独立光伏发电专业系统设计.doc

独立光伏发电系统设计

目录
1引言 1
2 独立光伏发电系统工作原理 1
3 独立光伏发电系统设计 2
3.1 系统容量设计 2
3.2 太阳能电池组件及方阵设计 3
3.2.1 光伏组件方阵设计需要考虑问题 3
3.2.2 太阳能电池组件（方阵）方位角与倾斜角 4
3.2.3 普通设计办法 4
3.3 直流接线箱选型 5
3.4 光伏控制器选型 7
3.6 光伏逆变器选型 8
结论 9

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抱负特性可再生能源发电技术，发展太阳能光伏发电系统也具备很高可行性，一方面能缓和国内当前能源问题以及日益严重环境问题，还能解决边远地区居民用电难，成本高问题。本论文将从小型独立系统发电原理，系统设计原理，及其自身具备优势结合其受众群体所需考虑各方面因素来设计适合家庭使用小型系统。通过理论与实际市场调查相结合办法设计适合全国各地人民使用优惠且实用系统。
核心词：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将来实现可持续发展重要方式，而中华人民共和国也将以太阳能为代表可再生能源作为将来低碳经济重要构成某些。近年来，国家财政对太阳能产业补贴力度逐年增强。独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接太阳能光伏发电系统，其输出功率提供应本地负载(交流负载或直流负载)发电系统。其重要应用于远离公共电网无电地区和某些特殊场合，如为公共电网难以覆盖边远偏僻农村、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发电系统称为太阳能光伏发电系统。其重要构造由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电池（组）、光伏控制器、逆变器（在有需要输出交流电状况下使用）以及某些测试、监控、防护等附属设施构成。
太阳能电池方阵吸取太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管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，防止浮现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定放电深度时，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。有控制器可以显示独立光伏发电系统充放电状态，并能贮存必要数据，甚至还具备遥测、遥信和遥控功能。在交流光伏发电系统中， DC-AC逆变器将蓄电池组提供直流电变成能满足交流负载需要交流电。

