太陽能光伏電源系統的原理及組成

充放電控制器

充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡單測量功能的電子設備。由于蓄電池組被過充電或過放電後将嚴重影響其性能和壽命，充放電控制器在光伏系統中一般是必不可少的。充放電控制器，按照開關器件在電路中的位置，可分為串聯控制型和分流控制型；按照控制方式，可分為普通開關控制型（含單路和多路開關控制）和PWM脈寬調制控制型（含最大功率跟蹤控制器）。 開關器件，可以是繼電器，也可以是MOSFET模塊。但PWM脈寬調制控制器, 隻能用MOSFET模塊作為開關器件。

直流/交流逆變器

逆變器是将直流電變換成交流電的電子設備。由于太陽能電池和蓄電池發出的是直流電，當負載是交流負載時，逆變器是不可缺少的。逆變器按運行方式， 可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電 池發電系統，為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統, 将發出的電能饋入電網。逆變器按輸出波形，又可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器，電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對 諧波要求不高的系統。正弦波逆變器，成本高，但可以适用于各種負載。從長遠 看，SPWM脈寬調制正弦波逆變器将成為發展的主流。

蓄電池組

其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時所發出的電能并可随時向負載供電。太陽能電池發電系統對所用蓄電池組的基本要求是：（1）自放電率低；（2） 使用壽命長；（3）深放電能力強；（4）充電效率高；（5）少維護或免維護；（6）工作 溫度範圍寬；（7）價格低廉。

目前我國與太陽能電池發電系統配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和镉鎳蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業密封免維護鉛酸蓄電池；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池。

測量設備

對于小型太陽能電池發電系統，隻要求進行簡單的測量，如蓄電池電壓和充 放電電流，測量所用的電壓和電流表一般裝在控制器面闆上。對于太陽能通信電 源系統、陰極保護系統等工業電源系統和大型太陽能發電站，往往要求對更多的 參數進行測量，如太陽能輻射量、環境溫度、充放電電量等，有時甚至要求具有 遠程數據傳輸、數據打印和遙控功能，這時要求為太陽能電池發電系統應配備智能化的“數據采集系統”和“微機監控系統”。

太陽能光伏電源系統的設計

太陽能光伏電源系統的設計分為軟件設計和硬件設計，且軟件設計先于硬件設計。軟件設計包括：負載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優化設計，太陽能電池方陣安裝傾角的計算，系統運行情況的預測和系統經濟效益的分析等。硬件設計包括: 負載的選型及必要的設計,太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設計, 逆變器的選型和設計，以及控制、測量系統的選型和設計。對于大型太陽能電池 發電系統，還要有方陣場的設計、防雷接地的設計、配電系統的設計以及輔助或 備用電源的選型和設計。軟件設計由于牽涉到複雜的輻射量、安裝傾角以及系統 優化的設計計算，一般是由計算機來完成；在要求不太嚴格的情況下，也可以釆 取估算的辦法。

⑴太陽能輻射原理：

太陽電池發電的全部能量來自于太陽，也就是說，太陽電池方陣面上所獲 得的輻射量決定了它的發電量。太陽電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多 因素有關：當地的緯度，海拔，大氣的污染程度或透明程度，一年當中四季的 變化，一天當中時間的變化，到達地面的太陽輻射直、散分量的比例，地表面 的反射系數，太陽電池方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽電池方 陣表面的清潔程度等。要想較為準确地推算出太陽電池方陣面上所獲得的輻射量，必須對太陽輻射的基本概念有所了解。

太陽輻射的基本定律

太陽輻射的直散分離原理、布格一朗伯定律和餘弦定律是我們所要了解的三條最基本的定律。

直散分離原理：

大地表面（即水平面）和方陣面（即傾斜面）上所接收到的輻射量均符合直 散分離原理，隻不過大地表面所接收到的輻射量沒有地面反射分量，而太陽電池 方陣面上所接收到的輻射量包括地面反射分量：

Qp = Sp Dp Qt = St Dt Rt

Qp：水平面總輻射

Sp:水平面直接輻射

Dp:水平面散射輻射

Qt :傾斜面總輻射

St：傾斜面直接輻射

Dt：傾斜面地面反射

布格•朗伯定律：

Sd'= S0Fm

So :太陽常數1350W/m2

Sd'：直接輻射強度

F:大氣透明度

m:大氣質量 m=1/Sina x P/Po

a:太陽高度角

Po:标準大氣壓

Sina = Sin（|）Sin8 Cos（|）Cos SCosco

5:太陽赤緯角

5=23.5Sin（360*（284 N）/365）

（|）：當地緯度（0 — 90 ）

co：時角（地球自轉一周360度，24小時）

15度/小時或 4分鐘/度

餘弦定律：

Sp' = Sd' Sina

Sf= Sd'COSO

Dt' = Dp'（1 CosZ）/2

Rt，= Qp'（1・CosZ）/2

Qt = St Dt Rt

⑵ 太陽電池發電系統的設計（以某高山氣象站為例）:

當地氣象地理條件：由當地氣象部門提供前10年的平均數據。

緯度：北緯30-45度

經度：東經90-120度

海拔：1000-4000 米

最長陰雨天：3天

水平面全年總輻射量為：165千卡/厘米2。

太陽電池方陣面上的總輻射為180千卡/厘米2。

負載情況

電源系統容量設計步驟：

① 太陽電池組件的選型：

太陽電池選用秦皇島華美光伏電源系統有限公司的組件 型号為：33D1312X310

開路電壓：21V

短路電流：2. 4A

峰值電壓：17V

峰值電流：2. 235A

峰值功率：38 Wp

② 計算等效的峰值日照時數：

全年峰值日照時數為:180000X0.0116=2088小時

0.0116為将輻射量(卡/cm?)換算成峰值日照時數的換算系數：

峰值日照定義：100毫瓦/cm2=0. 1瓦/cn)2

1卡=4. 18焦耳=4. 18瓦秒 1小時二3600秒

則：1 卡/cm2=4. 18 瓦秒/卡/(3600 秒/小時 X0.1 瓦/cm2) =0.0116 小時 cnf/卡 于是：180000卡/cm?年X0. 0116小時cm?/卡=2088小時/年

平均每日峰值日照時數為：20884-365=5. 72小時/日

③ 根據系統工作電壓等級确定太陽電池組件的串聯數：

系統工作電壓•般選擇原則:戶用系統為12VDC或24VDC；通信系統為48VDC； 電力系統為110VDC；大型電站為220VDC%或更高。

每塊标準組件峰值電壓為17V,設計為對12V蓄電池充電，4塊組件串聯對48V 蓄電池充電，因此，所需太陽電池的串聯數為4塊。

④ 計算每日負載耗電量為：4300Wh 48V=89.6Ah

⑤ 計算所需太陽電池的總充電電流為：

89. 6AhX 1. 02/(5. 72hX0.9X0. 8) =22. 19A

其中：0.9:蓄電池的充電效率

0.8:逆變器效率

1.02: 20年内太陽電池衰降，方陣組合損失，塵埃遮擋等綜合系數。

⑥ 計算所需太陽電池的并聯數為：

22. 19A4-2. 235A/塊=10 塊

⑦ 計算所需太陽電池的總功率為：

(10X4)塊X38峰瓦/塊=1520峰瓦

⑧ 計算所需蓄電池容量：

蓄電池選用江蘇雙登全密封閥控式工業用鉛酸蓄電池

89. 6Ah/天X3天（連續陰雨天數）：0. 68=400Ah

0. 68:蓄電池放電深度。

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