獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法??

1引言

經(jīng)過(guò)光伏工作者們堅(jiān)持不懈的努力，太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高，并且日益廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。特別是郵電通信方面，由于近年來(lái)通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)通信電源的要求也越來(lái)越高，所以穩(wěn)定可靠的太陽(yáng)能電源被廣泛使用于通信領(lǐng)域。而如何根據(jù)各地區(qū)太陽(yáng)能輻射條件，來(lái)設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)而又可靠的光伏電源系統(tǒng)，這是眾多專(zhuān)家學(xué)者研究已久的課題，而且已有許多卓越的研究成果，為我國(guó)光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。筆者在學(xué)習(xí)各專(zhuān)家的設(shè)計(jì)方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些設(shè)計(jì)僅考慮了蓄電池的自維持時(shí)間（即最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天），而沒(méi)有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復(fù)時(shí)間（即兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)）。這個(gè)問(wèn)題尤其在我國(guó)南方地區(qū)應(yīng)引起高度重視，因?yàn)槲覈?guó)南方地區(qū)陰雨天既長(zhǎng)又多，而對(duì)于方便適用的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)，由于沒(méi)有應(yīng)急的其他電源保護(hù)備用，所以應(yīng)該將此問(wèn)題納入設(shè)計(jì)中一起考慮。

本文綜合以往各設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合筆者多年來(lái)實(shí)際從事光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)，引入兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)之一，并綜合考慮了各種影響太陽(yáng)能輻射條件的因素，提出了太陽(yáng)能電池、蓄電池容量的計(jì)算公式，及相關(guān)設(shè)計(jì)方法。

2影響設(shè)計(jì)的諸多因素

太陽(yáng)照在地面太陽(yáng)能電池方陣上的輻射光的光譜、光強(qiáng)受到大氣層厚度（即大氣質(zhì)量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。

太陽(yáng)能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率，受到電池本身的溫度、太陽(yáng)光強(qiáng)和蓄電池電壓浮動(dòng)的影響，而這三者在一天內(nèi)都會(huì)發(fā)生變化，所以太陽(yáng)能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率也是變量。

蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。

太陽(yáng)能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關(guān)系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。

負(fù)載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無(wú)人氣象站等，有固定的設(shè)備耗電量。而有些設(shè)備如燈塔、航標(biāo)燈、民用照明及生活用電等設(shè)備，用電量是經(jīng)常有變化的。

因此，太陽(yáng)能電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮的因素多而復(fù)雜。特點(diǎn)是：所用的數(shù)據(jù)大多為以前統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，各統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的測(cè)量以及數(shù)據(jù)的選擇是重要的。

設(shè)計(jì)者的任務(wù)是：在太陽(yáng)能電池方陣所處的環(huán)境條件下（即現(xiàn)場(chǎng)的地理位置、太陽(yáng)輻射能、氣候、氣象、地形和地物等），設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟(jì)效益，又要保證系統(tǒng)的高可靠性。

某特定地點(diǎn)的太陽(yáng)輻射能量數(shù)據(jù)，以氣象臺(tái)提供的資料為依據(jù)，供設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池方陣用。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值。

地球上各地區(qū)受太陽(yáng)光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區(qū)的太陽(yáng)能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化，其規(guī)律與太陽(yáng)照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天，方陣就幾乎不能發(fā)電，只能靠蓄電池來(lái)供電，而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補(bǔ)充好。設(shè)計(jì)者多數(shù)以氣象臺(tái)提供的太陽(yáng)每天總的輻射能量或每年的日照時(shí)數(shù)的平均值作為設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)。由于一個(gè)地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同，為可靠起見(jiàn)應(yīng)取近十年內(nèi)的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負(fù)載的耗電情況，在日照和無(wú)日照時(shí)，均需用蓄電池供電。氣象臺(tái)提供的太陽(yáng)能總輻射量或總?cè)照諘r(shí)數(shù)對(duì)決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。

對(duì)太陽(yáng)能電池方陣而言，負(fù)載應(yīng)包括系統(tǒng)中所有耗電裝置（除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等）的耗量。

方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關(guān)，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流，適當(dāng)數(shù)量的組件經(jīng)過(guò)串并聯(lián)即組成所需要的太陽(yáng)能電池方陣。

3蓄電池組容量設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池。與太陽(yáng)能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽(yáng)能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長(zhǎng)且維護(hù)簡(jiǎn)單。

