离网光伏供电系统应用设计方法与实例

　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，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。

　境 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，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：

　最大放电深度）

　负载工作时间（ ）

　连续阴雨天数（平均放电率H Dh

　 （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：

　负载功率负载工作时间 负载功率加权负载工作时间∑∑ 

　 （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%。

　境 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 4000w·h/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：蓄电池容量简单计算公式为：

　最大放电深度自给天数 ）

　负载日平均用电量（蓄电池容量AH

　（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。

　逆变器效率 低温修正系数 最大放电深度放电率修正系数 自给天数 ）

　负载日平均用电量（蓄电池容量  AH （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。

　小时率最大放电深度负载工作时间 连续阴雨天数平均放电率 137% 7024 4 h

　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 AHAH47048 % 90 % 90 % 708 . 0 4 4000     逆变器效率 低温修正系数 最大放电深度放电率修正系数 自给天数 ）

　负载日平均用电量（蓄电池容量 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。

　 蓄电池标称电压负载标称电压串联蓄电池数 

　 （2-17）

　单个蓄电池容量总蓄电池容量并联蓄电池 

　 （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，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 20 0 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φ 0～15° 15°～20° 20°～30° 30°～35° 35°～40° >40° 方阵倾角β 15° φ φ+5° φ+10° φ+15° φ+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：

　）

　组件峰值工作电压（系数 ）

　系统工作电压（串联电池组件数VV 43 . 1 

　（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。

　）

　组件日平均发电量（）

　负载日平均耗电量（并联电池组件数AHAH

　( 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、组件灰尘遮盖、充电效率等的损失，一般取 0.8。

　负载工作电压每天工作小时数 负载功率负载日平均耗电量

　（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， ； 取 ，组件日平均发电量系数 系统工作电压串联组件数 3 26 . 24 . 3043 . 1 48 43 . 1

　； 取 ，组件衰降损耗修正系数 倾斜面修正系数 ）

　峰值日照时数（ ）

　组件峰值工作电流（）

　负载日平均耗电量（）

　组件日平均发电量（）

　负载日平均耗电量（并联组件数4 57 . 39 . 0 8 . 0 1 94 . 3 24 . 8 484000      h AAHAHAH 则组件总数=串联组件数×并联组件数=3×4=12 块 总功率为=12×250=3000Wp 4．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 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 防护等级 IP54、IP65 宽×高×深 630×450×180 重量 15kg

　 图 2-31

　汇流箱实物图 5．光伏控制器的选型 光伏控制器要根据系统功率、系统直流工作电压、电池方阵输入路数、蓄电池组数、负载状况及用户的特殊要求等确定光伏控制器的类型。一般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的智能控制器。

　控制器选择时要特别注意其最大工作电流必须同时大于太阳能电池组件或方阵的短路电流和负载的最大工作电流。

　选择 Bosin BX-C10048 型号的控制器参数见表 2-10 所示，实物图如 2-32 所示。

　表 2-10

　 Bosin BX-C10048 选控制器参数 型号

　BX-C10048 光伏组件总额定功率 5kw 额定充电电流 50A 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 ≤2000m 防护等级 IP20 设备外形尺寸 355×380×150 设备净重 8.0KG

　 图 2-32

　控制器实物图 6．光伏离网逆变器的选型 光伏离网逆变器选型时一般是根据光伏发电系统设计确定的直流电压来选择逆变器的直流输入电压，根据负载的类型确定逆变器的功率和相数，根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率，负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。在独立光伏发电系统中，系统电压的选择应根据负载的要求而定。本系统选用 S0lar B48P5K-1 型逆变器，如图 2-33 所示，其技术参数如表 2-11：

　表 2-11

　 S0lar B48P5K-1 型逆变器参数 型号

　TLS- - 4KVA

　额定功率 5000W 电池电压 48V 最大放电电流 20A 输出电流 18A 充电电流 按电池容量的 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 2-33

　逆变器

　上述所讲的太阳能电池组件的设计方法是根据各种数据直接计算出太阳能电池组件或方阵的功率，根据计算结果选配或定制相应功率的电池组件，进而得到电池组件的外形尺寸和安装尺寸；其计算步骤如上所述。

