光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算
光伏系統(tǒng)的規(guī)模和應(yīng)用形式各異,如系統(tǒng)規(guī)模跨度很大,小到幾瓦的太陽能庭院燈,大到MW級的太陽能光伏電站。其應(yīng)用形式也多種多樣,在家用、交通、通信、空間應(yīng)用等諸多領(lǐng)域都能得到廣泛的應(yīng)用。盡管光伏系統(tǒng)規(guī)模大小不一,但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。
太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。各部分的作用為:
(一)太陽能電池板:太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分,也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值較高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能,或送往蓄電池中存儲起來,或推動負(fù)載工作。
(二)太陽能控制器:太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng);
(三)蓄電池:一般為鉛酸電池,小微型系統(tǒng)中,也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來,到需要的時候再釋放出來。
(四) 逆變器:在很多場合,都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能,需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能,因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合,需要使用多種電壓的負(fù)載時,也要用到DC-DC逆變器,如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能(注意,不是簡單的降壓)。
光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括兩個方面:容量設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。
在進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前,需要了解并獲取一些進(jìn)行計(jì)算和選擇必需的基本數(shù)據(jù):光伏系統(tǒng)現(xiàn)場的地理位置,包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔;該地區(qū)的氣象資料,包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量,年平均氣溫和較高、較低氣溫,較長連續(xù)陰雨天數(shù),較大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。
蓄電池的設(shè)計(jì)包括蓄電池容量的設(shè)計(jì)計(jì)算和蓄電池組的串并聯(lián)設(shè)計(jì)。首先,給出計(jì)算蓄電池容量的基本方法。
(1)基本公式
I.第一步,將每天負(fù)載需要的用電量乘以根據(jù)實(shí)際情況確定的自給天數(shù)就可以得到初步的蓄電池容量。
II. 第二步,將第一步得到的蓄電池容量除以蓄電池的允許較大放電深度。因?yàn)椴荒茏屝铍姵卦谧越o天數(shù)中完全放電,所以需要除以較大放電深度,得到所需要的蓄電池容量。較大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中選擇使用的蓄電池的性能參數(shù),可以從蓄電池供應(yīng)商得到詳細(xì)的有關(guān)該蓄電池較大放電深度的資料。通常情況下,如果使用的是深循環(huán)型蓄電池,推薦使用80%放電深度(DOD);如果使用的是淺循環(huán)蓄電池,推薦選用使用50%DOD。設(shè)
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數(shù);
NL為較長連續(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。
下面我們介紹確定蓄電池串并聯(lián)的方法。每個蓄電池都有它的標(biāo)稱電壓。為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓,我們將蓄電池串聯(lián)起來給負(fù)載供電,需要串聯(lián)的蓄電池的個數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo)稱電壓。
陽電池組件設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。計(jì)算太陽電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量(安時數(shù))除以一塊太陽電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量(安時數(shù)),這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的太陽電池組件數(shù),使用這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電流。將系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓除以太陽電池組件的標(biāo)稱電壓,就可以得到太陽電池組件需要串聯(lián)的太陽電池組件數(shù),使用這些太陽電池組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓?;居?jì)算公式如下:
并聯(lián)的組件數(shù)量=日平均負(fù)載(AH)/ 組件日輸出(AH) 串聯(lián)組件數(shù)量=系統(tǒng)電壓(V)/組件電壓(V)
以上都是沒有修正過的公式.以下公式供參考
太陽能電池方陣設(shè)計(jì):
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc(2)
式中:UR為太陽能電池方陣輸出較小電壓;
Uoc為太陽能電池組件的較佳工作電壓;
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。
太陽能電池組件并聯(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將太陽能電池方陣安裝地點(diǎn)的太陽能日輻射量Ht,轉(zhuǎn)換成在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時數(shù)H(日輻射量參見表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)下的平均日輻射時數(shù)的系數(shù)。
②太陽能電池組件日發(fā)電量Qp
Qp=Ioc×H×Kop×Cz(Ah) (4)
式中:Ioc為太陽能電池組件較佳工作電流;
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。
③兩組較長連續(xù)陰雨天之間的較短間隔天數(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間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來,需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為:
Bcb=A×QL×NL (Ah) (5)
④太陽能電池組件并聯(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)的太陽能電池組組數(shù),在兩組連續(xù)陰雨天之間的較短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量,不僅供負(fù)載使用,還需補(bǔ)足蓄電池在較長連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。
(3)太陽能電池方陣的功率計(jì)算
根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù),即可得出所需太陽能電池方陣的功率P:
P=Po×Ns×NpW(7)
式中:Po為太陽能電池組件的額定功率。
一個真正好的設(shè)計(jì)人員具體要考慮以下因素:
1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用?該地日光輻射情況如何?
2、系統(tǒng)的負(fù)載功率多大?
3、系統(tǒng)的輸出電壓是多少,直流還是交流?
4、系統(tǒng)每天需要工作多少小時?
5、如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣,系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天?
6、負(fù)載的情況,純電阻性、電容性還是電感性,啟動電流多大?
7、系統(tǒng)需求的數(shù)量。