小型独立光伏发电系统（4KW)的设计

小型独立光伏发电系统（4KW)的设计

摘要：太阳能光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生资源发电技术,可以有效缓解能源危机。近年来我国政府也相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业发展的政策法规，使得太阳能光伏产业迅猛发展，光伏发电技术和应用水平不断提高，应用范围逐步扩大，我国光伏发电产业的前景十分广阔。本文从用户的实际负载功率出发，根据相应的计算公式，结合负载类型（例如：交流或直流负载）和一些权威气象网站所提供的全年气象资料进行光伏电池板、控制器、逆变器和配电箱以及蓄电池等配件的选型，最终形成整个系统的设计。

关键词：能源     太阳能光伏发电    小型系统    配件选型  

目  录

1   引言··························································5

2   独立光伏发电系统概述··········································7

  2.1 独立光伏发电系统的概念······································7

   2.2.1 结构·····················································8

   2.2.2 工作原理·················································9

3   独立光伏发电系统的设计········································9

  3.1 系统的设计原则、步骤和内容··································9

    3.1.1 系统设计原则············································9

    3.1.2 设计步骤和内容··········································9

  3.2 系统容量的设计·············································10

    3.2.1 数值计算值·············································10

  3.3 太阳能电池组件及方阵的设计·································12

    3.3.1 光伏组件方阵需要考虑的问题·····························12

    3.3.2 太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角·················12

    3.3.3 一般设计方法···········································13

  3.4 直流接线箱的选型···········································16

  3.5 光伏控制器的选型···········································18

  3.6 光伏逆变器的选型···········································19

4    结论························································20

5    致谢························································21

6    参考文献····················································21

1 引言

  自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。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。

  根据《BP世界能源统2005》的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40 多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000 年底的统计， 探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%.我国能源剩余可开采总储量的结构为原煤占58.8%， 原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。

  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。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续1 0 年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999 年以来可再生能源年均增长速度均达到3日%以上。四班牙2003 年风力发电装机占到全机总量的4% ，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%， 瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。

  近年来，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。2009年5月全国财政新能源与节能减排工作会议指出，国家财政要全力支持新能源发展和节能减排工作，重点加快启动国内光伏发电市场、开展节能与新能源汽车示范推广试点等十项工作。

  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。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方丽取得了较快发展，并于2005年2 月28日通过了《再生能源法》，该法已于2006年1月1日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。

图1 我国不同地区的太阳能资源分布图

表1  我国各地区的太阳能资源及分布

序号

地区

年日照时数

年辐射总量

千卡/cm2.年

1

西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部

2800-3300

    160-200

2

西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部

3000-3200

140-160

3

新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部

2200-3000

120-140

4

湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江

1400-2200

100-120

5

四川、贵州

1000-1400

80-100

2  独立光伏发电系统概述

2.1 独立光伏发电系统的概念：

独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由泊机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。

从电力系统来说， kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。

图2独立光伏发电系统组成

2.2 独立光伏发电系统的结构及工作原理

2.2.1 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

2.2.2  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。

3 独立光伏发电系统的设计

3.1  系统的设计原则、步骤和内容

3.1.1 系统设计原则

    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。

3.1.2  设计步骤和内容：

太阳能光伏发电系统的设计步骤和内容如图4所示。

图4 太阳能光伏发电系统设计内容与步骤

3.2 系统容量的设计：

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。

3.2.1 数值计算值

在本章中，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。

蓄电池容量= = =530AH

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= = =590AH

图5 铅酸蓄电池最大放电深度-温度曲线

‚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= = =2   所以蓄电池串联数为2

并联蓄电池数= = =2.95≈3

综上所述：使用江苏恒华公司生产的24V/200AH型胶体蓄电池，蓄电池串联数2，并联3块，连接方式如图6所示。

图6  蓄电池连接示意图

3.3 太阳能电池组件及方阵的设计

3.3.1 光伏组件方阵设计需要考虑的问题

  设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。

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。

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。

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。

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。

3.3.2 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。

    太阳能电池组件（方阵）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。

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。

‚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。

3.3.3 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(安时数)除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量(安时数) ，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。

              并联电池组件数=

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=

  ·并联电池组件数=

    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

  （式中安全系数根据情况在1.1～1.4之间选取。）

    负载日平均耗电量=

    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。

本设计采用金敏品牌JM190M型号的光伏组件，其具体参数如下：

·最大功率：190W

·重量：16kg

·峰值工作电压：36.5V

·峰值工作电流：5.11A

·开路电压：44.5V

·短路电流：5.52A

·最大系统电压：1000V

·产品认证：TUV

·电池数量：72

·外形尺寸：1580*808*50

·额定工作温度：45℃±2℃

图7 组件尺寸图

 表2 南京市太阳能资源数据表

城  市

纬  度

最佳倾角

平均峰值日照时数(h)

水平面年平均辐射量

斜面年辐射量

斜面修正系数Kop

kWh/m2

kJ/cm2

kWh/m2(平均）

南京

32.000

纬度+50

3.94

1328.09

478.12

1440.43

1.0249

根据以上公式可以计算出:

·组件串联数= ≈2

·补充的蓄电池容量=1.2×（4000/48）×4=400AH

·组件并联数= ≈40（两段阴雨天数最短间隔时间选3天）

·电池方阵功率=190×2×40=1.52KW

·电池方阵面积：1.58×0.808×2×40≈110m2

通过计算，需要组件2串40并，共80块。连接方式如图所示：

图8 组件串并联图

3.4 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。图3.4.1所示是直流接线箱的电路图（单路）。

图9 直流接线箱电路示意图（单路）

本设计选用上海新驰电气有限公司生产的汇流箱，其具体参数如下表3所示：

表3汇流箱参数

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

外形尺寸

宽*高*深

630*450*180

重量

15kg

本汇流箱带有防雷功能，因此防雷系统不需要另行设计。

图10 汇流箱实物图

3.5 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。

根据上面的设计中，组件需要并联40组，所以系统的短路电流为

Ioc=5.52×40=220A

    选择合肥赛光电源科技有限公司生产的SSCP-48-220A型号的控制器。

表4 所选控制器参数

型号

SSCP-48-220A

光伏组件总额定功率

9.6kw

额定充电电流

200A

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11 控制器外壳

3.6  光伏逆变器的选型

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。

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。

选用湖北雷特斯科技有限公司生产的TLS-4KVA型逆变器，其技术参数如下：

表5 所选逆变器参数

型号

TLS-4KVA

额定功率

4000W

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12 逆变器

综上所述，本系统需要的设备如下列表所示：

表6 本系统所需的设备数量及价格

设备名称

数量

单价

合计

蓄电池

6

￥750/节

￥4500

组件

1520w

￥5.1/w

￥7752

直流接线箱

1台

￥2300/台

￥2300

控制器

1台

￥1350/台

￥1350

逆变器

1台

￥4460/台

￥4460

其它（电缆等）

——

——

￥15000

工程总投资：￥35362

      以上设备按下图顺序连接：

图13独立光伏发电结构连接系统示意图

结论

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。