　三、项目实施：

　1．光伏系统以峰值日照时数和两段阴雨天间隔天数为依据的计算方法 在考虑连续阴雨天因素时，还要考虑两段连续阴雨天之间的间隔天数，以防止有些地区第一个连续阴雨天到来使蓄电池放电后，还没有来得及补充足，就又来了第二个连续阴雨天，使系统根本无法正常供电。因此，在连续阴雨天比较多的南方地区，设计时要把太阳电池和蓄电池的容量都考虑得稍微大一些。现在介绍的这个计算方法就把两段阴雨天之间的最短间隔天数也作为计算依据纳入了计算公式中。这种计算方法是先选定尺寸符合要求的电池组件，根据该组件峰值功率、峰值工作电流和日发电量等数据，结合上述数据进行设计计算，在计算中确定蓄电池组的容量和电池组件方阵的串并联数及总功率等。其计算步骤如下。

　1.系统蓄电池组容量的计算 数 蓄电池最大放电深度系低温修正系数 最大连续阴雨天数 ）

　负载日平均耗电量（ 安全系数）

　蓄电池组容量（  AhAh 式中，安全系数根据情况在 1.1～1.4 之间选取；低温修正系数在环境温度为 0℃以上时取 1，-10℃以上时取 1.1，-20℃以上时取 1.2；蓄电池最大放电深度系数，浅循环蓄电池取0.5，深度循环蓄电池取 0.75，碱性镍镉蓄电池取 0.85。蓄电池组的组合设计和串并联计算等按照前面介绍的方法和公式计算即可。

　2.太阳电池方阵的设计与计算 (1)太阳电池组件串联数的计算公式：

　）

　（ 选定组件峰值工作电压系数 ）

　系统工作电压（电池组件串联数VV 43 . 1  (2)太阳电池组件平均日发电量的计算：

　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的实际数据，无法获得实际数据时也可参照选择接近地区的数据参考计算；组件衰降损耗修正系数主要指因组件组合、组件功率衰减、组件灰尘遮盖、充电效率等的损失，一般取 0.8。

　(3)两段连续阴雨天之间的最短间隔天数需要补充的蓄电池容量的计算：

　补充的蓄电池容量(Ah)=安全系数×负载日平均耗电量(Ah)×最大连续阴雨天数 (4)太阳电池组件并联数的计算方法。在这个并联计算公式中，纳入了两段连续阴雨天之间的最短间隔天数的数据，这是本方法与其他计算方法的不同之处，具体公式为

　最短间隔天数 组件平均日发电量最短间隔天数 负载日平均耗电量 补充的蓄电池容量电池组件的并联数  其中，负载日平均耗电量=负载功率/每天工作电压×每天工作小时数 这个公式的含义：并联的太阳电池组件的组数，在两段连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅要提供负载所需正常用电量，还要补足蓄电池在最大连续阴雨天内所亏损的电量。两段连续阴雨天之间的最短间隔天数越短，需要提供的发电量就越大，并联的电池组件数就越多。

　(5)太阳电池方阵功率的计算：

　太阳电池方阵功率=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\设计实例 1：广州某气象监测站监测设备，工作电压为 24v，功率为 55w，每天工作 18h，当地最大连续阴雨天数为 15 天，两段最大连续阴雨天之间的最短间隔天数为 32 天。选用深循环放电型蓄电池，选用峰值输出功率为 50w 的电池组件，其峰值工作电压为 17.3v，峰值工作电流为 2.89a，计算蓄电池组容量及太阳电池方阵功率。

　计算：查有关数据，广州地区的平均峰值日照时数为 3.52h，斜面修正系数 kop 为 0.885， ①计算蓄电池组容量：

　蓄电池组容量=1.2×(55w/24v)×18h×15×1/0.75=990ah ②计算电池组件串联数：

　电池组件串联数=24v×1.43/17.3v=2 ③计算太阳电池组件平均日发电量：

　组件平均日发电量=2.89a×3.52h×0.885×0.8=7.2ah ④计算两段连续阴雨天之间的最短间隔天数需要补充的蓄电池容量：

　补充的蓄电池容量=1.2×(55w／24v)×18h×15=742.5ah ⑤计算电池组件的并联数：

　电池组件的并联数=(742.5ah+41.3ah×32)/(7.2ah×32)=2064.2/230.4=8.99≈9

　⑥计算太阳电池组件方阵的总功率：

　电池组件方阵总功率=50w×2×9=900w 根据计算结果拟选用 2v／500ah 铅酸蓄电池 24 块，12 块串联 2 串并联组成电池组，总电压为 24v，总容量为 1000ah。

