太陽(yáng)能獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括兩方面:硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能光伏系統(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。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。(1)針對(duì)不同類型的太陽(yáng)能光伏系統(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。(2)在進(jìn)行太陽(yáng)能光伏系統(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):太陽(yáng)能光伏系統(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)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括光伏系統(tǒng)方陣設(shè)計(jì)、光伏系統(tǒng)蓄電池設(shè)計(jì)、計(jì)算斜面上的太陽(yáng)輻射并選擇最佳傾角這三個(gè)方面,下面就這些內(nèi)容分別加以說明。1.獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)方陣設(shè)計(jì)(1)基本公式。太陽(yáng)能電池組件設(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)能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)能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)能電池組件數(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)能電池組件的標(biāo)稱電壓,就可以得到太陽(yáng)能電池組件需要串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件數(shù),使用這些太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓。基本計(jì)算公式如下：并聯(lián)組件數(shù)量=日平均負(fù)載(Ah)/組件日輸出(Ah)

(2-1)串聯(lián)組件數(shù)量=系統(tǒng)電壓(V)/組件電壓(V)

(2-2)(2)光伏組件方陣設(shè)計(jì)的修正。太陽(yáng)能電池組件的輸出,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)能電池組件,在實(shí)際情況下通常不能滿足太陽(yáng)能光伏系統(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。在實(shí)際情況工作下,太陽(yáng)能電池組件的輸出會(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)能電池組件的輸出。通常的做法就是算的時(shí)候減少太陽(yáng)能電池組件的輸出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太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需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。在蓄電池的充放電過程中,鉛酸蓄電池會(huì)電解水,產(chǎn)生氣體逸出,這也就是說太陽(yáng)能電池組件產(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)能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)能電池組件設(shè)計(jì)計(jì)算?？紤]到上述因素,必須修正簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能電池組件設(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)能電池組件需要負(fù)擔(dān)的真正負(fù)載;將衰減因子乘以太陽(yáng)能電池組件的日輸出,這樣就考慮了環(huán)境因素和組件自身衰減造成的太陽(yáng)能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)能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)組件數(shù)量=日平均負(fù)載(Ah)/庫(kù)侖效率×[組件日輸出(Ah)×衰減因子]

(2-3)串聯(lián)組件數(shù)量=系統(tǒng)電壓(V)/組件電壓(V)

(2-4)利用上述公式進(jìn)行太陽(yáng)能電池組件的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)還要注意以下一些問題:1)考慮季節(jié)變化對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(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)能電池組件的設(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)能電池組件數(shù)目就為所求的結(jié)果。通常在夏季、春季和秋季,太陽(yáng)能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)能電池組件數(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)能電池組件。其中的最大值就是一年中所需要的太陽(yáng)能電池組件數(shù)目。