隙档秃陀绊懻麄€(gè)光伏系統(tǒng)的工作和能量產(chǎn)出。太陽(yáng)能逆變器組串逆變

/a3_11_88_01300000800714127232886517842_jpg.html1kW-5kW）通過(guò)一個(gè)逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯(lián)并網(wǎng)。許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優(yōu)點(diǎn)是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時(shí)減少了光伏組件最佳工作點(diǎn)

與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。技術(shù)上的這些優(yōu)勢(shì)不僅降低了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在組串間引入“主-從”的概念，使得在系統(tǒng)在單串電能不能使單個(gè)逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯(lián)系在一起，讓其中一個(gè)或幾個(gè)工作，從而產(chǎn)出更多的電能。最新的概念為幾個(gè)逆變器相互組成一個(gè)“團(tuán)隊(duì)”來(lái)代替“主-從”的概念，使得系統(tǒng)的可靠性又進(jìn)了一步。目前，無(wú)變壓器式組串逆變器已占了主導(dǎo)地位。太陽(yáng)能逆變器多組串逆變多組串逆變是取了集中逆變和組串逆變的優(yōu)點(diǎn)，避免了其缺點(diǎn)，可應(yīng)用于幾千瓦的光伏發(fā)電站。在多組串逆變器中，包含了不同的單獨(dú)的功率峰值跟蹤和直流到直流的轉(zhuǎn)換器，這些直流通過(guò)一個(gè)普通的直流到交流的逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，并網(wǎng)到電網(wǎng)上。光伏組串的不同額定值（如：不同的額定功率、每組串不同的組件數(shù)、組件的不同的生產(chǎn)廠家等等）、不同的尺寸或不同技術(shù)的光伏組件、不同方向的組串（如：東、南和西）、不同的傾角或遮影，都可以被連在一個(gè)共同的逆變器上，同時(shí)每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時(shí)，直流電纜的長(zhǎng)度減少、將組串間的遮影影響和由于組串間的差異而引起的損失減到最小。逆變器的分類方波逆變器階梯波逆變器正弦波逆變器逆變波形分類我教你什么是逆變器方波逆變器方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波。此類逆變器所使用的逆變線路較簡(jiǎn)單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量很少。設(shè)計(jì)功率一般在百瓦至千瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維修方便。

缺點(diǎn)是由于方波電壓中含有大量高次諧波，在帶有鐵心電感或變壓器的負(fù)載用電器中將產(chǎn)生附加損耗，對(duì)收音機(jī)和某些通訊設(shè)備有干擾。此外，這類逆變器還有調(diào)壓范圍不夠?qū)?，保護(hù)功能不夠完善，噪聲比較大等缺點(diǎn)。

階梯波逆變器

此類逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波，逆變器實(shí)現(xiàn)階梯波輸出也有多種不同線路，輸出波形的階梯數(shù)目差別很大。階梯波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是，輸出波形比方波有明顯改善，高次諧波含量減少，當(dāng)階梯達(dá)到17個(gè)以上時(shí)輸出波形可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)正弦波。當(dāng)采用無(wú)變壓器輸出時(shí)，整機(jī)效率很高。什么是階梯波？高次諧波將非正弦周期信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)展開，頻率為原信號(hào)頻率兩倍及以上的正弦分量。2倍以上的正弦波均稱為高次諧波.▲高次諧波是電力系統(tǒng)的公害,其危害主要有:(1)諧波電流使輸電線路、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器產(chǎn)生附加損耗,溫度升高。電力電子設(shè)備：計(jì)量?jī)x表因?yàn)橹C波會(huì)造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。。缺點(diǎn)是，階梯波疊加線路使用的功率開關(guān)管較多，其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太陽(yáng)電池方陣的分組與接線和蓄電池的均衡充電均帶來(lái)麻煩。此外，階梯波電壓對(duì)收音機(jī)和某些通訊設(shè)備仍有一些高頻干擾。正弦波逆變器正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波。正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是，輸出波形好，失真度很低，對(duì)收音機(jī)及設(shè)備干擾小，噪聲低。此外，保護(hù)功能齊全，整機(jī)效率高。缺點(diǎn)是：線路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)維修技術(shù)要求高，價(jià)格較貴。正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因?yàn)樗淮嬖陔娋W(wǎng)中的電磁污染電磁污染：與一般無(wú)線電電磁干擾一樣變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合三方式對(duì)電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。

逆變器使用條件1．逆變器的使用環(huán)境條件，逆變器正常使用條件：海拔高度不超過(guò)1000m，空氣溫度0～+40℃。2．直流輸入電源條件，輸入直流電壓波動(dòng)范圍：蓄電池組額定電壓值的±15%。3．額定輸出電壓：在規(guī)定的輸入電源條件下，輸出額定電流時(shí)，逆變器應(yīng)輸出的額定電壓值。電壓波動(dòng)范圍：?jiǎn)蜗?20V±5%，三相380±5%。4．額定輸出電流：在規(guī)定的輸出頻率和負(fù)載功率因數(shù)下，逆變器應(yīng)輸出的額定電流值。5．額定輸出頻率，在規(guī)定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為50Hz：頻率波動(dòng)范圍：50Hz±2%。6．逆變器的最大諧波含量，正弦波逆變器，在阻性負(fù)載下，輸出電壓的最大諧波含量應(yīng)≤10%。7．逆變器的過(guò)載能力，在規(guī)定的條件下，在較短時(shí)間內(nèi)，逆變器輸出超過(guò)額定電流值的能力。逆變器的過(guò)載能力應(yīng)在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，滿足一定的要求。太陽(yáng)能逆變器-技術(shù)條件在光伏/風(fēng)力互補(bǔ)系統(tǒng)選用逆變器時(shí)，首要的是確定逆變器如下幾個(gè)最主要的技術(shù)參數(shù)：輸入直流電壓范圍，如DC24V、48V、110V、220V等；額定輸出電壓，如三相380V，還是單相220V；輸出電壓波形，如正弦波、梯形波或方波。木前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)逆變器的效率問(wèn)題逆變器在工作時(shí)其本身也要消耗一部分電力，因此，它的輸入功率要大于它的輸出功率。逆變器的效率即是逆變器輸出功率與輸入功率之比。如一臺(tái)逆變器輸入了100瓦的直流電，輸出了90瓦的交流電，那么，它的效率就是90％。目前世界上太陽(yáng)能逆變器，歐美效率較高，歐洲標(biāo)準(zhǔn)是97.2%，但價(jià)格較為昂貴，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)只有江蘇艾索新能源股份有限公司銷售部李先生最近接受采訪時(shí)候自稱旗下的TL系列太陽(yáng)能光伏逆變器單項(xiàng)機(jī)最大效率可達(dá)到97.6%，國(guó)內(nèi)其他的逆變器效率都在90%以下，但價(jià)格比進(jìn)口要便宜很多.除了功率，波形以外，選擇逆變器的效率也非常重要，效率越高則在逆變器身上浪費(fèi)的電能就少，用于電器的電能就更多，特別是你是小功率系統(tǒng)時(shí)這點(diǎn)的重要性更迫確。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主講人：黃忠2010年11月20日緒論主要講述太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，并結(jié)合實(shí)例講述光伏系統(tǒng)的常見(jiàn)類型、一般設(shè)計(jì)原理和方法、光伏系統(tǒng)的測(cè)試以及性能分析，并描述了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。光伏系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，光伏系統(tǒng)應(yīng)用的基本形式可分為兩大類：獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。應(yīng)用主要領(lǐng)域主要在太空航空器、通信系統(tǒng)、微波中繼站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)、光伏水泵和無(wú)電缺電地區(qū)戶用供電。隨著技術(shù)發(fā)展和世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始有計(jì)劃地推廣城市光伏并網(wǎng)發(fā)電，主要是建設(shè)戶用屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和MW級(jí)集中型大型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等，同時(shí)在交通工具和城市照明等方面大力推廣太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。光伏系統(tǒng)的組成和原理