　选用峰值功率50w太阳电池组件18块，2块串联9串并联构成电池方阵，总功率为900w。

　以某岛礁哨所为例设计实例 2：用电负载为 5 盏 LED 照明灯共 100W，仪器用电 50w,电压为 12V，每天工作 12h，最长连续阴雨天为 15 天，两最长连续阴雨天最短间隔天数为15d，太阳能电池采用某公司 NES36-5-80M 型组件，组件标准功率为 80W，最佳工作电压17.5V，最佳工作电流 4.58A，蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，浮充电压为（14±1）V。其水平面太阳辐射数据参照我国主要城市的辐射参数表(略)，其水平面的年平均日辐射量为12110（kJ/m 2 ），K op 值为 0.885，最佳倾角为 16.13°。

　设计过程：

　（1）负载的总用电量 Q L ：

　Q L =（100×12）+（50×12）=1800Wh=1.8KWh

　(2)蓄电池容量

　C w =(A×Q L ×N L ×T 0 )÷D C =（1.2×1800×15×1.1）÷0.75=47520Wh

　C=47520Wh/12=3960Ah 式中：A 为安全系数，取 1.1～1.4 之间；

　Q L 为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；

　N １ 为最长连续阴雨天数（自给天数）；

　 T 0 为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2； D C 为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取 0.75，碱性镍镉蓄电池取 0.85。

　因此可选工作电压为 2V/2000Ah 的 GFM 型系列蓄电池，则 蓄电池串联块数为 12V÷2V=6 块。

　蓄电池并联数＝蓄电池总容量÷蓄电池标称容量=3960÷2000≈2 单位蓄电池容量选型：应选用 2000Ah/2V 的蓄电池 12 块。其中选用 6000Ah 蓄电池 6块串联，2 组并联组成蓄电池组。

　实际蓄电池组总容量为 2000Ah×2= 4kAh。

　(3)计算太阳能电池方阵功率 P w

　计算太阳能电池组件串联数 N s =U R /U oc =U f +U D + U C

　/U oc =14+1+0.7+1/17.5≈0.95≈1 式中：U R 为太阳能电池方阵输出最小电压； U oc 为太阳能电池组件的最佳工作电压；

　U f 为蓄电池浮充电压；

　U D 为二极管压降，一般取 0.7V；

　 U C 为其它因数引起的压降。

　计算太阳能电池组件并联数 N p

　a.将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量日，转换成在标准光强下的平均日辐射时数 H H=H t ×2.778÷10000=12110×2.778÷10000=33.64 式中，2.778/10000(h．m2 /kJ)为将日辐射量换算为标准光强(1000W／m 2 )下的平均日辐射时数的系数。

　b.太阳能电池组件日发电量 Q p

　Q p =I oc ×h×K op ×C z =4.58 ×33.64×0.885×0.8=109.08Wh/12=9.09Ah

　式中 I oc

　——太阳能电池组件最佳工作电流；

　 H ——每天发电小时数；

　 K op ——斜面修正系数，按太阳能电池组件安装地纬度不同斜面日辐射量修系数 K op ，

　 取 1. 09～1.14：

　C z

　——修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失， 一般取 0.8。

　c.两次最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 N 1 ，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

　B cb = A×Q 1 ×N 1 =1.2×（150 ×12）/12×15 =2700Ah

　 式中 A——安全系数，取 1.1—1.4；

　 Q 1 ——日耗电量，为工作电流乘以日工作小时数(安时）；

　 N 1 ——最长连续阴雨天数。

　d.太阳能电池组件并联数 N p 的计算方法为 （块）

　3615 09 . 9150 15 27001  W PW cbPN QQ N BN

　 式中，N w 为两次最长连续阴雨天之间的最短间隔天数。

　e.太阳能电池方阵的功率计算。根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能

　电池方阵的功率 P = P 0 ×N s ×N p

　=80×1×36=2904W 式中，P 0 为太阳能电池组件的额定功率。

　通过计算可知：该岛礁哨所需要 36 块电池组件串联使用，方阵的功率为 2904W；需要选用 2000Ah/2V 的蓄电池 12 块。其中选用 6000Ah 蓄电池 6 块串联，2 组并联组成蓄电池组。实际蓄电池组总容量为 2000Ah×2= 4kAh。