例如,可能你計(jì)算出你在冬季需要的太陽(yáng)能電池組件數(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)能電池組件即10塊組件來(lái)滿足全年的負(fù)載的需要。2)根據(jù)太陽(yáng)能電池組件電池片的串聯(lián)數(shù)量選擇合適的太陽(yáng)能電池組件。太陽(yáng)能電池組件的日輸出與太陽(yáng)能電池組件中電池片的串聯(lián)數(shù)量有關(guān)。太陽(yáng)能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)能電池組件的電壓會(huì)隨著溫度的升高而降低。根據(jù)這一物理現(xiàn)象,太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)商根據(jù)太陽(yáng)能電池組件工作的不同氣候條件,設(shè)計(jì)了不同的組件:36片串聯(lián)組件與33片串聯(lián)組件。36片串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件主要適用于高溫環(huán)境,36片太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)設(shè)計(jì)使得太陽(yáng)能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±2℃,用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池測(cè)量的光源輻照度為1000W/m2并具有AM1.5標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)光譜輻照度分布)下太陽(yáng)能電池組件的Vmp為17V,大大高于充電所需的12V電壓。當(dāng)這些太陽(yáng)能電池組件在高溫下工作時(shí),由于高溫太陽(yáng)能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給各種類型的蓄電池充電。采用36片串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件最好是應(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)能電池組件的潛力。33片串聯(lián)的太陽(yáng)能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±2℃,用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池測(cè)量的光源輻照度為1000W/m2并具有AM1.5標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)光譜輻照度分布)下太陽(yáng)能電池組件的Vmp為16V,稍高于充電所需的12V電壓。當(dāng)這些太陽(yáng)能電池組件在40~45℃下工作時(shí),由于高溫導(dǎo)致太陽(yáng)能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)能電池組件電壓就會(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)能電池組件沒有害處,但是產(chǎn)生的電流就不夠理想,所以33片串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件最好在溫和氣候條件下使用。

2.使用峰值小時(shí)數(shù)的方法估算太陽(yáng)能電池組件的輸出因?yàn)樘?yáng)能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)能電池組件的環(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)能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)能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)能電池組件的日輸出。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)能電池組件的峰值輸出就可以估算出太陽(yáng)能電池組件每天輸出的安時(shí)數(shù)。太陽(yáng)能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5.0h×1000W/m2,而1000W/m2正好也就是用來(lái)標(biāo)定太陽(yáng)能電池組件功率的標(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)能電池組件在標(biāo)準(zhǔn)輻射下照射5.0h。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)能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)能電池組件每天產(chǎn)生的安時(shí)數(shù),可以使用峰值小時(shí)乘以太陽(yáng)能電池組件的Imp。例如,假設(shè)在某個(gè)地區(qū)傾角為30°的斜面上按月平均每天的輻射量為5.0kWh/m2,可以將其寫成5.0h×1000W/m2.對(duì)于一個(gè)典型的75W太陽(yáng)能電池組件,Imp為4.4A,就可得出每天發(fā)電的安時(shí)數(shù)為5.0×4.4=22.0Ah/d。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。