离网型光伏系统设计
一．引言
随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。 目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源， 使得新能源和可再生能源在全球升混。
近几年来，光伏产业迅速发展，世界太阳电池年产量在最近十年内保持了30%以上的增速，2007 年年增长率达到了50% ，2008 年年增长率甚至达到了100% ，年产量达到6.5GW ， 大阳电池产量迅速增加的动力来自于世界对太阳能等清洁能源持续增长的需求，2008 年世界光伏系统新装机容量达到5.95 GW ，比200 7年增长了110%。按照目前光伏组件4.5 $/W的价格计算，世界光伏市场规模接近三百亿美元.
新能源是国家“十二五”规划重点要求发展的产业，政策对其扶持力度很大。2009年3月，由科技部、国家发改委等部门联合举办的2009年中国国际节能和新能源科技博览会上集中展示了节能减排和新能源科技的重大成果，引起了国内外的广泛关注。 我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。
二．独立光伏发电系统的结构和工作原理
1. 结构
通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，也可叫做太阳能电池发电系统。尽管太阳能光伏发电系统应用样式多种多样，应用规模跨度也很大，从小到不足一瓦的太阳能草坪灯，大到几百千瓦甚至几兆瓦的大型光伏发电站，但太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理基本相同。其主要结构由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电池（组）、光伏控制器、逆变
器（在有需要输出交流电的情况下使用）以及一些测试、监控、防护等附属设施
构成。
图3 独立型太阳能光伏发电系统工作原理
2. 工作原理
太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下
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，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定
的放电深度时，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。
有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，
甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。
在交流光伏发电系统中， DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满
足交流负载需要的交流电。
三．独立光伏发电系统的设计
1. 设计步骤和内容
（1）用电量需求的分析和计算。
（2）确定光伏发电系统形式。
（3）当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、计算。如：当地经度、纬
度；年最高最低气温；全年太阳能辐射量；平均峰值日照射数；年最长连续阴雨
天数等。
（4）系统容量设计：太阳能电池组件功能和方阵构成的设计与计算；蓄电池 组的容量与组合的设计与计算。
（5）系统设计与配置：控制器的选型与配置；交流逆变器的选型与配置；组件
支架及固定方式与设计；交流配电系统设计；防雷与接地系统配置与设计；监控
和测量系统的配置。
2. 系统容量设计
目标: 优化太阳能电池方阵容量和蓄电池组容量的相互关系，在保证独立光
伏发电系统可靠工作的前提下，达到成本最低。
要求: 首先对当地的太阳能辐照资源、地理及气象数据有尽量详细的了解，
一般要求掌握日平均太阳辐照量、月平均太阳辐照量和连续阴雨天数。
方法: 依据各部件的数理模型，采用计算机仿真，可以拟合出太阳能电池方
阵每小时发电量、蓄电池组充电量和负载工作情况，并预测所需要的太阳能电池
方阵及蓄电池组的容量。
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的
相互关系，然后在特定的供电可靠性要求下，根据成本最低化的原则，确定二者
各自的容量。
3. 数值计算
列如：负载的总耗电量为4000w ·h/d，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 。
①蓄电池容量= 自给天数⨯日平均用电量(AH ) 4000⨯4==530AH 逆变器效率⨯放电深度⨯系统直流电压70%⨯90%⨯48
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℃，所以在此温度下，蓄电池的容量会下降10%左右。
蓄电池实际容量=蓄电池容量530==590AH 温度修正因子90%
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，将蓄电池串
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。
串联蓄电池数=负载标称电压48==2 所以蓄电池串联数为2 蓄电池标称电压24
总蓄电池容量590==2.95≈3 单个蓄电池容量200并联蓄电池数=
四．太阳能电池组件及方阵的设计
1. 太阳能电池组需要注意的问题
（1）设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。
（2）蓄电池长时间处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。
（3）在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度增加。
（4）太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。
（5）由于光照最差季节的光照度大大低于平均值，这样设计的太阳电池组件在一年中的其他时候会远远超过实际需要，而且成本高昂。
2. 太阳能电池组件的方位角和倾斜角
（1） 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。
（2） 太阳能电池组件的方位角与倾斜角的选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。
所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。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。方位角决定了阳光的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。
倾斜角是地平面与太阳能电池组件之间的夹角。倾斜角为00时表示太阳能电池组件为水平设置，倾斜角为900时表示太阳能电池组件为垂直设置。
①太阳能电池方位角的选择：
在我国，太阳能电池的方位角一般选择正南方向，以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址：
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。一般取当地纬度或加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。以下为根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角：
纬度为00～250时，倾斜角等于纬度；
纬度为260～400时，倾斜角等于纬度加上50～100；
纬度为410～550时，倾斜角等于纬度加上100～150；
纬度为550以上时，倾斜角等于纬度加上150～200。
3. 太阳能电池组件的计算方法
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除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量，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。
将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。
基本公式：串联电池组件数=系统工作电压（V ）⨯系数1.431.43是太组件峰值工作电压（V ）
阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。）
并联电池组件数=负载日平均用电量（AH ） 组件日平均发电量（AH ）
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) 。
上面的公式是理论计算，实际应用时还需要考虑其他因素，由于系统需要在连续阴雨天数中工作，综合考虑其它因素后得到的计算公式为：
串联电池组件数=系统工作电压(V ) ⨯系数1.43 选定组件峰值工作电压(V )
并联电池组件数=补充的蓄电池容量+负载日平均耗电量⨯最短间隔天数
组件平均日发电量⨯最短间隔天数
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
负载日平均耗电量=负载功率⨯每天工作小时数 负载工作电压
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，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。）
·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。
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。
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。
5. 逆变器的选型
光伏逆变器选型时一般是跟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。
五．光伏发电的优缺点
相对通常发电手艺，光伏发电具备体积小，无噪音，重量轻，无污染，寿命长，零排放等优点。由于光伏发电是操纵太阳能将太阳能转化为光能，而且可以在荒凉等环境恶劣地域制作。光伏发电体系主要由电子元件构成，没有机械动弹部位，可以无人值守。各个地区差异不是很大，可以建立分布式电站，生产的资源和硅材料比较丰富不受资源分布的限制，可以安装在建筑物上，安装简单成本低。
太阳能光伏发电存在一些待改善的地方，如发生的电力接入电网必须增加无功抵偿设备，还有太阳能光伏发电必须要有太阳光，遭到日夜交替，四时变动，阴晴变动等气象条件影响，太阳能的照耀能量散布密度小，而光伏发电必须占用比例较大的面积。另外，太阳能的转化率还是很低，这也是摆在我国眼前的一道急需解决的大问题。
六．光伏发电的社会经济效益
（1）经济增长收益。由于我国是第三人口大国加上随着社会的进步，家家户户都增添了大量的用电设备，电冰箱、电视机、电脑、空调等大功率设备，加大了供电企业的负担，而大量进行光伏发电能大大减轻能源缺乏的困境，为社会带来更大的经济效益。
（2）就业效益。作为一个人口大国，使得很多人形成了就业困难的局面，然而光伏发电作为一个新兴起的行业这将带动机械设备制造业的发展，为许多的无业群众提供提供了就业机会，同时也将带动社会的经济效益。
七．总结
综上所述，在进行系统设计时，首先应该考虑用户的负载需求量和当地的天气条件等不可变因素，然后选择合适的计算公式计算出系统中各参量值，并且在整个市场中根据最经济和安全的原则广泛地对各类器件选型，从而得出最经济实用的设计。
光伏系统的设计需本着合理性、实用性、高可靠性、和高性价比的原则。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和蓄电池的容量。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。