（1）蓄電池的選用

能夠和太陽(yáng)能電池配套使用的蓄電池種類(lèi)很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國(guó)內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池，因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對(duì)環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽(yáng)能電源系統(tǒng)，特別是無(wú)人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過(guò)充、過(guò)放性能，但由于其價(jià)格較高，僅適用于較為特殊的場(chǎng)合。

（2）蓄電池組容量的計(jì)算

蓄電池的容量對(duì)保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內(nèi)，方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在超過(guò)用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。所以方陣發(fā)電量的不足和過(guò)剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須從蓄電池取得。所以，這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。

因此，蓄電池的容量BC計(jì)算公式為：

BC=A×QL×NL×TO／CCAh(1)

式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；

QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；

NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；

TO為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；

CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

4太陽(yáng)能電池方陣設(shè)計(jì)

（1）太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns

將太陽(yáng)能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來(lái)，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當(dāng)。串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓，方陣就不能對(duì)蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓時(shí)，充電電流也不會(huì)有明顯的增加。因此，只有當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時(shí)，才能達(dá)到最佳的充電狀態(tài)。

計(jì)算方法如下：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）

式中：UR為太陽(yáng)能電池方陣輸出最小電壓；

Uoc為太陽(yáng)能電池組件的最佳工作電壓；

Uf為蓄電池浮充電壓；

UD為二極管壓降，一般取0.7V；

UC為其它因數(shù)引起的壓降。

表1我國(guó)主要城市的輻射參數(shù)表

蓄電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數(shù)有關(guān)，應(yīng)等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯(lián)的電池?cái)?shù)。

（2）太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)Np

在確定NP之前，我們先確定其相關(guān)量的計(jì)算方法。

①將太陽(yáng)能電池方陣安裝地點(diǎn)的太陽(yáng)能日輻射量Ht，轉(zhuǎn)換成在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時(shí)數(shù)H（日輻射量參見(jiàn)表1）：

H=Ht×2.778／10000h（3）

式中：2.778／10000（h·m2/kJ）為將日輻射量換算為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1000W/m2）下的平均日輻射時(shí)數(shù)的系數(shù)。

②太陽(yáng)能電池組件日發(fā)電量Qp

Qp=Ioc×H×Kop×CzAh(4)

式中：Ioc為太陽(yáng)能電池組件最佳工作電流；

Kop為斜面修正系數(shù)（參照表1）；

Cz為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.8。

③兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw，此數(shù)據(jù)為本設(shè)計(jì)之獨(dú)特之處，主要考慮要在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來(lái)，需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為：

Bcb=A×QL×NLAh(5)

④太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算方法為：

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)

式（6）的表達(dá)意為：并聯(lián)的太陽(yáng)能電池組組數(shù)，在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量，不僅供負(fù)載使用，還需補(bǔ)足蓄電池在最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。

(3)太陽(yáng)能電池方陣的功率計(jì)算

根據(jù)太陽(yáng)能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽(yáng)能電池方陣的功率P：

P=Po×Ns×NpW（7）

式中：Po為太陽(yáng)能電池組件的額定功率。

5設(shè)計(jì)實(shí)例

以廣州某地面衛(wèi)星接收站為例，負(fù)載電壓為12V，功率為25W，每天工作24h，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天為15d，兩最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為30d，太陽(yáng)能電池采用云南半導(dǎo)體器件廠生產(chǎn)的38D975×400型組件，組件標(biāo)準(zhǔn)功率為38W，工作電壓17.1V，工作電流2.22A，蓄電池采用鉛酸免維護(hù)蓄電池，浮充電壓為（14±1）V。其水平面太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)參照表1，其水平面的年平均日輻射量為12110（kJ/m2），Kop值為0.885，最佳傾角為16.13°，計(jì)算太陽(yáng)能電池方陣功率及蓄電池容量。

（1）蓄電池容量Bc

Bc=A×QL×NL×To/CC

=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75

=1200Ah

（2）太陽(yáng)能電池方陣功率P

因?yàn)椋?

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋UC）/Uoc

=（14＋0.7＋1）/17.1=0.92≈1

Qp=Ioc×H×Kop×Cz

=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.8

≈5.29Ah

Bcb=A×QL×NL

=1.2×(25/12)×24×15=900Ah

QL=(25/12)×24=50Ah

Np=（Bcb＋Nw×QL）/(Qp×Nw）

=(900＋30×50)/(5.29×30)≈15

故太陽(yáng)能電池方陣功率為：

P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W

（3）計(jì)算結(jié)果

該地面衛(wèi)星接收站需太陽(yáng)能電池方陣功率為570W，蓄電池容量為1200Ah。