獨立光伏電源系統設計方法??

1引言

經過光伏工作者們堅持不懈的努力，太陽能電池的生產技術不斷得到提高，并且日益廣泛地應用于各個領域。特別是郵電通信方面，由于近年來通信行業的迅猛發展，對通信電源的要求也越來越高，所以穩定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領域。而如何根據各地區太陽能輻射條件，來設計出既經濟而又可靠的光伏電源系統，這是眾多專家學者研究已久的課題，而且已有許多卓越的研究成果，為我國光伏事業的發展奠定了堅實的基礎。筆者在學習各專家的設計方法時發現，這些設計僅考慮了蓄電池的自維持時間（即最長連續陰雨天），而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復時間（即兩組最長連續陰雨天之間的最短間隔天數）。這個問題尤其在我國南方地區應引起高度重視，因為我國南方地區陰雨天既長又多，而對于方便適用的獨立光伏電源系統，由于沒有應急的其他電源保護備用，所以應該將此問題納入設計中一起考慮。

本文綜合以往各設計方法的優點，結合筆者多年來實際從事光伏電源系統設計工作的經驗，引入兩組最長連續陰雨天之間的最短間隔天數作為設計的依據之一，并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素，提出了太陽能電池、蓄電池容量的計算公式，及相關設計方法。

2影響設計的諸多因素

太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜、光強受到大氣層厚度（即大氣質量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。

太陽能電池方陣的光電轉換效率，受到電池本身的溫度、太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響，而這三者在一天內都會發生變化，所以太陽能電池方陣的光電轉換效率也是變量。

蓄電池組也是工作在浮充電狀態下的，其電壓隨方陣發電量和負載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環境溫度的影響。

太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、質量等也關系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。

負載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無人氣象站等，有固定的設備耗電量。而有些設備如燈塔、航標燈、民用照明及生活用電等設備，用電量是經常有變化的。

因此，太陽能電源系統的設計，需要考慮的因素多而復雜。特點是：所用的數據大多為以前統計的數據，各統計數據的測量以及數據的選擇是重要的。

設計者的任務是：在太陽能電池方陣所處的環境條件下（即現場的地理位置、太陽輻射能、氣候、氣象、地形和地物等），設計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統既要講究經濟效益，又要保證系統的高可靠性。

某特定地點的太陽輻射能量數據，以氣象臺提供的資料為依據，供設計太陽能電池方陣用。這些氣象數據需取積累幾年甚至幾十年的平均值。

地球上各地區受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區的太陽能電池方陣的發電量也有24h的周期性的變化，其規律與太陽照在該地區輻射的變化規律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發電量。如果有幾天連續陰雨天，方陣就幾乎不能發電，只能靠蓄電池來供電，而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補充好。設計者多數以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時數的平均值作為設計的主要數據。由于一個地區各年的數據不相同，為可靠起見應取近十年內的最小數據。根據負載的耗電情況，在日照和無日照時，均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽能總輻射量或總日照時數對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數據。

對太陽能電池方陣而言，負載應包括系統中所有耗電裝置（除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等）的耗量。

方陣的輸出功率與組件串并聯的數量有關，串聯是為了獲得所需要的工作電壓，并聯是為了獲得所需要的工作電流，適當數量的組件經過串并聯即組成所需要的太陽能電池方陣。

3蓄電池組容量設計

太陽能電池電源系統的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態下，其電壓隨方陣發電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護簡單。

（1）蓄電池的選用

能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池，因為其固有的“免”維護特性及對環境較少污染的特點，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經常維護及其環境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價格較高，僅適用于較為特殊的場合。

（2）蓄電池組容量的計算

蓄電池的容量對保證連續供電是很重要的。在一年內，方陣發電量各月份有很大差別。方陣的發電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據之一。同樣，連續陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以，這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。

因此，蓄電池的容量BC計算公式為：

BC=A×QL×NL×TO／CCAh(1)

式中：A為安全系數，取1.1～1.4之間；

QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數；

NL為最長連續陰雨天數；

TO為溫度修正系數，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。

4太陽能電池方陣設計

（1）太陽能電池組件串聯數Ns

將太陽能電池組件按一定數目串聯起來，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽能電池組件的串聯數必須適當。串聯數太少，串聯電壓低于蓄電池浮充電壓，方陣就不能對蓄電池充電。如果串聯數太多使輸出電壓遠高于浮充電壓時，充電電流也不會有明顯的增加。因此，只有當太陽能電池組件的串聯電壓等于合適的浮充電壓時，才能達到最佳的充電狀態。

計算方法如下：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）

式中：UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓；

Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓；

Uf為蓄電池浮充電壓；

UD為二極管壓降，一般取0.7V；

UC為其它因數引起的壓降。

表1我國主要城市的輻射參數表

蓄電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數有關，應等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯的電池數。

（2）太陽能電池組件并聯數Np

在確定NP之前，我們先確定其相關量的計算方法。

①將太陽能電池方陣安裝地點的太陽能日輻射量Ht，轉換成在標準光強下的平均日輻射時數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準光強（1000W/m2）下的平均日輻射時數的系數。

②太陽能電池組件日發電量Qp

Qp=Ioc×H×Kop×CzAh(4)

式中：Ioc為太陽能電池組件最佳工作電流；

Kop為斜面修正系數（參照表1）；

Cz為修正系數，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.8。

③兩組最長連續陰雨天之間的最短間隔天數Nw，此數據為本設計之獨特之處，主要考慮要在此段時間內將虧損的蓄電池電量補充起來，需補充的蓄電池容量Bcb為：

Bcb=A×QL×NLAh(5)

④太陽能電池組件并聯數Np的計算方法為：

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)

式（6）的表達意為：并聯的太陽能電池組組數，在兩組連續陰雨天之間的最短間隔天數內所發電量，不僅供負載使用，還需補足蓄電池在最長連續陰雨天內所虧損電量。

(3)太陽能電池方陣的功率計算

根據太陽能電池組件的串并聯數，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。

5設計實例

以廣州某地面衛星接收站為例，負載電壓為12V，功率為25W，每天工作24h，最長連續陰雨天為15d，兩最長連續陰雨天最短間隔天數為30d，太陽能電池采用云南半導體器件廠生產的38D975×400型組件，組件標準功率為38W，工作電壓17.1V，工作電流2.22A，蓄電池采用鉛酸免維護蓄電池，浮充電壓為（14±1）V。其水平面太陽輻射數據參照表1，其水平面的年平均日輻射量為12110（kJ/m2），Kop值為0.885，最佳傾角為16.13°，計算太陽能電池方陣功率及蓄電池容量。

（1）蓄電池容量Bc

Bc=A×QL×NL×To/CC

=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75

=1200Ah

（2）太陽能電池方陣功率P

因為：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋UC）/Uoc

=（14＋0.7＋1）/17.1=0.92≈1

Qp=Ioc×H×Kop×Cz

=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.8

≈5.29Ah

Bcb=A×QL×NL

=1.2×(25/12)×24×15=900Ah

QL=(25/12)×24=50Ah

Np=（Bcb＋Nw×QL）/(Qp×Nw）

=(900＋30×50)/(5.29×30)≈15

故太陽能電池方陣功率為：

P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W

（3）計算結果

該地面衛星接收站需太陽能電池方陣功率為570W，蓄電池容量為1200Ah。