光伏系統(tǒng)由以下三部分組成：太陽(yáng)電池組件；充、放電控制器、逆變器、測(cè)試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。光伏系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音；沒(méi)有空氣污染、不排放廢水；沒(méi)有燃燒過(guò)程，不需要燃料；維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低；運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性好；作為關(guān)鍵部件的太陽(yáng)電池使用壽命長(zhǎng)，晶體硅太陽(yáng)電池壽命可達(dá)到25年以上；根據(jù)需要很容易擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模。光伏系統(tǒng)中的幾個(gè)主要部件：光伏組件方陣：由太陽(yáng)電池組件（也稱光伏電池組件）按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而

成，在太陽(yáng)光照射下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能輸出，它是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的核心部件。蓄電池：將太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)光照不足或晚上、或者負(fù)載需求大于太陽(yáng)電池組件所發(fā)的電量時(shí)，將儲(chǔ)存的電能釋放以滿足負(fù)載的能量需求，它是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件。目前太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)常用的是鉛酸蓄電池，對(duì)于較高要求的系統(tǒng)，通常采用深放電閥控式密封鉛酸蓄電池、深放電吸液式鉛酸蓄電池等?？刂破鳎核鼘?duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽(yáng)電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，控制器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，有將傳統(tǒng)的控制部分、逆變器以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成的趨勢(shì)，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三種功能。逆變器：在太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)中，如果含有交流負(fù)載，那么就要使用逆變器設(shè)備，將太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的交流電?；竟ぷ髟硖?yáng)能光伏供電系統(tǒng)的基本工作原理就是在太陽(yáng)光的照射下，將太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電能通過(guò)控制器的控制給蓄電池充電或者在滿足負(fù)載需求的情況下直接給負(fù)載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負(fù)載供電，對(duì)于含有交流負(fù)載的光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。光伏系統(tǒng)的應(yīng)用具有多種形式，但是其基本原理大同小異。對(duì)于其他類型的光伏系統(tǒng)只是在控制機(jī)理和系統(tǒng)部件上根據(jù)實(shí)際的需要有所不同，下面將對(duì)不同類型的光伏系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地描述。圖1-1直流負(fù)載的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)的分類與介紹一般將光伏系統(tǒng)分為獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。如果根據(jù)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用形式、應(yīng)用規(guī)模和負(fù)載的類型，對(duì)光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行比較細(xì)致的劃分，可將光伏系統(tǒng)分為如下六種類型：小型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)（SmallDC）；簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)（SimpleDC）；大型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)（LargeDC）；交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC）；并網(wǎng)系統(tǒng)（UtilityGridConnect）；混合供電系統(tǒng)（Hybrid）；并網(wǎng)混合系統(tǒng)。下面就每種系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

小型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)（SmallDC）該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中只有直流負(fù)載而且負(fù)載功率比較小，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。其主要用途是一般的戶用系統(tǒng)，負(fù)載為各種民用的直流產(chǎn)品以及相關(guān)的娛樂(lè)設(shè)備。如在我國(guó)西北邊遠(yuǎn)地區(qū)就大面積推廣使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，負(fù)載為直流節(jié)能燈、收錄機(jī)和電視機(jī)等，用來(lái)解決無(wú)電地區(qū)家庭的基本照明問(wèn)題。簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)（SimpleDC）該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)負(fù)載為直流負(fù)載而且對(duì)負(fù)載的使用時(shí)間沒(méi)有特別的要求，負(fù)載主要是在白天使用，所以系統(tǒng)中沒(méi)有使用蓄電池，也不需要使用控制器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接使用太陽(yáng)能太陽(yáng)電池組件給負(fù)載供電，省去了能量在蓄電池中的儲(chǔ)存和釋放過(guò)程所造成的損失，以及控制器中的能量損失，提高了太陽(yáng)能的利用效率。其常用于光伏水泵系統(tǒng)、一些白天臨時(shí)設(shè)備用電和旅游設(shè)施中。圖4-4顯示的就是一個(gè)簡(jiǎn)單直流的光伏水泵系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在發(fā)展中國(guó)家的無(wú)純凈自來(lái)水供飲地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。大型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)（LargeDC）與上述兩種光伏系統(tǒng)相比，這種光伏系統(tǒng)仍適用于直流電源系統(tǒng)，但是這種太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的負(fù)載功率較大，為了保證可靠地給負(fù)載提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，其相應(yīng)的系統(tǒng)規(guī)模也較大，需要配備較大的太陽(yáng)能太陽(yáng)電池組件陣列和較大的蓄電池組，常應(yīng)用于通信、遙測(cè)、監(jiān)測(cè)設(shè)備電源，農(nóng)村的集中供電站，航標(biāo)燈塔、路燈等領(lǐng)域。我國(guó)在西部地區(qū)實(shí)施的“光明工程”中，一些無(wú)電地區(qū)建設(shè)的部分鄉(xiāng)村光伏電站就是采用這種形式；中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通公司在偏僻無(wú)電網(wǎng)地區(qū)建設(shè)的通信基站也采用了這種光伏系統(tǒng)供電。交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC）與上述的三種太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)不同的是，這種光伏系統(tǒng)能夠同時(shí)為直流和交流負(fù)載提供電力，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上比上述三種系統(tǒng)多了逆變器，用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電以滿足交流負(fù)載的需求。通常這種系統(tǒng)的負(fù)載耗電量也比較大，從而系統(tǒng)的規(guī)模也較大。在一些同時(shí)具有交流和直流負(fù)載的通信基站和其它一些含有交、直流負(fù)載的光伏電站中得到應(yīng)用。并網(wǎng)系統(tǒng)（UtilityGridConnected）這種光伏系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)，并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏方陣所產(chǎn)生電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)。在陰雨天或夜晚，太陽(yáng)電池組件沒(méi)有產(chǎn)生電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)就由電網(wǎng)供電。因?yàn)橹苯訉㈦娔茌斎腚娋W(wǎng)，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲(chǔ)能和釋放的過(guò)程，可以充分利用光伏方陣所發(fā)的電力從而減小了能量的損耗，并降低了系統(tǒng)的成本。但是系統(tǒng)中需要專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對(duì)電壓、頻率等電性能指標(biāo)的要求。因?yàn)槟孀兤餍实膯?wèn)題，還是會(huì)有部分的能量損失。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和太陽(yáng)能太陽(yáng)電池組件陣列作為本地交流負(fù)載的電源，降低了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率。而且并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以對(duì)公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。但并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)的電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一些不良的影響，如諧波污染，孤島效應(yīng)等?；旌瞎╇娤到y(tǒng)（Hybrid）這種太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中除了使用太陽(yáng)能太陽(yáng)電池組件陣列之外，還使用了燃油發(fā)電機(jī)作為備用電源。使用混合供電系統(tǒng)的目的就是為了綜合利用各種發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)。比方說(shuō)，上述幾種獨(dú)立光伏系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)少，缺點(diǎn)是能量輸出依賴于天氣，不穩(wěn)定。綜合使用柴油發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)電池組件的混合供電系統(tǒng)與單一能源的獨(dú)立系統(tǒng)相比所提供的能源對(duì)天氣的依賴性要小