(1)太陽(yáng)能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)能電池組件的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)能電池組件輸出電流就會(huì)稍微高于Imp,使用Imp作為太陽(yáng)能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)能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)能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)能電池組件比較準(zhǔn)確,對(duì)于33片串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件則較差,特別是在高溫環(huán)境下。對(duì)于所有的太陽(yáng)能電池組件,在寒冷氣候的預(yù)計(jì)會(huì)更加準(zhǔn)確。(2)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?太陽(yáng)能電池組件產(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)能電池組件的影響比較大。所以對(duì)36片串聯(lián)的太陽(yáng)能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)能電池組件的估算則較差。(3)在利用峰值小時(shí)方法進(jìn)行太陽(yáng)能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)能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)能電池組件都會(huì)同樣地把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能。但實(shí)際并非如此,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)過高地估算某些太陽(yáng)能電池組件的輸出。不過,總的來(lái)說,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)能電池組件輸出進(jìn)行快速估算很有效的方法。下面舉例說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)能電池組件數(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/d。該地區(qū)最低的光照輻射是1月份,如果采用30°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)能電池組件,每天的輸出為:組件日輸出=3.0峰值小時(shí)×4.4A=13.2Ah/d假設(shè)蓄電池的庫(kù)侖效率為90%,太陽(yáng)能電池組件的輸出衰減為10%。根據(jù)式(2-3)得:日平均負(fù)載(Ah)并聯(lián)組件數(shù)量=日平均負(fù)載(Ah)/【庫(kù)效率×[組件日輸出(Ah)×衰減因子】=400(Ah)/【0.9×[13.2(Ah)×0.97】=37.4串聯(lián)組件數(shù)量=系統(tǒng)電壓(V)/組件電壓(V)=24(V)/12(V)=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)能電池組件數(shù)為:總的太陽(yáng)能電池組件數(shù)=2串×38并=76塊(4)蓄電池和光伏組件方陣設(shè)計(jì)的校核。對(duì)光伏組件方陣和蓄電池的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行校核,以便進(jìn)一步了解系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的情況,保證光伏組件方陣的設(shè)計(jì)和蓄電池的設(shè)計(jì)可以協(xié)調(diào)工作。1)校核蓄電池平均每天的放電深度,保證蓄電池不會(huì)過放電。計(jì)算公式如下,但是如果自給天數(shù)很大,那么實(shí)際的每天放電深度(DepthofDischarge,DOD)可能相當(dāng)小,不需要進(jìn)行校核計(jì)算。蓄電池日放電深度=日負(fù)載(V)/設(shè)計(jì)蓄電池的總?cè)萘?V)=日負(fù)載(V)/（設(shè)計(jì)并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)×蓄電池容量(V）(2-5)如果一個(gè)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)使用了4000Ah的深循環(huán)蓄電池,每天的負(fù)載為500Ah,那么平均每天的DOD校核計(jì)算如下:500Ah/4000Ah=0.125<0.8所以該系統(tǒng)中蓄電池不會(huì)過放電。2)校核光伏組件方陣對(duì)蓄電池組的最大充電率在太陽(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=設(shè)計(jì)蓄電池總?cè)萘?Ah)/設(shè)計(jì)光伏陣列的峰值電流(A)=并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)×蓄電池容量(Ah)/并聯(lián)光伏組件數(shù)X組件峰值電流(A)