图1 独立型太阳能光伏发电系统工作原理

3 独立光伏发电系统设计
光伏发电系统设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）原则。做到既能保证光伏系统长期可靠运营，充分满足负载用电需要，同步又能使系统配备最合理、最经济，特别是拟定使用至少太阳能电池组件功率和蓄电池容量。协调节个系统工作最大可靠性和系统成本之间关系，在满足需要保证质量前提下节约投资，达到最佳经济效益。
3.1 系统容量设计
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互有关系，然后在特定供电可靠性规定下，依照成本最低化原则，拟定两者各自容量。在本系统设计中，负载总耗电量为4000w·h/d，选取逆变器效率为90%，持续阴雨天数为4天，蓄电池放电深度为70%,系统电压为48V。
蓄电池容量= ==530AH
普通，铅酸蓄电池容量是在25℃时标定。随着温度减少， 0 ℃时容量大概下降到额定容量90% . 而在-20℃时候大概下降到额定容量80% . 因此必要考虑蓄电池环镜温度对其容量影响。南京地区全年最低气温大概为-4～-6℃，因此在此温度下，蓄电池容量会下降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
‚拟定蓄电池串并联方式
每个蓄电池均有它标称电压。为了达到负载工作标称电压，将蓄电池串连起来给负载供电，需要串联蓄电池个数等于负载标称电压除以蓄电池标称电压。这里选用24v/200AH胶体蓄电池。
串联蓄电池数===2 因此蓄电池串联数为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设计
3.2.1 光伏组件方阵设计需要考虑问题
设计太阳电池组件要满足光照最差季节需要。蓄电池长时间处在亏电状态将使得蓄电池极板硫酸盐化。在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差状况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池使用寿命和性能将会受到很大影响，整个系统运营费用也将大幅度增长。太阳电池组件设计中较好办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里负载需要，也就是要保证在光照最差状况下蓄电池也可以被完全地布满电。由于光照最差季节光照度大大低于平均值，这样设计太阳电池组件在一年中其她时候会远远超过实际需要，并且成本高昂。
3.2.2 太阳能电池组件（方阵）方位角与倾斜角
由于太阳能光伏发电发电量与太阳光辐射强度、大气质量、地理位置等因素有直接关系和影响，因而在设计太阳能光伏发电系统时，应考虑太阳辐射方位角和倾斜角、峰值日照时数等。
太阳能电池组件（方阵）方位角与倾斜角选定是太阳能光伏系统设计时最重要因素之一。所谓方位角普通是指东西南北方向角度。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。方位角决定了阳光入射方向，决定了各个方向山坡或不同朝向建筑物采光状况。倾斜角是地平面与太阳能电池组件之间夹角。倾斜角为00时表达太阳能电池组件为水平设立，倾斜角为900时表达太阳能电池组件为垂直设立。
太阳能电池方位角选取
在国内，太阳能电池方位角普通选取正南方向，以使太阳能电池单位容量发电量最大。
‚太阳能电池倾斜角选址
最抱负倾斜角是使太阳能电池年发电量尽量大，而冬季和夏季发电量差别尽量小倾斜角。普通取本地纬度或加上几度作为本地太阳能电池组件安装倾斜角。如下为依照本地纬度粗略拟定太阳能电池倾斜角：
3.2.3 普通设计办法
太阳电池组件设计基本规定就是满足年平均日负载用电需求。
计算太阳电池组件基本办法是用负载平均每天所需要能量(安时数)除以一块太阳电池组件在一天中可以产生能量(安时数) ，这样就可以算出系统需要并联太阳电池组件数，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)。
上面公式是理论计算，实际应用时还需要考虑其她因素，由于系统需要在持续阴雨天数中工作，综合考虑其他因素后得到计算公式为：
串联电池组件数=
并联电池组件数=
补充蓄电池容量(Ah)=安全系数×负载日平均耗电量(Ah)×最大持续阴雨天数
（式中安全系数依照状况在1.1～1.4之间选用。）
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实际数据，组件衰降损耗修正系数重要指因组件组合、组件功率衰减、组件灰尘遮盖、充电效率等损失，普通取0.8。）太阳能电池方阵功率=选定电池组件峰值输出功率×电池组件串联数×电池组件并联数。
3.3 直流接线箱选型
直流接线箱也叫直流配电箱，小型太阳能光伏发电系统普通不用直流接线箱，直流接线箱重要用于中、大型太阳能光伏发电系统中，用于把太阳能电池组件方阵多路输出电缆集中输入、分组连接，不但使连线井然有序，并且便于分组检查、维护，当太阳能电池方阵局部发生故障时，可以局某些离检修，不影响整体发电系统持续工作。图4所示是直流接线箱电路图（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汇流箱，其详细参数如下表1所示：
表1汇流箱参数
电气参数
光伏阵列电压范畴
200～100V 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
0～99%
通信接口
RS485
防护级别
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，因而防雷系统不需要另行设计。

图5汇流箱实物图
3.4 光伏控制器选型
光伏控制器要依照系统功率、系统直流工作电压、电池方阵输入路数、蓄电池组数、负载状况及顾客特殊规定等拟定光伏控制器类型。普通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智能控制器。
控制器选取时要特别注意其最大工作电流必要同步不不大于太阳能电池组件或方阵短路电流和负载最大工作电流。
依照上面设计中，组件需要并联40组，因此系统短路电流为
Ioc=5.52×40=220A
选取合肥赛光电源科技有限公司生产SSCP-48-220A型号控制器。
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
≤m
防护级别
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 光伏逆变器选型
光伏逆变器选型时普通是跟据光伏发电系统设计拟定直流电压来选取逆变器直流输入电压，依照负载类型拟定逆变器功率和相数，依照负载冲击性决定逆变器功率余量。逆变器持续功率应当不不大于使用负载功率，负载启动功率要不大于逆变器最大冲击功率。在选型时还要考虑为光伏发电系统将来扩容留有一定余量。
在独立光伏发电系统中，系统电压选取应依照负载规定而定。
选用湖北雷特斯科技有限公司生产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
≤0.8A DC
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，一方面应当考虑顾客负载需求量和本地天气条件等不可变因素，然后选取适当计算公式计算出系统中各参量值，并且在整个市场中依照最经济和安全原则广泛地对各类器件选型，从而得出最经济实用设计。光伏系统设计需本着合理性、实用性、高可靠性、和高性价比原则。做到既能保证光伏系统长期可靠运营，充分满足负载用电需要，同步又能使系统配备最合理、最经济，特别是拟定使用至少太阳能电池组件功率和蓄电池容量。协调节个系统工作最大可靠性和系统成本之间关系，在满足需要保证质量前提下节约投资，达到最佳经济效益。