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)自身具有其獨(dú)特的特點(diǎn)：無(wú)枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈（無(wú)污染，除蓄電池外）；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短；供電系統(tǒng)工作可靠。不足之處是：照射的能量分布密度小；獲得的能源與四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)；造價(jià)比較高。以上的一些特點(diǎn)決定了光伏發(fā)電供電系統(tǒng)在應(yīng)用中有著其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)和相關(guān)的制約。光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：容量設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的主要目的就是要計(jì)算出系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需的太陽(yáng)電池組件和蓄電池的數(shù)量。同時(shí)要注意協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本兩者之間的關(guān)系，在滿足系統(tǒng)工作的最大可靠性基礎(chǔ)上盡量地減少系統(tǒng)成本。光伏系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要目的是根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的硬件設(shè)備包括太陽(yáng)電池組件的選型，支架設(shè)計(jì)，逆變器的選擇，電纜的選擇，控制測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，防雷設(shè)計(jì)和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要綜合考慮系統(tǒng)的軟件和硬件兩個(gè)方面。針對(duì)不同類型的光伏系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容也不一樣。獨(dú)立系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和考慮重點(diǎn)都會(huì)有所不同。在進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，需要了解并獲取一些進(jìn)行計(jì)算和選擇必需的基本數(shù)據(jù)：光伏系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔；該地區(qū)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。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。因?yàn)樘?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。

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。光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池有鎳氫、鎳鎘電池和鉛酸蓄電池，但是在較大的系統(tǒng)中考慮到技術(shù)成熟性和成本等因素，通常使用鉛酸蓄電池。在下面內(nèi)容中涉及到的蓄電池沒(méi)有特別說(shuō)明指的都是鉛酸蓄電池。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。第一步，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)的有關(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見(jiàn)下：自給天數(shù)X日平均負(fù)載蓄電池容量=-------------------------------（1）最大放電深度下面我們介紹確定蓄電池串并聯(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(lái)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。負(fù)載標(biāo)稱電壓串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)=-----------------------（2）蓄電池標(biāo)稱電壓為了說(shuō)明上述基本公式的應(yīng)用，我們用一個(gè)小型的交流光伏應(yīng)用系統(tǒng)作為范例。假設(shè)該光伏系統(tǒng)交流負(fù)載的耗電量為10KWh/天，如果在該光伏系統(tǒng)中，我們選擇使用的逆變器的效率為90％，輸入電壓為24V，那么可得所需的直流負(fù)載需求為462.96Ah/天。(10000Wh÷0.9÷24V=462.96Ah)。我們假設(shè)這是一個(gè)負(fù)載對(duì)電源要求并不是很嚴(yán)格的系統(tǒng)，使用者可以比較靈活的根據(jù)天氣情況調(diào)整用電。我們選擇5天的自給天數(shù)，并使用深循環(huán)電池，放電深度為80％。那么：蓄電池容量＝5天×462.96Ah/0.8＝2893.51Ah。如果選用2V/400Ah的單體蓄電池，那么需要串連的電池?cái)?shù)： 串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)＝24V/2V=12（個(gè)）需要并聯(lián)的蓄電池?cái)?shù)： 并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)＝2893.51/400＝7.23我們?nèi)≌麛?shù)為8。所以該系統(tǒng)需要使用2V/400Ah的蓄電池個(gè)數(shù)為：12串聯(lián)×8并聯(lián)=96（個(gè)）。下面是一個(gè)純直流系統(tǒng)的例子：鄉(xiāng)村小屋的光伏供電系統(tǒng)。該小屋只是在周末使用，可以使用低成本的淺循環(huán)蓄電池以降低系統(tǒng)成本。該鄉(xiāng)村小屋的負(fù)載為90Ah/天，系統(tǒng)電壓為24V。我們選擇自給天數(shù)為2天，蓄電池允許的最大放電深度為50％，那么： 蓄電池容量＝2天×90Ah/0.5＝360Ah。如果選用12V/100Ah的蓄電池，那么需要該蓄電池2串聯(lián)×4并聯(lián)=8個(gè)。設(shè)計(jì)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。首先，我們考慮放電率對(duì)蓄電池容量的影響。蓄電池的容量隨著放電率的改變而改變，隨著放電率的降低，蓄電池的容量會(huì)相應(yīng)增加。蓄電池的容量會(huì)隨著蓄電池溫度的變化而變化，當(dāng)蓄電池溫度下降時(shí)，蓄電池的容量會(huì)下降。在設(shè)計(jì)時(shí)要使用光伏系統(tǒng)所在地區(qū)的最低平均溫度，然后從上圖或者是由蓄電池

生產(chǎn)商提供的最大放電深度－蓄電池溫度關(guān)系圖上找到該地區(qū)使用蓄電池的最大允許放電深度。通常，只是在溫度低于零下8度時(shí)才考慮進(jìn)行校正。圖10鉛酸蓄電池最大放電深度－溫度曲線下面舉例說(shuō)明上述公式的應(yīng)用。建立一套光伏供電系統(tǒng)給一個(gè)地處偏遠(yuǎn)的通訊基站供電，該系統(tǒng)的負(fù)載有兩個(gè)：負(fù)載一，工作電流為1安培，每天工作24小時(shí)。負(fù)載二，工作電流為5安培每天工作12小時(shí)。該系統(tǒng)所處的地點(diǎn)的24小時(shí)平均最低溫度為-20℃，系統(tǒng)的自給時(shí)間為5天。使用深循環(huán)工業(yè)用蓄電池（最大DOD為80％）。因?yàn)樵摴夥到y(tǒng)所在地區(qū)的24小時(shí)平均最低溫度為-20℃，所以必須修正蓄電池的最大允許放電深度。由最大放電深度－蓄電池溫度的關(guān)系圖我們可以確定最大允許放電深度為50％。所以，加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間=＝6.67hrs平均放電率=＝66.7小時(shí)率根據(jù)上頁(yè)中的典型溫度－放電率－容量變化曲線，與平均放電率計(jì)算數(shù)值最為接近的放電率為50小時(shí)率，-20℃時(shí)在該放電率下所對(duì)應(yīng)的溫度修正系數(shù)為0.7（也可以根據(jù)供應(yīng)商提供的性能表進(jìn)行查詢）。如果計(jì)算出來(lái)的放電率在兩個(gè)數(shù)據(jù)之間，那么選擇較快的放電率（短時(shí)間）比較保守可靠。因此蓄電池容量為：蓄電池容量＝1428.57Ah@50小時(shí)放電率根據(jù)供應(yīng)商提供的蓄電池參數(shù)表，我們可以選擇合適的蓄電池進(jìn)行串并聯(lián)，構(gòu)成所需的蓄電池組。（4）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。這樣可以有多種選擇，例如，如果計(jì)算出來(lái)的蓄電池容量為500Ah，那么我們可以選擇一個(gè)500Ah的單體蓄電池，也可以選擇兩個(gè)250Ah的蓄電池并聯(lián)，還可以選擇5個(gè)100Ah的蓄電池并聯(lián)。從理論上講，這些選擇都可以滿足要求，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(shuō)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(lái)講，建議并聯(lián)的數(shù)目不要超過(guò)4組。目前，很多光伏系統(tǒng)采用的是兩組并聯(lián)模式。這樣，如果有一組蓄電池出現(xiàn)故障，不能正常工作，就可以將該組蓄電池?cái)嚅_進(jìn)行維修，而使用另外一組正常的蓄電池，雖然電流有所下降，但系統(tǒng)還能保持在標(biāo)稱電壓正常工作?？傊铍姵亟M的并聯(lián)設(shè)計(jì)需要考慮不同的實(shí)際情況，根據(jù)不同的需要作出不同的選擇。光伏組件方陣設(shè)計(jì)（1）基本公式在前面的章節(jié)中，我們講述了光伏供電系統(tǒng)中蓄電池的設(shè)計(jì)方法。下面我們將講述如何設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池組件的大小。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：并聯(lián)的組件數(shù)量＝（4.6）串聯(lián)組件數(shù)量＝（4.7）（2）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。將太陽(yáng)電池組件輸出降低10％在實(shí)際情況工作下，太陽(yáng)電池組件的輸出會(huì)受到外在環(huán)境的影響而降低。泥土，灰塵的覆蓋和組件性能的慢慢衰變都會(huì)降低太陽(yáng)電池組件的輸出。通常的做法就是在計(jì)算的時(shí)候減少太陽(yáng)電池組件的輸出10％來(lái)解決上述的不可預(yù)知和不可量化的因素。我們可以將這看成是光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的工程上的安全系數(shù)。又因?yàn)楣夥╇娤到y(tǒng)的運(yùn)行還依賴于天氣狀況,所以有必要對(duì)這些因素進(jìn)行評(píng)估和技術(shù)估計(jì)，因此設(shè)計(jì)上留有一定的余量將使得系統(tǒng)可以年復(fù)一年地長(zhǎng)期正常使用。將負(fù)載增加10％以應(yīng)付蓄電池的庫(kù)侖效率在蓄電池的充放電過(guò)程中，鉛酸蓄電池會(huì)電解水，產(chǎn)生氣體逸出，這也就是說(shuō)著太陽(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(lái)而是耗散掉。所以可以認(rèn)為必須有一小部分電流用來(lái)補(bǔ)償損失，我們用蓄電池的庫(kù)侖效率來(lái)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5～10％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。(3)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,將每天的負(fù)載除以蓄電池的庫(kù)侖效率，這樣就增加了每天的負(fù)載，實(shí)際上給出了太陽(yáng)電池組件需要負(fù)擔(dān)的真

