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1、离网光伏供电系统应用的设计方法与实例一、任务导入 离网型太阳能光伏发电系统，也叫独立太阳能光伏发电系统，其安装功率小的不足1瓦，例如太阳能手机充电器、太阳能计算器等；大到MW级。我们这里讲的离网型太阳能光伏发电系统，指的是安装在国家电网或地区电网未覆盖区域，安装容量通常在数百瓦以上的光伏发电系统，主要由光伏组件、充放电控制器、逆变器（用于交流负载）、蓄电池及附属设施等构成。二、相关知识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，
2、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。学习情境1 太阳能光伏发电应用的设计思路（一） 离网系统设计原则离网系统的设计工作，从收集气象数据和计算负载大小开始，然后确定系统中控制器、逆变器、蓄电池各设备的规格及容量，使系统各设备匹配完善，发挥设备的工作在最佳工作状态，一方面保证系统正常运行，另一方面延长设备的使用寿命，同时还要保证用户的正常使用。离网光伏电站系统的设计方法很多，有比较简易设计，有比较详细设计，本节通过实例进行比较简易和详细设计两种方法设计，将在任务实现中讲解。离网光伏电站设计应根据下面几点设计原则：1.组件要满足平
3、均天气条件下负载的每天用电需求。组件设计不能考虑尽可能快的给蓄电池充满电，如果要求快速充电，就必须要求很大的太阳能组件，同时如果快速充满，太阳组件的发电量会造成浪费。2.组件要满足光照最差季节的需要，太阳能组件输出要等于全年负载需求的平均值。3.蓄电池的设计要保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。4.自给天数是系统在没有任何能源来源的情况下，负载仍能正常工作的天数。5.在设计系统前，尽量去实地考察一下，了解安装地点，这样对设备布置走线才能设计合理。（二） 离网系统设计的内容离网光伏电站系统设计内容概括起来包括两个方面。1.蓄电池与蓄电池组计算与设计；2.太阳能电池组件与太阳能
4、方阵计算与设计；（三）离网系统设计需考虑的因素1.系统设计中主要考虑的几个参量有：负载功率（W）、负载每天连续工作时间(H)、系统使用地区最低有效日照时数(A)、当地最长连续阴雨天数(D)、当地连续阴雨天间隔系数（B）。 2.衰减因子：在考虑以上主要参数的前提下，还需要考虑系统综合效率，离网型光伏发电系统的综合效率主要考虑组件匹配损耗、太阳能辐射损耗、系统偏离最大功率点损耗、太阳能组件衰减损耗、电缆损耗、倾角及朝向损耗、控制系统损耗、蓄电池衰减损耗、其他因素损耗对太 阳能组件的影响。在实际项目中，太阳能电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低，如泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变等。通常的做
5、法就是在计算的时候减少太阳能电池组件的输出的10%来解决上述不可预知和不可量化的因素 。对于交流发电系统还应该考虑交流逆变器的转换效率，一般按10%损失计算。3.库伦效应： 在蓄电池的充放电过程中，蓄电池会电解水产生气体逸出，太阳能电池组件产生的电流中将有5%10%的部分不能转化储存起来而是耗散掉，我们用蓄电池的库伦效率来评估这种电流损失。所以保守设计中有必要将太阳能电池组件的功率增加10%以抵消蓄电池的耗散损失。4.放电率对蓄电池容量的影响，一般蓄电池可根据生产厂家提供的蓄电池在不同放电率下的容量，就可以对蓄电池容量进行修正了。对于慢放电率50-200h(小时率)光伏系统蓄电池的容量进行估算
6、，一般取蓄电池标称容量的105%-120%，相应放电率修正系数取0.95-0.8。光伏系统的放电率要经过计算得到，其公式为： （2-13）对于有多个负载的光伏发电系统，负载工作时间需要采用加权平均 的方法进行计算，加权负载工作时间的计算方法为： （2-14） 5.环境温度对蓄电池影响，安装地点的最低气温很低时，设计时需要蓄电池的容量就要比正常温度时的容量要大，这样才能保证系统在最低温度时也能提供所需的能量。因此，在设计时一定要参照图2-45温度与容量修正系数，将此修正系数纳入计算公式，就可以对蓄电池的容量进行修正。一般也可根据经验确定修正系数，0时修正系数可取0.95-0.9之间，-10时修正
7、系数可取0.9-0.8之间，-20时修正系数可取0.8-0.7之间。另外，环境温度过低还会对最大放电深度产生影响，当环境气温在-10以下时，浅循环蓄电池的最大放电深度可由常温时的50%调整为35%-40%，深循环蓄电池的最大放电深度可由常温时的75%调整为60%。学习情境2 离网光伏发电系统应用设计方法下面以实例形式详细讲解离网光伏系统设计方法。例：在江苏南京地区建一光伏离网项目，项目要求负载的总耗电量为4000wh/d，每天全天候用电，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，请根据用户需要进行本电站的设计。负载与蓄电池容量匹配设计第一步：蓄电
