独立光伏发电系统设计说明.docx

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独立光伏发电系统设计说明

独立光伏发电系统设计

独立光伏发电系统设计

摘要

太阳能光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术，发展太阳能光伏发电系统也具有很高的可行性，首先能缓解我国目前的能源问题以及日益严重的环境问题，还能解决边远地区居民用电难，成本高的问题。

本论文将从小型独立系统的发电原理，系统设计原理，及其本身具有的优势结合其受众群体的所需考虑的各方面因素来设计适合家庭使用的小型系统。

通过理论与实际市场调查相结合的方法设计适合全国各地人民使用的优惠且实用的系统。

关键词：

小型；独立光伏发电；系统；优惠实用

1引言

当下，许多国家已把发展可再生能源作为未来实现可持续发展的重要方式，而中国也将以太阳能为代表的可再生能源作为未来低碳经济的重要组成部分。

近年来，国家财政对太阳能产业的补贴力度逐年增强。

独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载（交流负载或直流负载）的发电系统。

其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。

2独立光伏发电系统工作原理

通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统。

其主要结构由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电池（组）、光伏控制器、逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。

太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。

直流或交流负载通过开关与控制器连接。

控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载，当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。

有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。

在交流光伏发电系统中，DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。

图1独立型太阳能光伏发电系统工作原理

3独立光伏发电系统的设计

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和蓄电池的容量。

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。

3.1系统容量的设计

通过数值分析法，可以解析太阳能电池方阵容量及蓄电池组容量之间存在的相互关系，然后在特定的供电可靠性要求下，根据成本最低化的原则，确定二者各自的容量。

在本系统设计中，负载的总耗电量为4000w·h/d，选择的逆变器效率为90%，连续阴雨天数为4天，蓄电池的放电深度为70%,系统电压为48V。

蓄电池容量===530AH

通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。

随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的90%.而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%.所以必须考虑蓄电池的环镜温度对其容量的影响。

南京地区全年最低气温大约为-4～-6℃，所以在此温度下，蓄电池的容量会下降10%左右。

蓄电池实际容量===590AH

图2铅酸蓄电池最大放电深度-温度曲线

确定蓄电池的串并联方式

每个蓄电池都有它的标称电压。

为了达到负载工作的标称电压，将蓄电池串连起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。

这里选用24v/200AH的胶体蓄电池。

串联蓄电池数===2所以蓄电池串联数为2

并联蓄电池数===2.95≈3

综上所述：

使用江苏恒华公司生产的24V/200AH型胶体蓄电池，蓄电池串联数2，并联3块，连接方式如图3所示。

图3蓄电池连接示意图

3.2太阳能电池组件及方阵的设计

3.2.1光伏组件方阵设计需要考虑的问题

设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。

蓄电池长时间处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。

在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度增加。

太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。

由于光照最差季节的光照度大大低于平均值，这样设计的太阳电池组件在一年中的其他时候会远远超过实际需要，而且成本高昂。

3.2.2太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角

由于太阳能光伏发电的发电量与太阳光的辐射强度、大气质量、地理位置等因素有直接的关系和影响，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、峰值日照时数等。

太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角的选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。

所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。

对于太阳能光伏系统来说，方位角以正南为00，由南向东向北为负角度，由南向西向北为正角度。

方位角决定了阳光的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。

倾斜角是地平面与太阳能电池组件之间的夹角。

倾斜角为00时表示太阳能电池组件为水平设置，倾斜角为900时表示太阳能电池组件为垂直设置。

太阳能电池方位角的选择

在我国，太阳能电池的方位角一般选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。

太阳能电池倾斜角的选址

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的倾斜角。

一般取当地纬度或加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。

以下为根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角：

3.2.3一般设计方法

太阳电池组件设计的基本要求就是满足年平均日负载的用电需求。

计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。

基本公式：

串联电池组件数=

系数1.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。

并联电池组件数=

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）。

上面的公式是理论计算，实际应用时还需要考虑其他因素，由于系统需要在连续阴雨天数中工作，综合考虑其它因素后得到的计算公式为：

串联电池组件数=

并联电池组件数=

补充的蓄电池容量（Ah）=安全系数×负载日平均耗电量（Ah）×最大连续阴雨天数

（式中安全系数根据情况在1.1～1.4之间选取。

）

负载日平均耗电量=

组件平均日发电量（Ah）=选定组件峰值工作电流（A）×峰值日照时数（h）×倾斜面修正系数×组件衰降损耗修正系数

（式中，峰值日照时数和倾斜面修正系数都是指光伏发电系统安装地的实际数据，组件衰降损耗修正系数主要指因组件组合、组件功率衰减、组件灰尘遮盖、充电效率等的损失，一般取0.8。