正負(fù)載；將衰減因子乘以太陽(yáng)電池組件的日輸出，這樣就考慮了環(huán)境因素和組件自身衰減造成的太陽(yáng)電池組件日輸出的減少，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。綜合考慮以上因素，可以得到下面的計(jì)算公式。并聯(lián)的組件數(shù)量＝（4.8）

串聯(lián)組件數(shù)量＝（4.9）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(wèn)題：1、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)算對(duì)于全年負(fù)載不變的情況，太陽(yáng)電池組件的設(shè)計(jì)計(jì)算是基于輻照最低的月份。如果負(fù)載的工作情況是變化的，即每個(gè)月份的負(fù)載對(duì)電力的需求是不一樣的，那么在設(shè)計(jì)時(shí)采取的最好方法就是按照不同的季節(jié)或者每個(gè)月份分別來(lái)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的最大太陽(yáng)電池組件數(shù)目就為所求。通常在夏季、春季和秋季，太陽(yáng)電池組件的電能輸出相對(duì)較多，而冬季相對(duì)較少，但是負(fù)載的需求也可能在夏季比較的大，所以在這種情況下只是用年平均或者某一個(gè)月份進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算是不準(zhǔn)確的，因?yàn)闉榱藵M足每個(gè)月份負(fù)載需求而需要的太陽(yáng)電池組件數(shù)是不同的，那么就必須按照每個(gè)月所需要的負(fù)載算出該月所必須的太陽(yáng)電池組件。其中的最大值就是一年中所需要的太陽(yáng)電池組件數(shù)目。例如，可能你計(jì)算出你在冬季需要的太陽(yáng)電池組件數(shù)是10塊，但是在夏季可能只需要5塊，但是為了保證系統(tǒng)全年的正常運(yùn)行，就不得不安裝較大數(shù)量的太陽(yáng)電池組件即10塊組件來(lái)滿足全年的負(fù)載的需要。2、根據(jù)太陽(yáng)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)電池組件的日輸出與太陽(yáng)電池組件中電池片的串聯(lián)數(shù)量有關(guān)。太陽(yáng)電池在光照下的電壓會(huì)隨著溫度的升高而降低，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池組件的電壓會(huì)隨著溫度的升高而降低。根據(jù)這一物理現(xiàn)象，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)了不用的組件：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)電池組件的串聯(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12V，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17V，大大高于充電所需的12V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15V，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。采用36片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件最好是應(yīng)用在炎熱地區(qū)，也可以使用在安裝了峰值功率跟蹤設(shè)備的系統(tǒng)中，這樣可以最大限度的發(fā)揮太陽(yáng)電池組件的潛力。33片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件適宜于在溫和氣候環(huán)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16V，稍高于充電所需的12V電壓。當(dāng)這些太陽(yáng)電池組件在40-45℃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1V，這樣Vmp為15V，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50℃或者更高，電壓會(huì)降低到14V或者以下，就會(huì)發(fā)生電流輸出降低。這樣對(duì)太陽(yáng)電池組件沒(méi)有害處，但是產(chǎn)生的電流就不夠理想，所以33片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件最好用在溫和氣候條件下。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)來(lái)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)電池組件的輸出為峰值小時(shí)數(shù)×峰值功率。例如：如果一個(gè)月的平均輻射為5.0kWh/m2，可以將其寫成5.0hours×1000W/m2，而1000W/m2正好也就是用來(lái)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5.0kWh/m2就基本等同于太陽(yáng)電池組件在標(biāo)準(zhǔn)輻射下照射5.0小時(shí)。這當(dāng)然不是實(shí)際情況，但是可以用來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。因?yàn)?000W/m2是生產(chǎn)商用來(lái)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度的斜面上按月平均每天的輻射量為5.0kWh/m2，可以將其寫成5.0hours×1000W/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=22.0Ah/天。使用峰值小時(shí)方法存在一些缺點(diǎn)，因?yàn)樵诜逯敌r(shí)方法中做了一些簡(jiǎn)化，導(dǎo)致估算結(jié)果和實(shí)際情況有一定的偏差。首先，太陽(yáng)電池組件輸出的溫度效應(yīng)在該方法中被忽略。在計(jì)算中對(duì)太陽(yáng)電池組件的Imp要進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)樵诠ぷ鞯臅r(shí)候，蓄電池兩端的電壓通常是稍微低于Vmp，這樣太陽(yáng)電池組件輸出電流就會(huì)稍微高于Imp，使用Imp作為太陽(yáng)電池組件的輸出就會(huì)比較保守。這樣，溫度效應(yīng)對(duì)于由較少的電池片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件輸出的影響就比對(duì)由較多的電池片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件的輸出影響要大。所以峰值小時(shí)方法對(duì)于36片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件比較準(zhǔn)確，對(duì)于33片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件則較差，特別是在高溫環(huán)境下。對(duì)于所有的太陽(yáng)電池組件，在寒冷氣候的預(yù)計(jì)會(huì)更加準(zhǔn)確。其次，在峰值小時(shí)方法中，利用了氣象數(shù)據(jù)中測(cè)量的總的太陽(yáng)輻射，將其轉(zhuǎn)換為峰值小時(shí)。實(shí)際上，在每天的清晨和黃昏，有一段時(shí)間因?yàn)檩椛浜艿?，太?yáng)電池組件產(chǎn)生的電壓太小而無(wú)法供給負(fù)載使用或者給蓄電池充電，這就將會(huì)導(dǎo)致估算偏大。通常，這一點(diǎn)造成的誤差不是很大，但對(duì)于由較少電池片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件的影響比較大。