　表 2-11

　 系统配置方案 部

　件 型号及规格 数

　量 备

　注 太阳能电池板 80Wp/17.5V 36 块 单晶硅 储能蓄电池 2000Ah/2V

　12 只 太阳能专用 光伏逆变控制器 2500V.A 1 台 控制-逆变一体机

　2.应用简易设计实例 某农户家庭所用负载情况如表 7-2 所示。当地的年平均太总辐射量为 6210MJ/m2 .a，连续无日照用电天数为 3 天，试设计太阳能光伏供电系统。

　表 2-12

　400W 家庭电源系统 设备 规格 负载 数量 日工作时间/h 日耗电量/W.h 照明 节能灯 200V/15W 3 4 180 卫星接收器

　200V/25W 1 4 100 电视 25in 220V/110W 1 4 440 洗衣机（感性负载）

　2L 220V/250W 1 0.8 200 合

　计 920 系统配置 3个阴雨天

　 设计过程：

　 ①用电设备总功率 PL

　 P L =15W×3+25W+110W+250W=430W

　 ②用电设备的用电量 Q i （W.h）

　 节能灯用电量：

　 Q 1 =15W×3×4h＝180 W.h，

　 卫星接收器用电量：

　 Q 1 =25W×4h=100 W.h，

　 电视机用电量：

　 Q 3 =110W×4h=440 W.h，

　 洗衣机用电量：

　 Q 4 =250W×0.8=200 W.h，

　 总用电量 QL：

　Q L =180+100+440+200=920（W.h）

　 ③光伏系统直流电压 U 的确定 本系统功率较小，选择 U=12V。（系统工作电压选择的一般原则：户用系统为 12 VDC或 24 VDC；通信系统为 48VDC；电力系统为 110VDC；大型电站为 220VDC 或更高) ④蓄电池容量 C

　蓄电池容量的计算方法一般用下式计算基本公式：

　K DF d Wh QCLW低温修正系数 最大放电深度放电率修正系数 连续阴雨天数 ）

　（ 负载日平均用电量蓄电池容量  式中，C W ——蓄电池的容量，W.h； d——最长无日照用电天数； F——蓄电池放电容量的修订系数（充入安时数/放电安时数），通常F取1.2； Q L ——所有用电设备总用电量，W.h； D——蓄电池放电深度，通常 D 取 0.5； K——包括逆变器在内的交流回路的损耗率，通常 K 取 0.8。

　若按通常情况取系数，则公式可简化为

　C W =3×d×Q L

　单位：瓦时（W.h）

　 选择系统的直流电压 U。根据负载功率确定系统的直流电压（即蓄电池电压）。确定的原则是：

　a.在条件允许的情况下，尽量提高系统电压，以减少线路损失； b.直流电压的选择要符合我国直流电压的标准等级，即 12V、24V、48V 等；直流电压的上限最好不要超过 300V，以便于选择元器件和充电电源。

　用确定的系统电压（U）去除式，即可得到用 A.h 表示的蓄电池容量 C C=C W /U=3×d×Q L /U

　单位：安时（Ah)

　式中：d——最长无日照用电天； Q L ——所有用电设备总用电量； U——系统的直流电压。

　则：C W =3×d×Q L ＝3×3×920＝8280（W.h）

　蓄电池电压 U＝12V，则其安时（A.h）容量为 C=C W /U＝8280 W.h /12V =690 A.h 根据计算结果，假设选用蓄电池 12V/120A.h 的 VRLA 蓄电池，则 太阳能电池蓄电池的串联数N s =系统直流电压（蓄电池组电压）=12÷12V=1 块 蓄电池并联数＝蓄电池总容量／蓄电池标称容量=690÷120=5.75=6 块 根据计算结果，蓄电池选用 12V/120A.h 的 VRLA 蓄电池 6 只并联； ⑤太阳电池方阵功率 P L 的确定 a.平均峰值日照时数（为简便起见，用水平面数据，而不用斜面数据 峰值日照时数是将一般强度的太阳辐射日照时数折合成辐射强度1000W/m2 的日照时数。太阳方阵倾斜面上的平均峰值日照时数（在水平面辐射量）