(2-6)下面舉例說明。光伏供電系統(tǒng)使用了75W太陽(yáng)能電池組件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)=24h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)。3.獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)蓄電池設(shè)計(jì)蓄電池的設(shè)計(jì)想是保證在太陽(yáng)光連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。我們可以設(shè)想蓄電池是充滿電的,在光照度低于平均值的情況下,太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能不能完全填滿由于負(fù)載從蓄電池中消耗能量而產(chǎn)生的空缺,這樣在第一天結(jié)束的時(shí)候,蓄電池就會(huì)處于未充滿狀態(tài)。如果第二天光照度仍然低于平均值,蓄電池就仍然要放電以供給負(fù)載的需要,蓄電池的荷電狀態(tài)繼續(xù)下降,也許接下來(lái)的第三天第四天會(huì)有同樣了避免蓄電池的損壞,這樣的放電過程只能夠允許持續(xù)一定的時(shí)間,直到蓄電池的荷電狀態(tài)到達(dá)指定的危險(xiǎn)值,為了量化評(píng)估這種太陽(yáng)光照連續(xù)低于情況,在進(jìn)行蓄電池設(shè)計(jì)時(shí),我們需要引入一個(gè)不可缺少的參數(shù)—自給天數(shù),即系統(tǒng)在沒有任何外來(lái)能源的情況下負(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。這個(gè)參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。一般來(lái)講,自給天數(shù)的確定與兩個(gè)因素有關(guān)：負(fù)載對(duì)電源的要求程度;太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣象條件即最大連續(xù)陰雨天數(shù)。通?？梢詫⑻?yáng)能光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的自給天數(shù),但還要綜合考慮負(fù)載對(duì)電源的要求。對(duì)于負(fù)載對(duì)電源要求不是很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用,我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為3~5d。對(duì)于負(fù)載要求很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用系統(tǒng),我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為7~14d。所謂負(fù)載要求不嚴(yán)格的系統(tǒng)通常是指用戶可以稍微調(diào)節(jié)一下負(fù)載需求從而適應(yīng)惡劣天氣帶來(lái)的不便,而嚴(yán)格系統(tǒng)指的是用電負(fù)載比較重要,例如常用于通信導(dǎo)航或者重要的健康設(shè)施如醫(yī)院、診所等。此外還要考慮太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)如果在很偏遠(yuǎn)的地區(qū),必須設(shè)計(jì)較大的蓄電池容量,因?yàn)榫S護(hù)人員要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。太陽(yáng)能光伏系統(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)容中涉及的蓄電池沒有特別說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。(1)基本公式。1)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。2)將1)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太陽(yáng)能光伏系統(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%蓄電池放電深度(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如下:蓄電池容量=（給天數(shù)×日平均負(fù)荷）/最大放電深度

（2-7）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。串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)=負(fù)載標(biāo)稱電壓/蓄電池標(biāo)稱電壓

(2-8)為了說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)該太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)交流負(fù)載的耗電量為10kWh/d,如果在該太陽(yáng)能光伏系統(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/d。(10000Wh÷0.9÷24V=462.96h)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5d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=5d×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2d,蓄電池允許的最大放電深度為50%,那么:蓄電池容量=2d×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)。(2)設(shè)計(jì)修正。以上給出的只是蓄電池容量的基本估算方法,在實(shí)際情況中還有很多性能參數(shù)會(huì)對(duì)蓄電池容量和使用壽命產(chǎn)生很大的影響。為了得到正確的蓄電池容量設(shè)計(jì),上面的基本方程必須加以修正。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。1)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。這樣就會(huì)對(duì)我們的容量設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。