所以對(duì)36片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件每天輸出的估算就比較準(zhǔn)確，而對(duì)于33片串聯(lián)的太陽(yáng)電池組件的估算則較差。再次，在利用峰值小時(shí)方法進(jìn)行太陽(yáng)電池組件輸出估算時(shí)默認(rèn)了一個(gè)假設(shè)，即假設(shè)太陽(yáng)電池組件的輸出和光照完全成線性關(guān)系，并假設(shè)所有的太陽(yáng)電池組件都會(huì)同樣地把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能。但實(shí)際上不是這樣的，這種使用峰值小時(shí)數(shù)乘以電流峰值的方法有時(shí)候會(huì)過(guò)高地估算某些太陽(yáng)電池組件的輸出。不過(guò)，總的來(lái)說(shuō)，在已知本地傾斜斜面上太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)的情況下，峰值小時(shí)估計(jì)方法是一種對(duì)太陽(yáng)電池組件輸出進(jìn)行快速估算很有效的方法。下面舉例說(shuō)明如何使用上述方法計(jì)算光伏供電系統(tǒng)需要的太陽(yáng)電池組件數(shù)。一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)的光伏供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用直流負(fù)載，負(fù)載為24V，400Ah/天。該地區(qū)最低的光照輻射是一月份，如果采用30度的傾角，斜面上的平均日太陽(yáng)輻射為3.0kWh/m2，也就是相當(dāng)于3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)峰值小時(shí)。對(duì)于一個(gè)典型的75W太陽(yáng)電池組件，每天的輸出為：組件日輸出=3.0峰值小時(shí)×4.4安培=13.2Ah/天假設(shè)蓄電池的庫(kù)侖效率為90%，太陽(yáng)電池組件的輸出衰減為10％。根據(jù)上述公式，并聯(lián)組件數(shù)量=＝=37.4串聯(lián)組件數(shù)量＝＝=2根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，可以選擇并聯(lián)組件數(shù)量為38，串聯(lián)組件數(shù)量為2，所需的太陽(yáng)電池組件數(shù)為：總的太陽(yáng)電池組件數(shù)=2串×38并=76塊校核光伏組件方陣對(duì)蓄電池組的最大充電率校核設(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。下面給出了最大的充電率的校核公式，用總的蓄電池容量除以總的峰值電流即可。最大充電率＝＝（4.11）下面舉例說(shuō)明，光伏供電系統(tǒng)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4000Ah的蓄電池。最大充電率為：最大充電率=4000Ah/25×4.4(75W組件峰值電流)=24hours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)。計(jì)算斜面上的太陽(yáng)輻射并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。光伏組件方陣的放置形式有固定安裝式和自動(dòng)跟蹤式兩種形式，其中自動(dòng)跟蹤裝置包括單軸跟蹤裝置和雙軸跟蹤裝置。與光伏組件方陣放置相關(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。對(duì)于固定式光伏系統(tǒng)，一旦安裝完成，太陽(yáng)電池組件傾角和太陽(yáng)電池組件方位角就無(wú)法改變。而安裝了跟蹤裝置的太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)，光伏組件方陣可以隨著太陽(yáng)的運(yùn)行而跟蹤移動(dòng)，使太陽(yáng)電池組件一直朝向太陽(yáng)，增加了光伏組件方陣接受的太陽(yáng)輻射量。但是目前太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)中使用跟蹤裝置的相對(duì)較少，因?yàn)楦櫻b置比較復(fù)雜，初始成本和維護(hù)成本較高，安裝跟蹤裝置獲得額外的太陽(yáng)能輻射產(chǎn)生的效益無(wú)法抵消安裝該系統(tǒng)所需要的成本。所以下面主要講述采用固定安裝的光伏系統(tǒng)。固定安裝的光伏系統(tǒng)涉及到兩個(gè)重要的方面，即如何選擇最佳傾角以及如何計(jì)算斜面上的太陽(yáng)輻射。地面應(yīng)用的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏組件方陣平面要朝向赤道，相對(duì)地平面有一定傾角。傾角不同，各個(gè)月份方陣面接收到的太陽(yáng)輻射量差別很大。因此，確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。目前有的觀點(diǎn)認(rèn)為方陣傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葹樽罴选＿@樣做的結(jié)果，夏天太陽(yáng)電池組件發(fā)電量往往過(guò)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)，所以這不一定是最好的選擇。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度到20度。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)。其實(shí)，這種觀點(diǎn)也不一定妥當(dāng)，這樣往往會(huì)使夏季獲得的輻射量過(guò)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。下面將介紹對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，如何選擇最佳傾角。在討論最佳傾角的選擇方法之前，先介紹利用水平面上太陽(yáng)輻射計(jì)算斜面上太陽(yáng)輻射的方法。因?yàn)槲覀冃枰褂玫奶?yáng)輻射數(shù)據(jù)是傾斜面上的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，而通常我們能夠得到的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)是水平面上的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)。當(dāng)太陽(yáng)電池組件傾斜放置時(shí)，原始?xì)庀髷?shù)據(jù)就不能代表斜面上的實(shí)際輻射，所以必須要測(cè)量斜面上的輻射數(shù)據(jù)或者采用數(shù)學(xué)方法對(duì)原始的水平面上的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以得到斜面上所需的輻射數(shù)據(jù)。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：傾斜面上的太陽(yáng)輻射總量Ht由直接太陽(yáng)輻射量Hbt、天空散射輻射量Hdt和地面反射輻射量Hrt三部分所組成：Ht＝Hbt＋Hdt＋Hrt（4.12）對(duì)于確定的地點(diǎn)，知道全年各月水平面上的平均太陽(yáng)輻射資料(總輻射量、直接輻射量或散射輻射量)后，便可以算出不同傾角的斜面上全年各月的平均太陽(yáng)輻射量。下面介紹相關(guān)公式和計(jì)算模型。計(jì)算直接太陽(yáng)輻射量Hbt引入?yún)?shù)Rb，Rb為傾斜面上直接輻射量Hbt與水平面上Hb直接輻射量之比，Rb＝(4.13)上述公式中傾斜面與水平面上直接輻射量之比Rb的表達(dá)式如下：(4.14)