　峰值日照小时数(T m )=K op ×辐射量÷3.6×360 式中，年均太阳总辐射量——当地 8～10 年气象数据，MJ/m2 ； K op ——斜面辐射最佳辐射系数； 3.6——单位换算系数； 1kWh=1000(J/s)×3600s＝3.6×106 J＝3.6MJ 1MJ=1kWh/3.6。

　故代入数据得：

　T m ＝6210/(3.6×365)=4.72（h）

　b.太阳电池方阵功率 mLLT KF QP

　 式中，F——蓄电池放电容量的修订系数，通常 F 取 1.2；

　Q L ——所有用电设备总用电量，W.h；

　K——包括逆变器在内的交流回路的损耗率，通常 K 取 0.8。

　代入 F=1.2，K=0.8，则上式可简化为太阳电池方阵功率

　mLFTQP5 . 1 代入数据得：

　WhWhTQPmLL4 . 39272 . 4920 5 . 1 5 . 1 若太阳电池方阵选用80W（36 片串联，电压约17V，电流约4.8A）组件，则需 （块））

　组件峰值工作电压（系数 ）

　系统工作电压（电池组件串联数 11743 . 1 12 43 . 1VVN S （块）

　电池组件并联数 580 1392m SLpP NPN

　 所以，需选用太阳电池方阵 80W（36 片串联，电压约 17V，电流约 4.8A）组件 5 块并联。

　⑥控制器的确定 a.方阵最大电流（短路电流）

　①控制器所能控制的太阳方阵最大电流

　 方阵短路电流 I Fsc ＝N p ×I sc ×1.25

　(2-24) 式中， I sc 为组件的短路电流；1.25 为安全系数。

　代入数据得：

　I Fsc ＝N p ×I sc ×1.25＝5×4.8A×1.25＝30A b.最大负载电流

　②控制器的最大负载电流 U KPIL25 . 1

　（2-25）

　式中，P L ——用电设备的总功率； U——控制器负载工作电压（即蓄电池电压）； K——损耗系数，K 取 0.8。

　则式（2-25）可简化为

　 UPIL56 . 1

　 （2-26）

　式中，P L ——用电设备的总功率； U——控制器负载工作电压（即蓄电池电压）

　代入数据得：

　 AVWUPIL9 . 5512430 56 . 1 56 . 1 ⑦逆变器的确定 逆变器的功率＝阻性负载功率(1.2～1.5)＋感性负载功率(5～7) 方波逆变器和准正弦波逆变器大多用于 1kW 以下的小功率光伏发电系统；1kW 以上的大功率光伏发电系统，多数采用正弦波逆变器。

　代入数据得：

　逆变器的功率＝阻性负载功率(1.2～1.5)＋感性负载功率(5～7)

　 ＝230W×1.5＋200W×6＝1545W 故控制器和逆变器可选用 2000V.A 的控制-逆变一体机，最好是正弦波。

　表 13

　系统配置方案 部

　件 型号及规格 数

　量 备

　注 太阳能电池板 80Wp/17V 5 块 单晶硅 储能蓄电池 120Ah/12V 6 只 太阳能专用 光伏逆变控制器 2000V.A 1 台 控制-逆变一体机

　四、知识拓展 —— 光伏油机混合系统的设计

　混合光伏系统中除了使用太阳能外还有多种能量来源，常见的能源方式有风力、柴油发电机、生物质能等。混合光伏系统在使用光伏发电的基础上还要综合利用这些能源给负载供电。常见的两种混合光伏系统是风光互补供电系统和光伏油机混合系统，如图 2-34 所示。

　图 2-34 光伏油机混合系统

　 对于没有足够风力资源的地方且负荷较大的光伏供电系统，如果考虑到要在暴风雨天气或者较长的坏天气后蓄电池不至于过放电，或者能够很快地恢复蓄电池的 SOC，我们可以采用两种方法，一种方法是采用很大的光伏系统，即很大的太阳能电池组件和很大的蓄电池容量；另外一种方法就是考虑使用混合系统，给该系统添加一个备用能源（通常是柴油机，或者汽油机），在冬天或者在较长的坏天气里每隔几天就将蓄电池充满，在夏天备用电源可能根本就不会使用。到底是采用较大的光伏系统还是采用光伏油机混合系统，其关键因素就是系统成本。