）太阳能电池方阵功率=选定电池组件的峰值输出功率×电池组件的串联数×电池组件的并联数。

3.3直流接线箱的选型

直流接线箱也叫直流配电箱，小型太阳能光伏发电系统一般不用直流接线箱，直流接线箱主要用于中、大型太阳能光伏发电系统中，用于把太阳能电池组件方阵的多路输出电缆集中输入、分组连接，不仅使连线井然有序，而且便于分组检查、维护，当太阳能电池方阵局部发生故障时，可以局部分离检修，不影响整体发电系统的连续工作。

图4所示是直流接线箱的电路图（单路）。

图4直流接线箱电路示意图（单路）

本设计选用上海新驰电气有限公司生产的汇流箱，其具体参数如下表1所示：

表1汇流箱参数

电气参数

光伏阵列电压范围

200～100VDC

光伏阵列输入列数

≤24

每路输入最大电流

20A

环境温度

-40～+85℃

环境湿度

0～99%

通信接口

RS485

防护等级

IP54、IP65

外形尺寸

宽*高*深

630*450*180

重量

15kg

本汇流箱带有防雷功能，因此防雷系统不需要另行设计。

图5汇流箱实物图

3.4光伏控制器的选型

光伏控制器要根据系统功率、系统直流工作电压、电池方阵输入路数、蓄电池组数、负载状况及用户的特殊要求等确定光伏控制器的类型。

一般小功率光伏发电系统采用单路脉冲宽度调制型控制器，大功率光伏发电系统采用多路输入型控制器或带有通信功能和远程监测控制功能的智能控制器。

控制器选择时要特别注意其最大工作电流必须同时大于太阳能电池组件或方阵的短路电流和负载的最大工作电流。

根据上面的设计中，组件需要并联40组，所以系统的短路电流为

Ioc=5.52×40=220A

选择合肥赛光电源科技有限公司生产的SSCP-48-220A型号的控制器。

表2所选控制器参数

型号

SSCP-48-220A

光伏组件总额定功率

9.6kw

额定充电电流

200A

蓄电池组额定电压

48V

最大充电电流

≤225A

蓄电池过充电压点

57.6V

蓄电池过充电压恢复点

52.0V

蓄电池过放电压点

42.0V

蓄电池过放电压恢复点

50.0V

静态损耗电流

≤100mA

使用环境温度

-20℃～+50℃

使用海拔

≤2000m

防护等级

IP20

设备外形尺寸

355×380×150

设备净重

8.0KG

图6控制器外壳

3.6光伏逆变器的选型

光伏逆变器选型时一般是跟据光伏发电系统设计确定的直流电压来选择逆变器的直流输入电压，根据负载的类型确定逆变器的功率和相数，根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。

逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率，负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。

在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。

在独立光伏发电系统中，系统电压的选择应根据负载的要求而定。

选用湖北雷特斯科技有限公司生产的TLS-4KVA型逆变器，其技术参数如下：

表3所选逆变器参数

型号

TLS-4KVA

额定功率

4000W

电池电压

48V

最大放电电流

20A

输出电流

18A

充电电流

按电池容量的10%计

瞬时最大功率

150%技术指标，10秒

输出电压

220VAC±3%

输出频率

50Hz±0.05Hz

空载电源

≤0.8ADC

波形失真率（THD）

≤5%（线性负载）

逆变效率

≥90%

工作环境温度

-10℃～60℃

工作环境海拔

《1000米

图7逆变器

结论

综上所述，在进行系统设计时，首先应该考虑用户的负载需求量和当地的天气条件等不可变因素，然后选择合适的计算公式计算出系统中各参量值，并且在整个市场中根据最经济和安全的原则广泛地对各类器件选型，从而得出最经济实用的设计。

光伏系统的设计需本着合理性、实用性、高可靠性、和高性价比的原则。

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和蓄电池的容量。

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。