上式中，s為太陽(yáng)電池組件傾角，δ為太陽(yáng)赤緯，hs為水平面上日落時(shí)角，hs’為傾斜面上日落時(shí)角，L是光伏供電系統(tǒng)的當(dāng)?shù)鼐暥取Ｌ?yáng)赤緯δ的計(jì)算可參見(jiàn)公式（1.1）。水平面上日落時(shí)角hs的表達(dá)式如下：（4.15）傾斜面上日落時(shí)角hs’的表達(dá)式如下：（4.16）對(duì)于天空散射采用Hay模型。Hay模型認(rèn)為傾斜面上天空散射輻射量是由太陽(yáng)光盤的輻射量和其余天空穹頂均勻分布的散射輻射量?jī)刹糠纸M成，可表達(dá)為：Hdt＝Hd[Rb＋0.5(1－)(1＋cos(s))]（4.17）式中Hb和Hd分別為水平面上直接和散射輻射量。Ho為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量，其計(jì)算公式如下：（4.18）式中Isc為太陽(yáng)常數(shù)，可以取Isc＝1367瓦/米2。對(duì)于地面反射輻射量Hrt，其公式如下：Hrt＝0.5ρH(1－cos(s))（4.19）上式中H為水平面上總輻射量，ρ為地物表面反射率。一般情況下，地面反射輻射量很小，只占Ht的百分之幾。這樣，求傾斜面上太陽(yáng)輻射量的公式可改為：Ht＝HbRb＋Hd[Rb＋0.5(1－)(1＋cos(s))]＋0.5ρH(1－cos(s))（4.20）根據(jù)上面的計(jì)算公式就可以將水平面上的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成斜面上太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，基本的計(jì)算步驟如下：確定所需的傾角s和系統(tǒng)所在地的緯度L。找到按月平均的水平面上的太陽(yáng)能輻射資料H。確定每個(gè)月中有代表性的一天的水平面上日落時(shí)間角hs和傾斜面上的日落時(shí)間角hs’，這兩個(gè)幾何參量只和緯度和日期有關(guān)。確定地球外的水平面上的太陽(yáng)輻射，也就是大氣層外的太陽(yáng)輻射Ho，該參量取決于地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道。計(jì)算傾斜面與水平面上直接輻射量之比Rb。計(jì)算直接太陽(yáng)輻射量Hbt。計(jì)算天空散射輻射量Hdt。確定地物表面反射率ρ，計(jì)算地面反射輻射量Hrt。將直接太陽(yáng)輻射量Hbt、天空散射輻射量Hdt和地面反射輻射量Hrt相加得到太陽(yáng)輻射總量Ht。獨(dú)立光伏系統(tǒng)最佳傾角的確定對(duì)于負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射均勻性對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響很大，對(duì)其進(jìn)行量化處理是很有必要的。為此，可以引入一個(gè)量化參數(shù)，即輻射累積偏差δ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：δ＝（4.21）式中Htβ是傾角為β的斜面上各月平均太陽(yáng)輻射量，tβ是該斜面上年平均太陽(yáng)輻射量，M(i)是第i月的天數(shù)?？梢?jiàn)，δ的大小直接反映了全年輻射的均勻性，δ愈小輻射均勻性愈好。按照負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的要求，理想情況當(dāng)然是選擇某個(gè)傾角使得tβ為最大值、δ為最小值。但實(shí)際情況是，二者所對(duì)應(yīng)的傾角有一定的間隔，因此選擇太陽(yáng)電池組件的傾角時(shí)，只考慮tβ最大值或δ取最小值必然會(huì)有片面性，應(yīng)當(dāng)在二者所對(duì)應(yīng)的傾角之間進(jìn)行優(yōu)選。為此，需要定義一個(gè)新的量來(lái)描述傾斜面上太陽(yáng)輻射的綜合特性，稱其為斜面輻射系數(shù)，以K表示，其數(shù)學(xué)表示式為：（4.22）為水平面上的年平均太陽(yáng)輻射量。由于tβ和δ都與太陽(yáng)電池組件的傾角有關(guān)，所以當(dāng)K取極大值時(shí)，應(yīng)當(dāng)有（4.23）求解上式．即可求得最佳傾角。下表為利用上述方法，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，取步長(zhǎng)為1度，計(jì)算出來(lái)我國(guó)部分城市對(duì)于負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最佳傾角。表4－1 我國(guó)部分主要城市的斜面最佳輻射傾角城市緯度（φ）最佳傾角哈爾濱45.68φ＋3長(zhǎng)春43.90φ＋1沈陽(yáng)41.77φ＋1北京39.80φ＋4天津39.10φ＋5呼和浩特40.78φ＋3太原37.78φ＋5烏魯木齊43.78φ＋12西寧36.75φ＋1蘭州36.05φ＋8銀川38.48φ＋2西安34.30φ＋14上海31.17φ＋3南京32.00φ＋5合肥31.85φ＋9杭州30.23φ＋3南昌28.67φ＋2福州26.08φ＋4濟(jì)南36.68φ＋6鄭州34.72φ＋7武漢30.63φ＋7長(zhǎng)沙28.20φ＋6廣州23.13φ－7?？?0.03φ＋12南寧22.82φ＋5成都30.67φ＋2貴陽(yáng)26.58φ＋8昆明25.02φ－8拉薩29.70φ－8混合光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)混合光伏系統(tǒng)中除了使用太陽(yáng)能外還有多種能量來(lái)源，常見(jiàn)的能源方式有：風(fēng)力，柴油發(fā)電機(jī)，生物質(zhì)能等?；旌瞎夥到y(tǒng)在使用光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上還要綜合利用這些能源給負(fù)載供電。常見(jiàn)的兩種混合光伏系統(tǒng)是風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)和光伏油機(jī)混合系統(tǒng)。我們首先討論風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)。在很多地區(qū)太陽(yáng)能和風(fēng)能具有一定的互補(bǔ)性，例如青藏高原每年的4-9月太陽(yáng)能輻射值最高，而風(fēng)力資源最豐富的月份在當(dāng)年的10月到次年的4月，為太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。而且由于風(fēng)光互補(bǔ)的特性使得對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)中必須考慮連續(xù)陰雨天或者獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中必須考慮連續(xù)的無(wú)風(fēng)天數(shù)而造成的蓄電池組余量偏大的問(wèn)題得到緩解。

在進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候首先需要考慮風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)：風(fēng)力發(fā)電對(duì)風(fēng)的速度十分敏感，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)輻射的敏感程度。從理論上講，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出和風(fēng)速的3次方成正比。這樣就給風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的影響，如果估計(jì)的風(fēng)速大于實(shí)際的風(fēng)速，那么系統(tǒng)的輸出就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于

負(fù)載的實(shí)際需求，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)必須十分準(zhǔn)確。另一方面，如果該地區(qū)的風(fēng)速很高，那么使用風(fēng)力發(fā)電的成本就很低了，一般而言，如果平均風(fēng)速大于4m/s，那么風(fēng)力發(fā)電的成本就會(huì)低于在光照條件很好地區(qū)的光伏系統(tǒng)了。但是因?yàn)轱L(fēng)速變化很大，年度，季度以及在一天中的變化都很大，所以最好還是使用風(fēng)/光互補(bǔ)系統(tǒng)，減小風(fēng)能對(duì)速度的敏感從而對(duì)系統(tǒng)供電的影響。風(fēng)力發(fā)電對(duì)風(fēng)機(jī)的安裝位置很敏感。即使是在同一個(gè)地區(qū)，有著相同的氣象條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)坐落的位置不同，也會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電的很大區(qū)別，例如山丘和樹林都會(huì)對(duì)風(fēng)力放電機(jī)坐落地點(diǎn)的風(fēng)速產(chǎn)生很大影響，從而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出。風(fēng)力發(fā)電對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的安裝高度很敏感。因?yàn)轱L(fēng)速隨著高度的變化會(huì)變化，在同一個(gè)安裝地點(diǎn)，葉片5米高的風(fēng)機(jī)的發(fā)電量和20米高的風(fēng)機(jī)的發(fā)電量是不同的?？紤]到上述因素的影響，建議在安裝風(fēng)力發(fā)電站的地點(diǎn)進(jìn)行一年時(shí)間的實(shí)地測(cè)量，以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題就是尋求太陽(yáng)能光電和風(fēng)力混合系統(tǒng)在各自規(guī)模上的最佳匹配，求得既能滿足功能需求成本又最低的最佳風(fēng)機(jī)容量、最佳太陽(yáng)電池組件大小和蓄電池容量。其基本的設(shè)計(jì)思路為：了解實(shí)際情況，計(jì)算出系統(tǒng)負(fù)載的逐月日平均需求，作出日平均用電量曲線。計(jì)算出各種規(guī)格的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)電池組件在全年各月的日均發(fā)電量，作出他們?nèi)旮髟碌娜站l(fā)電量曲線。將風(fēng)力和光電兩種發(fā)電方式不同規(guī)格發(fā)電裝置的發(fā)電量曲線進(jìn)行多種擬合。看哪些互補(bǔ)組合的擬合曲線和日平均用電量曲線接近。對(duì)接近的擬合曲線進(jìn)行成本估算，選擇成本最低的那條曲線作為設(shè)計(jì)結(jié)果。下面考慮光伏油機(jī)混合系統(tǒng)。對(duì)于沒(méi)有足夠風(fēng)力資源的地方且負(fù)荷較大的光伏供電系統(tǒng)，如果考慮到要在暴風(fēng)雨天氣或者較長(zhǎng)的壞天氣后蓄電池不至于過(guò)放電，或者能夠很快地恢復(fù)蓄電池的SOC，我們可以采用兩種方法，一種方法是采用很大的光伏系統(tǒng)，即很大的太陽(yáng)電池組件和很大的蓄電池容量；另外一種方法就是考慮使用混合系統(tǒng)，給該系統(tǒng)添加一個(gè)備用能源（通常是柴油機(jī)，或者汽油機(jī)），在冬天或者在較長(zhǎng)的壞天氣里每隔幾天就將蓄電池充滿，在夏天備用電源可能根本就不會(huì)使用。到底是采用較大的光伏系統(tǒng)還是采用光伏油機(jī)混合系統(tǒng)，其關(guān)鍵的決定因素就是系統(tǒng)成本。光伏油機(jī)混合系統(tǒng)有更大的彈性，適合不同的系統(tǒng)需求，有很多種不同的方法設(shè)計(jì)混合系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須在初始設(shè)計(jì)階段作出正確的選擇。在整個(gè)設(shè)計(jì)