進(jìn)行太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就要為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇在恰當(dāng)?shù)姆烹娐氏碌男铍姵厝萘?。通?生產(chǎn)廠家提供的是蓄電池額定容量是10h放電率下的蓄電池容量。但是在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中,因?yàn)樾铍姵刂写鎯?chǔ)的能量主要是為了自給天數(shù)中的負(fù)載需要,蓄電池放電率通常較慢,光伏供電系統(tǒng)中蓄電池典型的放電率為100~200h。在設(shè)計(jì)時(shí)我們要用到在蓄電池技術(shù)中常用的平均放電率的概念。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的平均放電率公式如下:平均放電率(h)=（自給天數(shù)×負(fù)載工作時(shí)間）/最大放電深度

(2-9)上式中的負(fù)載工作時(shí)間可以用下述方法估計(jì):對(duì)于只有單個(gè)負(fù)載的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng),負(fù)載的工作時(shí)間就是實(shí)際負(fù)載平均每天工作的小時(shí)數(shù);對(duì)于有多個(gè)不同負(fù)載的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng),負(fù)載的工作時(shí)間可以使用加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間,加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間的計(jì)算方法如下:加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間=（∑負(fù)載功率×負(fù)載工作時(shí)間）/∑負(fù)載功率

(2-10)根據(jù)上面兩式可以計(jì)算出太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的實(shí)際平均放電率,根據(jù)蓄電池生產(chǎn)商提供的該型號(hào)電池在不同放電速率下的蓄電池容量,就可以對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行修正。2)考慮溫度對(duì)蓄電池容量的影響。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。通常,鉛酸蓄電池的容量是在25℃時(shí)標(biāo)定的。隨著溫度的降低,0℃時(shí)的容量大約下降到額定容量的90%,而在—20℃的時(shí)候大約下降到額定容量的80%,所以必須考慮蓄電池的環(huán)境溫度對(duì)其容量的影響。如果太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣溫很低,這就意味著按照額定容量設(shè)計(jì)的蓄電池容量在該地區(qū)的實(shí)際使用容量會(huì)降低,也就是無(wú)法滿足系統(tǒng)負(fù)載的用電需求。在實(shí)際工作的情況下就會(huì)導(dǎo)致蓄電池的過放電,縮短蓄電池的使用壽命,增加維護(hù)成本。這樣,設(shè)計(jì)時(shí)需要的蓄電池容量就要比根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況(25℃)下蓄電池參數(shù)計(jì)算出來(lái)的容量要大,只有選擇安裝相對(duì)于25℃時(shí)計(jì)算容量多的容量,才能夠保證蓄電池在溫度低于25℃的情況下,還能完全提供所需的能量。蓄電池生產(chǎn)商一般會(huì)提供相關(guān)的蓄電池溫度一容量修正曲線。在該曲線上可以查到對(duì)應(yīng)溫度的蓄電池容量修正系數(shù),除以蓄電池容量修正系數(shù)就能對(duì)上述的蓄電池容量初步計(jì)算結(jié)果加以修正。圖2-9是一個(gè)典型的蓄電池溫度一容量變化曲線。因?yàn)榈蜏氐挠绊?在蓄電池容量設(shè)計(jì)上還必須要考慮的一個(gè)因素就是修正蓄電池的最大放電深度以防止蓄電池在低溫下凝固失效,造成蓄電池的永久損壞。鉛酸蓄電池中的電解液在低溫下可能會(huì)凝固,隨著蓄電池的放電,蓄電池中不斷生成的水稀釋電解液,導(dǎo)致蓄電池電解液的凝結(jié)點(diǎn)不斷上升,直到純水的0℃。在寒冷的氣候條件下,如果蓄電池放電過多,隨著電解液凝結(jié)點(diǎn)的上升,電解液就可能凝結(jié),從而損壞蓄電池。即使系統(tǒng)中使用的是深循環(huán)工業(yè)用蓄電池,其最大的放電深度也不要超過80%。圖2-10給出了一般鉛酸蓄電池的最大放電深度和蓄電池溫度的關(guān)系曲線,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以參考該圖得到所需的調(diào)整因子。在設(shè)計(jì)時(shí)要使用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)所在地區(qū)的最低平均溫度,然后從圖2-10或者是由蓄電池生產(chǎn)商提供的最大放電深度一蓄電池溫度關(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-8°時(shí)才考慮進(jìn)行校正。(3)完整的蓄電池容量設(shè)計(jì)計(jì)算?？紤]到以上所有的計(jì)算修正因子,我們可以得到如下蓄電池容量的最終計(jì)算公式。蓄電池容量(指定放電率)=（自給天數(shù)×日平均負(fù)載）/（最大允許放電深度×溫度修正系數(shù)）

