太阳能光伏系统设计

太阳能光伏系统设计

一、太阳能电池

1.太阳能电池的分类

太阳能电池按材料可分为硅薄膜式、化合物半导体薄膜式、和有机模式，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居于主导地位。

硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池光电转换效率最高，实验室最高光电转换效率为23%，规模生产时效率为15%，是目前最理想的太阳能电池材料，但成本价格太高。多晶硅薄膜太阳能电池相对单晶硅而言成本低廉，转换效率又高于非晶硅薄膜太阳能电池。其实验室最高光电转换效率为18%，规模生产时效率为10%，有很大的发展前景。但目前研制的多晶硅太阳能电池还不稳定，随着使用时间的增加，光电转换效率会逐渐减退。非晶硅太阳能电池由于具有较高的光电转换效率、较低的成本及重量轻等特点，有极大的潜力，但由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子而使其具有光疲劳效应，直接影响了它的应用。

2.太阳能电池的规格

我公司生产的太阳能电池片有单晶硅和多晶硅两种类型。单晶硅太阳能电池片大小为125×125mm2，电压0.5V，功率2.5W~2.7W。多晶硅太阳能电池片大小为156×156mm2，电压也是0.5V，功率3.5W~4W。一个太阳能电池片只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池片连接成组件。

太阳能电池组件包含一定数量通过导线连接的太阳能电池，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力。在一个太阳能组件上，太阳能电池片的标准数量是36片，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一组额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

3.太阳能电池方阵的设计

在选择太阳能电池组件之前应先确定所需的发电系统的容量。计算太阳能光伏发电系统容量需要一些基本数据，如：所有负载功率及连续工作时间、太阳能电池组件安装的地理位置及安装地点的气象资料等。太阳能电池组件不仅要满足平均气候条件下负载的每日用电需求，还要满足光照最差季节的需要。

有了足够的数据，就可以计算太阳能电池方阵的容量了。计算太阳能电池方阵的容量有以下几种方法：

（1）对于光伏电站，一般使用下列计算步骤：

首先，确定负载功耗；

W=ΣI×H (Ah)

式中，I为负载电流；H为负载工作时间，单位h。

其次，确定太阳能电池方阵的倾角；

太阳能电池方阵倾角应与当地纬度有关，但由于太阳辐射量随季节、气候变化，各个月份接受到的太阳辐射量差别很大，因此在具体设计某一方阵的倾角时，应考虑所带负载的性质。例如：太阳能路灯的全年耗电量比较稳定，因此推荐太阳能电池方阵倾角在当地纬度的基础上再增加15°~20°，这样才能使全年辐射量最低的月份也能得到较大的太阳辐射量。

第三，计算太阳能电池方阵β倾角下的辐射量；

Rβ=S×sin(α+β)/sinα+D

式中，Rβ为β倾角太阳能电池方阵面上的太阳总辐射量；α为中午时太阳高度角，α=90°－φ±δ，φ为纬度，δ为太阳赤纬度（北半球取+号）；S为水平面太阳直接辐射量（查气象资料）；D为散射辐射量（查气象资料）。

第四，计算太阳灯电池方阵电流；

I=W/(T m×η1×η2)

式中，I为太阳能电池方阵的最小输出电流；T m为平均峰值日照时数；T m=（RβmW·h/cm2）/(100mW/cm2); η1为蓄电池充电效率；η2为太阳能电池方阵表面灰尘遮散损失。

第五，确定太阳能电池方阵电压；

V=V F+V D

式中，V F为蓄电池浮充电压（25℃）；V D为线路电压损耗。

最后，确定太阳能电池方阵功率。

P=I m×V/[1-α(t max-25)]

式中，α为太阳能电池功率的温度系数，对一般的硅太阳能电池，α=0.5%；t max为太阳能电池最高工作温度。

（2）当负载每天有规律的工作时，一般使用下面方法来计算：

首先，确定安装地点的日照量；

Q′=Q×K1×1.16×[cos│(φ-β-δ)│/cos│(φ-δ)│

式中，Q为水平面的月平均日照量（cal/cm2·d）; K1为日照修正系数（一般为0.9）；

1.16为单位变换系数（cal/cm2·d→mW·h/cm2）；φ为安装场所的纬度；β为太阳能电池方阵的倾斜度（相对于水平面）；δ为太阳的月平均赤纬度。

其次，确定负载的消耗功率

负载消耗功率按负载的日平均消耗功率来计算，因此必须了解所有负载每天的使用时间：

P L=[P1×h1+P2×h2+……+P n×h n]/24 (kW·h)（n=1、2……n）

式中，P L为负载日平均消耗功率；P n为系统内某负载的功率；h n为该负载的使用时间。

最后，可以计算太阳能电池组件的容量。

P m=2400/Q′min×P L×1/K

式中，Q′min为安装面日照量Q′的年最小值(mW·h/ cm2·d)；P L为负载的日平均消耗功率(W)；K为系数。

(3)粗略计算太阳能电池板容量时，可以采用下面方法：

首先计算负载24h消耗容量P

P=Wh/V

式中，V为负载额定电压。

其次选定每天日照时数T（h）

第三计算太阳能电池方阵工作电流

I P=P(1+Q)/T

式中，Q为阴雨期富余系数，Q=0.21~1.00

第四确定蓄电池浮充电压V F

铅酸蓄电池的单体浮充电压为2.2V

第五确定太阳能电池温度补偿电压V T

V T=2.1/430(T-25)V F

第六计算太阳能电池方阵工作电压V P

V P =V F+V D+V T

式中，V D =0.5~0.7

最后计算太阳能电池方阵输出功率W P

W P =I P×V P

计算出太阳能电池方阵的功率，就可以根据它来确定太阳能电池组件的串联数和并联数。

太阳能电池组件按一定的数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，当太阳能电池组件的端电压等于合适的蓄电池浮充电压时，就能达到最佳的充电状态。

太阳能电池组件串联数N s的计算方法如下：

N s=V R/V oc=(V F+V D+V c)/V oc

式中，V R为太阳能电池方阵输出最小电压；V oc为太阳能电池组件的最佳工作电压；V F为蓄电池浮充电压；V D为二极管压降，一般取0.7V；V c为其他因数引起的压降。

太阳能电池组件并联数N P的计算方法如下：

1）将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht转换成在标准光强下的平均日辐射时数H，即

H=H t×2.778/10000h

式中，2.778/10000（hm2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。

2）太阳能电池组件日发电量Q P，其值

Q P=I oc×h×K op×C z

式中，I oc为太阳能电池组件最佳工作电流；h为太阳能电池日工作小时数；K op为斜面修正系数，按太阳能组件安装地纬度不同，K op取1.09~1.14；为修正系数，C z主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8

3）最长两次连续阴雨天之间的最短间隔天数NW，此数据主要考虑要在此段时间内蓄电池需补充的容量B cb为