8、池容量简单计算公式为： （2-15）公式2-15没有考虑系统进行各种因素的影响，设计过程中必须将相关因素系数纳入到公式中，蓄电池容量设计才算比较完整，完整公式。 （2-16） 公式2-16中，负载平均用电量（AH），本题中没有直接给出，但题目中给出了系统电压为48V，可以根据P=UI求出；放电率修正系数根据公式2-13求出系统放电小时率，再根据所选蓄电池厂家提供的蓄电池在不同放电率下的容量进行修正。这时负载工作时间取24小时，则放电修正系统可取0.8。第二步：温度修正系数通常，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
9、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，根据图2-45得出在此温度下，蓄电池的容量会下降10%左右。第三步：数据代入公式2-16，计算蓄电池实际容量2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，必须将蓄电池串并连起来给负载供电，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。 （2-17） （2-18）则本题蓄电池串联数为48/24=2；蓄电池并联数为470/200=2.35，取3。综上所述：使用24V/200AH型胶体蓄电池，蓄电池串联2块，
10、并联3块，共6块达到系统需求，连接方式如图2-30所示。图2-30 2串3并蓄电池接线图3太阳能电池组件及方阵的设计（1）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。1）太阳能电池方位角的选择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。太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角(向东偏设定为负角度，向
11、西偏设定为正角度)。一般情况下，方阵朝向正南(即方阵垂直面与正南的夹角为0)时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南(北半球)30度时，方阵的发电量将减少约10%15%；在偏离正南(北半球)60时，方阵的发电量将减少约20%30%。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。我国处于北半球，太阳能电池的方位角一般选择正南稍微向西偏50-100方向，能使太阳能电池单位容量的发电量最大。2）太阳能电池倾斜角的选择倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。 一年中的最佳倾斜角
12、与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。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。如最佳组件倾角可以使用公式计算、软件或查阅附件1来确定，也可以根据当地纬度粗略确定太阳能电池倾角。具体确定方法如表2-8太阳能板倾角的选择取决于站点的位置，一般会选择比其所处地区纬度大200的倾角。表2-8为推荐方阵倾角与纬度的关系。表2-8 方阵倾角与纬度的关系当地纬度015152020303035354040方阵倾角15+5+10+15+20 由于江苏南京纬度为32，则最佳倾角选择37。（2） 组件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
13、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(AH)除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量(AH) ，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。基本公式为： （2-19）公式2-19中系数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。 ( 2-20)其中，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 （2-21）公式2-21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
14、件灰尘遮盖、充电效率等的损失，一般取0.8。 （2-22） 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。 （2-23）则本题中选择英利250Wp组件，峰值电流8.24A，峰值电压30.4V，开路电压38.4V，短路电流8.79A。南京日平均峰值日照时数为3.94H，组件倾角采用最佳倾角，修正系数取1，逆变器效率系数0.9，则组件总数=串联组件数并联组件数=34=12块总功率为=12250=3000Wp4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。本项目采用3串4并电池组件实现，选用四进一上海新驰电气有限公司生产的带有防雷功能汇流箱，其具体参数如下表2-9所示，实物图如2-31所示。表2-9 汇流箱参数表电气参数光伏阵列电压范围200100V DC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099%通信接口RS485防护等级IP54、IP65宽高深630450180重量15kg