　 光伏油机混合系统有更大的弹性，适合不同的系统需求，有很多种不同的方法设计混合系统。对系统进行设计时，必须在初始设计阶段作出正确的选择。在整个设计过程中必须时刻牢记整个系统的运行过程。混合系统不同部分之间的交互作用很多，设计者必须保证满足所有的重叠要求。不管按照什么方法进行设计，首先必须使光伏油机混合系统的功能恰好满足负载需求，然后综合考虑各种因素，平衡好各方面因素对系统的影响。

　 1．光伏油机混合系统的设计

　 1)负载工作情况

　 与独立光伏系统设计一样，混合系统中总载荷的确定也同样重要。对于交流负载，还需要知道频率、相数和功率因子。需要了解的不仅仅是负载的功率大小，负载每小时的工作情况都是很重要的。系统必须满足任何可能出现的峰值情况，采用确定的控制策略满足负载工作的需求。

　 2)系统的总线结构

　 选择交流还是直流的总线取决于负载和整个系统工作的需要。如果所有的负载都是直流负载，那么就使用直流总线。如果负载大部分都是交流负载，那么就最好使用交流总线结构。如果发电机要供给一部分的交流负载，那么选择交流总线结构就比较有利。总的来说，采用交流总线需要更加复杂的控制，系统的操作也较为复杂，但是更加有效率，因为发电机产生

　的交流电直接供给负载，不像在直流总线结构下，发电机输出的电流需要经过整流器将交流转化为直流，然后又经过逆变器将直流转换为交流，满足交流负载的需要而产生很大的能量损失。进行设计的时候必须仔细进行这些比较，确定最佳的系统总线结构。

　 3)蓄电池总线电压

　 在混合系统中，蓄电池的总线电压会对系统的成本和效率产生很大的影响。通常，蓄电池的总线电压应该在设备允许电压和当地的安全法规规定的电压下尽量取高的值。因为较高的电压就会降低工作电流，从而降低损失，捉高系统效率（因为功率的损失与电流的平方成正比）。而且因为电缆、保险、断路器和其他的一些设备的成本都和电流的大小有关，所以较高的电压能够降低这些设备的成本。对于直流总线系统，通常负载的直流工作电压决定了总线的电压。如果有多种负载，最大的负载电压为总线电压，这样可以减少 DC/DC 滤波器的容量。对于有交流负载的系统，蓄电池电压由逆变器的输入电压决定。通常，除了最小的系统以外，其他的应该使用最小为 48 V 的电压，较大的系统应该使用 120 V 或者 240 V。目前商用的最大的光伏——柴油机混合系统为 480 V。

　 4)蓄电池容量 独立光伏系统经常提供 5～7 天或更多的自给天数。对于混合系统，因为有备用能源，蓄电池通常会比较小，自给天数为 2～3 天。当蓄电池的电量下降时，系统可以启动备用能源如柴油发电机给蓄电池充电。在独立系统中，蓄电池是作为能量的储备，该能量储备必须充分以随时满足天气情况不好时的能量需求。在混合系统中，蓄电池的作用稍稍有所不同。它的作用是使得系统可以协调控制每种能源的利用。通过蓄电池的储能，系统在充分利用太阳能的同时，还可以控制发电机在最适宜的情况下工作。好的混合系统设计必须在经济性和可靠性方面把握好平衡。

　 5)发电机和蓄电池充电设计

　 发电机和蓄电池的充电控制应该进行匹配设计，因为在混合系统中这两个部分联系紧密。首先，蓄电池的容量决定了蓄电池的充电器大小。充电器不能用过大的电流给蓄电池充电，通常最大充电率为 C/5。发电机的功率必须能够满足蓄电池充电的需要。较小的蓄电池会降低系统的初始成本，但会导致更为频繁的柴油机工作和启动，从而增加燃油消耗和柴油机维护成本。在计算发电机大小的时候还要考虑负载的能量需求和功率因数。如果系统使用的是交流总线，那么还要考虑直接接到发电机的交流负载。使用较大的发电机，会减少发电机工作的时间，但是并不一定会降低太阳熊电池组件发电量占系统总发电量的百分比。减少发电机的工作时间就可以降低系统的维护成本，并且提高系统的燃油经济性。所以使用较大功率的发电机会有很多优点。理论上，可以选择发电机的功率为系统负载的 75%～90%。这样就可以有比较低的系统维护成本和较高的系统燃油经济性。

