浅析独立光伏系统的设计优化

【摘 要】太阳能发电是指太阳能光伏发电，光伏发电是利用半导光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种发电技术。太阳光能是一种非常理想的干净、安全且随处可得的清洁能源，因此各国均不断地研发各种相关技术，藉以提高系统发电效率并降低发电成本，推广普及使用太阳能。

【关键词】太阳能；光伏发电；设计；优化

近年来太阳能（光伏）发电技术得到了迅速的发展，虽然在欧美市场受挫，随后我国政府紧锣密鼓的出台了一系列对光伏产业扶持的政策，扩大国内市场，同时硅类太阳能电池组件产品价格下降，我国各种光伏系统及应用产品不断涌现，出现了前所未有的可喜局面。然而稍加分析便可看出，很多产品都没有经过仔细的最佳化设计，有的系统和产品是照猫画虎，以讹传讹；有的则根本不符合光伏发电的基本规律和工作特点，以致不能保证长期稳定可靠地运行，或者配置容量过大，造成大量浪费，影响了光伏电源的推广应用。

一、独立光伏系统（光伏离网发电系统）使用

太阳能光伏组件组成太阳电池方阵，在阳光充足情况下，一方面给负载供电（直流负载，若交流负载需要逆变器），另一方面给蓄电池组充电，晚上依靠蓄电池组放电供负载使用。通过加入太阳能控制器对蓄电池的工作状态加以控制。在方阵工作时，阻塞二极管防止向电池方阵反充电，止逆二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0.6?0.8V；肖特基或锗管0.3V左右。（一般选择压降小的）。光伏发电系统的规模依用户要求而异，按负载增加配置。

二、太阳能光伏发电系统的容量设计

主要介绍太阳能光伏发电系统的整体配置与设计，即各种电力电子设备、部件的配置选型和相关附属设施的设计。

1.光伏发电系统的设计方案

光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则。做到既能保证光伏系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的太阳能电池组件功率，协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要保证质量的前提下节省投资，达到最好的经济效益。

2.与设计相关的因素和技术条件

（1）负载性质

独立光伏系统是指没有任何辅助电源，光伏发电是唯一电力来源的电源系统。

实际负载的大小及使用情况等可能千变万化，从全天使用时间上来区分，大致可分为白天、晚上和白天连晚上三种负载。对于仅在白天使用的负载，多数可以由光伏系统直接供电，减少了由于蓄电池充放电等引起的损耗，所配备的光伏系统容量可以适当减小。全部晚上使用的负载其光伏系统所配备的容量就要相应增加。白天连晚上的负载所需要的容量则在两者之间。此外，从全年使用时间上来区分，大致又可分为均衡性负载、季节性负载和随机性负载。为了简化，对于月平均耗电量变化不超过10%的负载也可以当作平均耗电量都相同的均衡性负载。

（2）当地太阳能辐射资源及气象地理条件

太阳照在地面太阳电池方阵上的辐射光的光谱，光强受到大气质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响，因此在设计太阳能光伏发电系统时，应考虑太阳辐射的方位角和倾斜角、峰值日照数、连续阴雨天数及最低气温、冰雹等。

（3）太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角

最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小，一般取当地纬度或当地纬度加几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。当然如果能够采用计算机辅助设计软件优化设计。根据当地纬度初略确定太阳能电池的倾斜角：

目前使用比较普遍的方法为纬度为0°～25°时，倾斜角等于纬度；纬度为26°～40°时，倾斜角等于纬度加上5°～10°；纬度为41°～55°时，倾斜角等于纬度加上10°～15°；纬度为55°以上时，倾斜角等于纬度加上15°～20°。

实际上，即使纬度相同的两个地方，其太阳辐照量的大小及组成往往相差很大，如拉萨和重庆的纬度基本相同（仅差0.18°），而水平面上的太阳辐照量却要相差一倍以上，显然加上相同的度数作为方阵倾角是不妥当的。本文建议借助相关计算机软件进行计算，精确度更高。

（4）温度影响

众所周知，在太阳电池温度升高时，其开路电压要下降，输出功率会减少。所以，有些设计方法在最后确定方阵容量时，考虑太阳电池温度系数的影响，从而增大容量。然而，这种把方阵当作全年都处在最高温度下工作，显然是个保守的方法。实际上，现在常用的36片太阳电池串联为12V蓄电池充电的标准组件，已经考虑了夏天温度升高的影响。而且，通常夏天太阳辐射强度较大，方阵发电量常有盈余，完全可以弥补由于温度升高所减少的电能，因此在计算太阳电池容量时可以不必考虑温度的影响。在特殊情况下，只要增加系统的安全系数即可。不过在温度较低时，蓄电池输出容量要受到影响，在冬天工作温度低于0℃时，应适当加以考虑。

3.太阳能电池组件及方阵的设计方法

太阳能电池组件的设计原则是要满足平均天气条件（太阳辐射量）下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。

（1）根据各种数据直接计算出太阳能电池组件或方阵的功率，根据计算结果选配或定制相应功率的电池组件，进而得到电池组件的外形尺寸和安装尺寸；另一种方法是选定尺寸符合要求的电池组件，根据该组件峰值功率、峰值工作电流和日发电量等数据，结合各种数据进行设计计算，在计算中确定电池组件的串、并联数及总功率。

（2）基本计算方法：

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）

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）

电池组件（方阵）总功率（W）=组建并联数×组件串联数×选定组件峰值输出功率（W）

设计时要考虑造成组件功率衰降的各种因素按10%的损耗，交流逆变器转换效率的损失也按10%计算。

蓄电池充电损耗5%～10%。

（3）实用计算公式：

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）×逆变器效率系数。

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）

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）。

4.蓄电池和蓄电池组的设计方法

蓄电池的任务是在太阳能辐射不足时，保证系统负载的正常用电。蓄电池的设计主要包括蓄电池容量和串、并联组合设计。

（1）蓄电池容量=负债日平均用电量（Ah）×连续阴雨天数/最大放电深度。

平均放电率（h）=连续阴雨天数×负载工作时间/最大放电深度。

负载工作时间=∑负载功率×负载工作时间/∑负载功率。

（2）实用蓄电池容量计算公式：

蓄电池容量=负载日平均用电量（Ah）×连续阴雨天数×放电率修正系数/最大放电深度×低温修正系数。

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。

三、总结

独立光伏系统必须进行最优化设计，综合考虑其可靠性和经济性指标，最终确定最佳的太阳电池方阵和蓄电池容量组合。计算倾斜面上月平均太阳辐照量，可采用Klien和Theilacker提出的计算方法。方阵的最佳倾角按照负载的性质、当地的气象及地理条件以及满足蓄电池维持天数等条件的不同而改变，可以通过比较不同角度时满足负载要求的最小容量配置来确定。通常对于不同的蓄电池维持天数，其方阵的最佳倾角不一定相同。一般情况下，温度对于光伏方阵工作的影响可以不必考虑。

参考文献：

[1]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出出版社，2005.

[2]张鹏飞.光伏发电自动跟踪系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009.

[3]Wenham S R，Green M A，Watt M E，Applied Photovoltaics[M].Australia.University of NSW.

[4]Zhang Pengfei automatic tracking system for PV power generation design[D].Harbin：Harbin University of Science and Technology，2009.