(2-11)下面對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行總結(jié)分析:1)最大允許放電深度:一般而言,淺循環(huán)蓄電池的最大允許放電深度為50%,而深循環(huán)蓄電池的最大允許放電深度為80%。如果在嚴(yán)寒地區(qū),就要考慮到低溫防凍問題,對(duì)此進(jìn)行必要的修正。設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)?shù)販p小這個(gè)值擴(kuò)大蓄電池的容量,以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。例如,如果使用深循環(huán)蓄電池,進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),將使用的蓄電池容量最大可用百分比定為60%而不是80%,這樣既可以提高蓄電池的使用壽命,減少蓄電池系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用,同時(shí)又對(duì)系統(tǒng)初始成本不會(huì)有太大的沖擊。根據(jù)實(shí)際情況可對(duì)此進(jìn)行靈活地處理。2)溫度修正系數(shù):當(dāng)溫度降低的時(shí)候,蓄電池的容量將會(huì)減少。溫度修正系數(shù)的作用就是保證安裝的蓄電池容量要大于按照25℃標(biāo)準(zhǔn)情況算出來(lái)的容量值,從而使得設(shè)計(jì)的蓄電池容量能夠滿足實(shí)際負(fù)載的用電需求。3)指定放電率:指定放電率是考慮到慢的放電率將會(huì)從蓄電池得到更多的容量。使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù),可以選擇適于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的在指定放電率下的合適蓄電池容量。如果在沒有詳細(xì)的有關(guān)容量一放電速率的資料的情況下,可以粗略的估計(jì)認(rèn)為,在慢放電率(C/100~C/300)的情況下,蓄電池的容量要比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)多30%，下面舉例說明上述公式的應(yīng)用。建立一套光伏供電系統(tǒng)給一個(gè)地處偏遠(yuǎn)的通信基站供,該系統(tǒng)的負(fù)載有兩個(gè):負(fù)載一,工作電流為1A,每天工作24h;負(fù)載二,工作電流為5A,每天工作12h。該系統(tǒng)所處的地點(diǎn)的24h平均最低溫度為-20℃,系統(tǒng)的自給時(shí)間為5d。使用深循環(huán)工業(yè)用蓄電池(最大DOD為80%)。因?yàn)樵撎?yáng)能光伏系統(tǒng)所在地區(qū)的24h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。由最大放電深度一蓄電池溫度的關(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=（5AX8h+10AX6h）/（5A+10A）=6.67h平均放電率=（5d×6.67h）/0.5=66.7小時(shí)率根據(jù)圖2-9所示的蓄電池溫度一放電率一容量變化曲線,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=5×(5A×8h+10A×6h)/0.5×0.7=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)的組數(shù)不要超過4組。目前,很多太陽(yáng)能光伏系統(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?蓄電池組的并聯(lián)設(shè)計(jì)需要考慮不同的實(shí)際情況,根據(jù)不同的需要做出不同的選擇。4.獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了蓄電池容量和太陽(yáng)能電池組件大小設(shè)計(jì)之外,還要考慮如何選擇合適的系統(tǒng)設(shè)備,即如何選擇合乎系統(tǒng)需要的太陽(yáng)能電池組件、蓄電池、逆變器(帶有交流負(fù)載的系統(tǒng))、控制器、電纜、匯線盒、組件支架、柴油機(jī)/汽油機(jī)(光伏油機(jī)混合系統(tǒng))、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(風(fēng)/光互補(bǔ)系統(tǒng)),對(duì)于大型太陽(yáng)能光伏供電站,還包括輸配電工程部件如變壓器、避雷器、負(fù)荷開關(guān)、空氣斷路器、交直流配電柜和系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)、控制機(jī)房的建設(shè)、輸配電建設(shè)等問題。上述各種設(shè)備的選取需要綜合考慮系統(tǒng)所在地的實(shí)際情況、系統(tǒng)的規(guī)模、客戶的要求等因素。(1)電纜的選取。系統(tǒng)中電纜的選擇主要考慮如下因素:電纜的絕緣性能;電纜的耐熱阻燃性能;電纜的防潮,防光性能;電纜的敷設(shè)方式;電纜芯的類型(銅芯,鋁芯);電纜的大小規(guī)格。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中不同的部件之間的連接,因?yàn)榄h(huán)境和要求的不同,選擇的電纜也不相同。以下分別列出不同連接部分的技術(shù)要求:1)組件與組件之間的連接。必須進(jìn)行UL測(cè)試,耐熱90℃,防酸,防化學(xué)物質(zhì),防潮,防曝曬。2)方陣內(nèi)部和方陣之間的連接?？梢月短旎蛘呗裨诘叵?要求防潮、防曝曬。建議穿管安裝,導(dǎo)管必須耐熱90℃。3)蓄電池和逆變器之間的接線?？梢允褂猛ㄟ^UL測(cè)試的多股軟線,或者使用通過UL測(cè)試的電焊機(jī)電纜。4)室內(nèi)接線(環(huán)境干燥)。可以使用較短的直流連線。電纜大小規(guī)格設(shè)計(jì),必須遵循以下原則;1)蓄電池到室內(nèi)設(shè)備的短距離直流連接,選取電纜的額定電流為計(jì)算電纜連續(xù)電流的1.25倍。