　 在选择发电机的时候还需注意到发电机的额定功率是在特定的温度、海拔和湿度条件下测定的。如果发电机在不同的条件下工作，那么发电机的输出功率就会降低。相关资料可以从柴油机制造商处获取。一般情况下，发电机的输出功率随着海拔的升高而降低，通常每升高三百米就降低 3.5%。温度（相对额定温度，一般为 30℃）每升高 1℃，则输出功率降低0.36%，而湿度可能导致的功率下降最高为 6%。

　 6)燃油发电机发电与太阳能电池组件能量贡献的分配

　 在光伏——燃油发电机混合系统设计中，燃油发电机发电与太阳能电池组件能量贡献的分配非常关键，它决定了太阳能电池组件的大小和燃油发电机年度的能量贡献，直接影响到系统成本和系统工作情况。发电机提供的能量越大则所需的太阳能电池组件就越小，这样可以降低系统的初始成本，但燃油发电机的工作时间会增加，从而导致系统的维护成本和燃油淌耗量升高，它是整个系统各项容量设计的基础。决定该分配需要综合考虑系统所在地的气象因素、系统成本、系统维护等各项因素。可以根据经验进行简单的估计，如果想得到精确

　的估计，就需要使用计算机进行过程模拟。通常认为太阳能电池组件的能量贡献应该在总负载需求的 25%到 75%之间，系统的初始成本和维护成本就会比较低。但是对于不同的实际情况，就需要对整个系统的效率和能量损失进行仔细考虑，对贡献比例加以修正。

　 在确定了燃油发电机发电与太阳能电池组件能量贡献的分配之后，就可以根据负载每年的耗电量，计算出太阳能电池组件的年度供电量和燃油发电机的年度供电量，由太阳能电池组件的年度供电量就可以计算出需要的太阳能电池组件容量，由发电机的年度供电量可以计算出每年的工作时间，从而估算燃油发电机的维护成本和燃油消耗。

　 7)光伏系统倾角的设计 对于独立光伏系统，为了降低蓄电池用量和系统成本，需要在冬季获得最大的太阳能辐照量。这样就需要将太阳能电池组件的倾角设置成比当地纬度大 10°～20°。但是在混合系统中，因为备用油机可以给蓄电池充电，所以可以不考虑季节因素对太阳能电池组件的影响。太阳能电池组件的设计只需要考虑使得太阳能电池组件在全年中的输出功率最大，就可以更为有效地利用太阳能。将太阳能电池组件的倾角设置为当地的纬度就可以得到最大的太阳能辐照量。但是在设计的时候需要注意的一点是，因为在混合系统中使用的蓄电池容量比较小，在太阳辐射较强的夏季对于那些光伏能量贡献占较大比例的光伏系统就有可能无法完全储存太阳能电池组件产生的能量，会造成一定的能量浪费，从而导致系统的 能源利用效率降低，影响系统的经济性。所以实际上，在太阳辐射最好的月份应该将太阳能的贡献比例控制在 90%左右。在某些情况下，在特定的季节对能量贡献有指定的要求，这就需要对太阳能电池组件进行调节。

　 下面通过一个简单实例说明混合系统的设计方法。

　 偏远地区的一个通信基站，用户对柴油发电机的使用没有经验。负载为直流 30A 的连续负载，电压为 48 V。一个 600 W/220 V 的交流负载，不定时使用。安装地点的海拔为 1500 m，夏季的平均温度为 30℃气候很干燥，所以不必考虑湿度对发电机的影响，日平均太阳辐射为 5.5 kWh/m 2 。

　 (1)负载情况，负载的年度耗电量为 30 A×48 V=1440 W 1440 W×24 h=34.56 kWh/d=12 614 kWh/y

　 因为交流负载的工作时间很短，所以可以单独使用一套控制系统，直接将交流负载接在柴油发电机上，也就是将交流负载和直流负载分开供电，又因为直流负载是连续负载，所以系统采用直流总线结构较好。