過(guò)程中必須時(shí)刻牢記整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程?；旌舷到y(tǒng)不同部分之間的交互作用很多，設(shè)計(jì)者必須保證滿足所有的重疊要求。不管按照什么方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先必須使光伏油機(jī)混合系統(tǒng)的功能恰好滿足負(fù)載需求，然后綜合考慮各種因素，平衡好各方面因素對(duì)系統(tǒng)的影響。下面介紹光伏油機(jī)混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：負(fù)載工作情況。與獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，混合系統(tǒng)中總載荷的確定也同樣重要。對(duì)于交流負(fù)載，還需要知道頻率、相數(shù)和功率因子。需要了解的不僅僅是負(fù)載的功率大小，負(fù)載每小時(shí)的工作情況都是很重要的。系統(tǒng)必須滿足任何可能出現(xiàn)的峰值情況，采用確定的控制策略滿足負(fù)載工作的需求。系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)。選擇交流還是直流的總線取決于負(fù)載和整個(gè)系統(tǒng)工作的需要。如果，所有的負(fù)載都是直流負(fù)載，那么就使用直流總線。如果負(fù)載大部分都是交流負(fù)載，那么就最好使用交流總線結(jié)構(gòu)。如果發(fā)電機(jī)要供給一部分的交流負(fù)載需求，那么選擇交流總線結(jié)構(gòu)就比較有利?？偟膩?lái)說(shuō)，采用交流總線需要更加復(fù)雜的控制，系統(tǒng)的操作也較為復(fù)雜。但是更加的有效率，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電直接供給負(fù)載的需要，不像在直流總線結(jié)構(gòu)下，發(fā)電機(jī)輸出的電流需要經(jīng)過(guò)整流器將交流轉(zhuǎn)化為直流，然后又經(jīng)過(guò)逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流滿足交流負(fù)載的需要而產(chǎn)生很大的能量損失。進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候必須仔細(xì)的進(jìn)行這些比較，確定最佳的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)。蓄電池總線電壓。在混合系統(tǒng)中，蓄電池的總線電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)的成本和效率產(chǎn)生很大的影響。通常，蓄電池的總線電壓應(yīng)該在設(shè)備允許電壓和當(dāng)?shù)氐陌踩ㄒ?guī)規(guī)定的電壓下盡量取高的值。因?yàn)檩^高的電壓就會(huì)降低工作電流，從而降低損失，提高系統(tǒng)效率（因?yàn)楣β实膿p失與電流的平方成正比）。而且因?yàn)殡娎|、保險(xiǎn)、斷路器和其他的一些設(shè)備的成本都和電流的大小有關(guān)，所以較高的電壓能夠降低這些設(shè)備的成本。對(duì)于直流總線系統(tǒng)，通常負(fù)載的直流工作電壓決定了總線的電壓。如果有多種負(fù)載，最大的負(fù)載電壓為總線電壓，這樣可以減少DC/DC濾波器的容量。對(duì)于有交流負(fù)載的系統(tǒng)，蓄電池電壓由逆變器的輸入電壓決定。通常，除了最小的系統(tǒng)以外，其他的應(yīng)該使用最小為48V的電壓。較大的系統(tǒng)應(yīng)該使用120V或者240V。目前商用的最大的光伏/柴油機(jī)混合系統(tǒng)為480V系統(tǒng)。蓄電池容量。獨(dú)立光伏系統(tǒng)經(jīng)常提供5-7天或更多的自給天數(shù)。對(duì)于混合系統(tǒng)，

因?yàn)橛袀溆媚茉?，蓄電池通常?huì)比較小，自給天數(shù)為2-3天。當(dāng)蓄電池的電量下降時(shí)，系統(tǒng)可以啟動(dòng)備用能源如柴油發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。在獨(dú)立系統(tǒng)中，蓄電池是作為能量的儲(chǔ)備，該能量?jī)?chǔ)備必須充分以隨時(shí)滿足天氣情況不好時(shí)的能量需求。在混合系統(tǒng)中，蓄電池的作用稍稍有所不同。它的作用是使得系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)控制每種能源的利用。通過(guò)蓄電池的儲(chǔ)能，系統(tǒng)在充分利用太陽(yáng)能的同時(shí)，還可以控制發(fā)電機(jī)在最適宜的情況下工作。好的混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須在經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面把握好平衡。發(fā)電機(jī)和蓄電池充電設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)和蓄電池的充電控制應(yīng)該進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诨旌舷到y(tǒng)中這兩個(gè)部分聯(lián)系緊密。首先，蓄電池的容量決定了蓄電池的充電器大小。充電器不能用過(guò)大的電流給蓄電池充電，通常最大充電率為C/5。發(fā)電機(jī)的功率必須能夠滿足蓄電池充電的需要。較小的蓄電池會(huì)降低系統(tǒng)的初始成本，但會(huì)導(dǎo)致更為頻繁的柴油機(jī)工作和啟動(dòng)，從而增加燃油消耗和柴油機(jī)維護(hù)成本。在計(jì)算發(fā)電機(jī)大小的時(shí)候還要考慮負(fù)載的能量需求和功率因數(shù)。如果系統(tǒng)使用的是交流總線，那么還要考慮直接接到發(fā)電機(jī)的交流負(fù)載。使用較大的發(fā)電機(jī)，會(huì)減少發(fā)電機(jī)工作的時(shí)間，但是并不一定會(huì)降低太陽(yáng)電池組件發(fā)電量占系統(tǒng)總發(fā)電量的百分比。減少發(fā)電機(jī)的工作時(shí)間就可以降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，并且提高系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。所以使用較大功率的發(fā)電機(jī)會(huì)有很多優(yōu)點(diǎn)。理論上，可以選擇發(fā)電機(jī)的功率為系統(tǒng)負(fù)載的75-90%。這樣就可以有比較低的系統(tǒng)維護(hù)成本和較高的系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性。在選擇發(fā)電機(jī)的時(shí)候還需注意到發(fā)電機(jī)的額定功率是在特定的溫度、海拔和濕度條件下測(cè)定的。如果發(fā)電機(jī)在不同的條件下工作，那么發(fā)電機(jī)的輸出就會(huì)降低。相關(guān)資料可以從柴油機(jī)制造商處獲取。一般情況下，發(fā)電機(jī)的輸出功率隨著海拔的升高而降低，通常每升高三百米降低3.5%。溫度（相對(duì)額定溫度，一般為30℃）每升高一度，則輸出降低0.36%;而濕度可能導(dǎo)致的功率下降最高為6％。燃油發(fā)電機(jī)發(fā)電與太陽(yáng)電池組件能量貢獻(xiàn)的分配。在光伏-燃油發(fā)電機(jī)混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，燃油發(fā)電機(jī)發(fā)電與太陽(yáng)電池組件能量貢獻(xiàn)的分配非常關(guān)鍵，它決定了太陽(yáng)電池組件的大小和燃油發(fā)電機(jī)年度的能量貢獻(xiàn)，直接影響到系統(tǒng)成本和系統(tǒng)工作情況。發(fā)電機(jī)提供的能量越大則所需的太陽(yáng)電池組件就越小，這樣可以降低系統(tǒng)的初始成本，但燃油發(fā)電機(jī)的工作時(shí)間會(huì)增加從而導(dǎo)致系統(tǒng)的維護(hù)成本和燃油消