2）交流負(fù)載的連接,選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。3)逆變器的連接,選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。4)方陣內(nèi)部和方陣之間的連接,選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.56倍。5)考慮溫度對(duì)電纜的性能的影響。6)考慮電壓降不要超過2%。7)適當(dāng)?shù)碾娎|直徑選取基于兩個(gè)因素,電流強(qiáng)度與電路電壓損失。完整的計(jì)算公式為:線損=電流×電路總線長(zhǎng)×線纜電壓因子式中線纜電壓因子可由電纜制造商處獲得。(2)供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)。基礎(chǔ)建設(shè)包括太陽(yáng)能電池組件地基和控制機(jī)房的建設(shè)。太陽(yáng)能電池組件可以安裝在地面上,也可以安裝在屋頂上。如果光伏方陣安裝在地面上,在設(shè)計(jì)施工的時(shí)候需要考慮建筑抗震設(shè)計(jì)(參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB500112010《《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》)。1)太陽(yáng)能電池組件地基屬于丙類建筑,要符合以下要求:①選擇建筑場(chǎng)地時(shí),應(yīng)盡量選擇堅(jiān)硬土或者開闊平坦密實(shí)均勻的中硬土。②同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在截然不同的地基土上。③地基由粘性土、液化土、新近填土或者嚴(yán)重不均勻土層構(gòu)成時(shí),宜采取措施加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性。④混凝土砌塊的強(qiáng)度等級(jí),中砌塊不宜低于MU10,小砌塊不低于MU5,砌塊的砂漿強(qiáng)度等級(jí)不宜于M5。混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20。2)對(duì)于存在液化土層的地基應(yīng)根據(jù)地基的液化等級(jí)采取一定的措施。采用深基礎(chǔ)時(shí),基礎(chǔ)地面埋入液化深度以下穩(wěn)定涂層中的深度不應(yīng)小于500mm;采用加密法(如振沖、振動(dòng)加密、強(qiáng)夯等)加固時(shí),應(yīng)處理至液化深度下界,且處理后土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值應(yīng)大于相應(yīng)的臨界值;挖出全部液化土層。①凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)建設(shè)。在西藏、青海和新疆,都存在大量的凍土地區(qū)。太陽(yáng)能電池組件地基的設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)季節(jié)性凍土地基和多年凍土地基分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,可參考JGJ118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》②對(duì)于組件基礎(chǔ),安裝支架的混凝土基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范如下a.基礎(chǔ)混凝土的混合比例為1:2:4(水泥、膠石、水),采用42號(hào)水泥或更細(xì),膠石每塊尺寸為20mm或更小。b.基礎(chǔ)尺寸建議為500mm×500mm×400mm(×寬×高)。如果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)土壤疏松,要相應(yīng)地增加基礎(chǔ)深度。

c.基礎(chǔ)的上表面要在同一水平面上,平整光滑。d.支架四個(gè)支撐腿所用的四個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)保持在同一水平上。e.基礎(chǔ)上的預(yù)埋螺桿應(yīng)該要求正確地位于基礎(chǔ)中央,同樣要注意保持螺桿垂直,不要傾斜。f.基礎(chǔ)上的預(yù)埋螺桿應(yīng)該高出混凝土基礎(chǔ)表面50mm。確保已經(jīng)將基礎(chǔ)螺桿的凸出螺紋上的混凝土擦干凈。g.要注意每副組件支架兩個(gè)基礎(chǔ)之間的朝向和尺寸。建議安裝一副支架(不安裝太陽(yáng)能電池組件),將四條支架安裝到適當(dāng)?shù)奈恢?為基礎(chǔ)建造作標(biāo)記。h.如果太陽(yáng)能電池組件安裝在屋頂就不需要考慮凍土的情況,但是要考慮抗震對(duì)房屋和支架的技術(shù)需要。(3)接地和防雷設(shè)計(jì)。1)太陽(yáng)能光伏電站為三級(jí)防雷建筑物,防雷和接地涉及的方面可參考GB500572010《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》2)電站站址的選擇。a.盡量避免將光伏電站建筑在雷電易發(fā)生的和易遭受雷擊的位置。b.盡量避免避雷針的投影落在太陽(yáng)能電池組件上。c.防止雷電感應(yīng)?？刂茩C(jī)房?jī)?nèi)的全部金屬物包括設(shè)備、機(jī)架、金屬管道、電纜的金屬外皮都要可靠接地,每件金屬物品都要單獨(dú)接到接地干線,不允許串聯(lián)后再接到接地干線上。d.防止雷電波侵入。在出線桿上安裝閥型避雷器,對(duì)于低壓的220/380V可以采用低壓閥型避雷器。要在每條回路的出線和零線上裝設(shè)。架空引入室內(nèi)的金屬管道和電纜的金屬外皮在入口處可靠接地,沖擊電阻不宜大于30Ω。接地的方式可以采用電焊,如果沒有辦法采用電焊,也可以采用螺栓連接。3)接地系統(tǒng)的要求。①所有接地都要連接在一個(gè)接