　(2)总线电压。因为直流负载的电压为 48 V，所以选择直流总线电压为 48 V。

　 (3)蓄电池。因为是混合系统，所以选择自给天数为 3 天，选择深循环蓄电池，DOD 为0.8。

　kWh kWh 75 . 1298 . 036 . 34  

　AhVh270348KW 75 . 129

　可以选择 3000 Ah 的蓄电池，作为自给 3 天的蓄电池容量。蓄电池的最大充电率为 C/5，所以最大充电电流为 A 60053000

　(4)蓄电池充电器和发电机。可以选择 400A 的三相整流器，输入功率为 24 kW。虽然电流比最大允许充电率要低一点，但实际上仍然可以满足适当的蓄电池充电率需要。

　 下面来确定发电机的功率。首先，计算满足 75%～90%负载需要的发电机劝率。

　, 3275 . 024KW 

　 KW 7 . 2690 . 024

　所以发电机功率范围为 26.7 kW～32 kW。

　 考虑海拔和温度的影响：

　温度为

　 -0.36%/℃×(30 - 25)= - 1.8% 海拔为

　  % 0 . 7 900 1500300% 5 . 3    

　总计为

　 1.8%+7.0%=8.8% 额定功率的下降导致发电机功率为

　 KW 3 . 29912 . 07 . 26088 . 0 17 . 26  所以选择 30 kW 的三相柴油发电机。

　 用户若不希望发电机的工作时间过长，可以选择 200 小时作为发电机一年中工作的最长时间（通常一年维修一次）。

　 整流器的输出为

　400 A×48 V=19.2 kW

　 假设系统的额外损失为 10%，蓄电池的总效率为 80%，我们就可以计算出整流器发电机组合的能量输出为

　 200×19.2×0.90×0.80= 2764 kWh/y (5)太阳能电池组件。

　太阳能电池组件将提供余下的能量，为

　12 629 - 2764= 9865 kWh/y 年平均辐射为 5.5 个峰值小时，并假设如下的系数：

　 高温降低因子=0.85；灰尘降低因子=0.9；蓄电池效率= 0.8 太阳能电池组件的计算：

　WP 8030 KWP 03 . 88 . 0 9 . 0 85 . 0 365 5 . 598658 . 0 9 . 0 85 . 0 365(kWh/y) 电量 太阳阳能电池组件年度        天 峰值小时数

　 如果使用 SM50(50 Wp)的太阳能电池组件，那么需要的总组件数为 6 . 160508030

　由于太阳能电池组件的系统电压为 48 V，SM50 的标称系统工作电压为 12 V，所以太阳能电池组件的串联数为 48 V/12 V=4，而并联数为 160.6/4= 40.15≈41，总共 164 块。

　五、思考与练习 1．某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压 48V，该系统有两套设备负载，一套设备工作电流为 15A，每天工作 24h；另一套设备工作电流 4.5A，每天工作 12h。该地区的最低气温是-20℃，最大连续阴雨天数为 6 天，选用深循环型蓄电池，计算蓄电池组的容量和串并联数量及连接方式。

　根据上述条件，并确定最大放电深度系数为 0.6，低温修正系数为 0.7。

　2．某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压 48V，用电量为每天 150Ah，该地区最低的光照辐射是 l 月份，其倾斜面峰值日照时数是 3.5h，选定 125W 太阳能电池组件，其主要参数：峰值功率 l25W、峰值工作电压 34.2v、峰值工作电流 3.65A，计算太阳能电池组件使用数量及太阳能电池方阵的组合设计。

　根据上述条件，并确定组件损耗系数为 0.9，充电效率系数也为 0.9。该系统是直流系统，所以不考虑逆变器的转换效率系数。

　3．设计：（以学者居住地区为准）设计某地区一个小型的离网型光伏发电系统，该光伏系统交流负载功率为 200W，每天工作时间为 10 小时，需要连续 3 个阴雨天正常工作，连续阴雨天之间的间隔天数为 30 天，间隔系数取 0.75；负载标称电压为直流 48V，请为本项目设计太阳能组件阵列与蓄电池组。