耗提高，它是整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)容量設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。決定該分配需要綜合考慮系統(tǒng)所在地氣象因素、系統(tǒng)成本、系統(tǒng)維護(hù)等各項(xiàng)因素?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的估計(jì)，如果想得到精確的估計(jì)，就需要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行過(guò)程模擬。通常認(rèn)為太陽(yáng)電池組件的能量貢獻(xiàn)應(yīng)該在總負(fù)載需求的25%到75%之間，系統(tǒng)的初始成本和維護(hù)成本就會(huì)比較低。但是對(duì)于不同的實(shí)際情況，就需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率和能量損失做仔細(xì)的考慮，對(duì)貢獻(xiàn)比例加以修正。在確定了燃油發(fā)電機(jī)發(fā)電與太陽(yáng)電池組件能量貢獻(xiàn)的分配之后，就可以根據(jù)負(fù)載每年的耗電量，計(jì)算出太陽(yáng)電池組件的年度供電量和燃油發(fā)電機(jī)的年度供電量，由太陽(yáng)電池組件的年度供電量就可以計(jì)算出需要的太陽(yáng)電池組件容量，由發(fā)電機(jī)的年度供電量可以計(jì)算出每年的工作時(shí)間，從而估算燃油發(fā)電機(jī)的維護(hù)成本和燃油消耗。光伏系統(tǒng)傾角的設(shè)計(jì)。對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，為了降低蓄電池用量和系統(tǒng)成本，需要在冬季獲得最大的太陽(yáng)能輻照。這樣就需要將太陽(yáng)電池組件的傾角設(shè)置成比當(dāng)?shù)鼐暥却?0-20度。但是在混合系統(tǒng)中，因?yàn)閭溆糜蜋C(jī)可以給蓄電池充電，所以可以不再考慮季節(jié)因素對(duì)太陽(yáng)電池組件的影響。太陽(yáng)電池組件的設(shè)計(jì)只需要考慮使得太陽(yáng)電池組件在全年中輸出最大即可，可以更為有效的利用太陽(yáng)能?？梢詫⑻?yáng)電池組件的傾角設(shè)置為當(dāng)?shù)氐木暥纫缘玫阶畲蟮奶?yáng)輻射。但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意一點(diǎn)，因?yàn)樵诨旌舷到y(tǒng)中使用的蓄電池的容量比較小，在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的夏季對(duì)于那些光伏能量貢獻(xiàn)占比較大比例的光伏系統(tǒng)就有可能無(wú)法完全儲(chǔ)存太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的能量，會(huì)造成一定的能量浪費(fèi)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的能源利用效率降低，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。所以實(shí)際上，可以在太陽(yáng)輻射最好的月份應(yīng)該將太陽(yáng)能的貢獻(xiàn)比例控制在90％左右。在某些情況下，可能在特定的季節(jié)對(duì)能量貢獻(xiàn)有指定的要求，這就需要對(duì)太陽(yáng)電池組件進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例說(shuō)明混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：偏遠(yuǎn)地區(qū)的一個(gè)通信基站，用戶對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的使用沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)。負(fù)載為直流30A的連續(xù)負(fù)載，電壓為48V。還有一個(gè)600W/220V的交流負(fù)載，不定時(shí)使用。安裝地點(diǎn)的海拔為1500m，夏季的平均溫度為30攝氏度。氣候很干燥，所以不必考慮濕度對(duì)發(fā)電機(jī)的影響，平均太陽(yáng)能輻射為5.5kWh/m2/day。負(fù)載情況，負(fù)載的年度耗電量為，30A×48V=1440W1440W×24h＝34.56kWh/day=12,614kWh/year總線結(jié)構(gòu)。因?yàn)榻涣髫?fù)載的工作時(shí)間很短，所以可以單獨(dú)使用一套控制系統(tǒng)直接將交流負(fù)載接在柴油發(fā)電機(jī)上，也就是可以將交流負(fù)載和直流分開供電；又因?yàn)橹绷髫?fù)載是連續(xù)負(fù)載，所以系統(tǒng)采用直流總線結(jié)構(gòu)較好?？偩€電壓。因?yàn)橹绷髫?fù)載的電壓為48V，所以選擇直流總線電壓為48V。蓄電池。因?yàn)槭腔旌舷到y(tǒng)，所以選擇自給天數(shù)為3天，選擇深循環(huán)蓄電池，DOD為0.8。34.6KWhX3/0.8=129.75kWh129.75kWh/48V=2,703Ah可以選擇3000Ah的蓄電池，作為自給3天的蓄電池容量。蓄電池的最大的充電率為C/5，所以最大充電電流為：3000/5=600Amps.蓄電池充電器和發(fā)電機(jī)可以選擇400A的三相整流器，輸入功率為24KW。雖然電流比最大允許充電率要低一點(diǎn)，但是實(shí)際上仍然可以滿足適當(dāng)?shù)男铍姵爻潆娐市枰Ｏ旅鎭?lái)確定發(fā)電機(jī)的功率。首先，我們計(jì)算滿足75-90%負(fù)載需要的發(fā)電機(jī)功率。24/0.75=32kW 24/0.90=26.7kW所以發(fā)電機(jī)功率范圍：26.7KW～32KW考慮海拔和溫度的影響：溫度 -0.36%/°Cx(30-25)=-1.8%海拔 -3.5%/300x(1500-900)=-7.0%總計(jì) 1.8+7.0=8.8%額定功率的下降導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率：26.7/(1-0.088)=26.7/0.912=29.3kW

所以選擇30KW的三相柴油發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)能量貢獻(xiàn)。用戶已經(jīng)表明不希望發(fā)電機(jī)的工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，我們可以選擇200小時(shí)作為發(fā)電機(jī)一年中工作的最長(zhǎng)時(shí)間（通常一年維修一次）。整流器的輸出為400Ax48V=19.2kW。假設(shè)系統(tǒng)的額外損失為百分之十，蓄電池的總效率為百分之八十。我們就可以計(jì)算出整流器發(fā)電機(jī)組合的能量輸出：200x19.2x0.90x0.80=2,764kWh/year太陽(yáng)電池組件太陽(yáng)電池組件將提供余下的能量=12,629-2,764=9,865kWh/year。年平均輻射為5