太阳能光伏发电系统容量设计

一、容量设计步骤

（1）根据投资情况确定是只解决生活用电，还是也考虑生产用用电。

（2）填写表1-1，统计当地居民的基本负荷、负载的数量，应当考虑今后5年的负荷增长。

表1-1 负载情况统计表

（4）画出系统配置框图

二、太阳能电池方阵容量计算

1.太阳能电方阵倾角的确定

如果采用计算机辅助设计软件，应当进行太阳能电池方阵倾角的优化计算，要求在最佳倾角时冬天和夏天辐射量的差异尽可能小，而全年总辐射量尽可能大，二者应当兼顾。这对于高纬度地区尤为重要，高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大（我国黑龙江省相差约5倍）。如果按照水平面辐射量进行设计，则蓄电池的冬季会储量要远远大于阴雨天的存储量，造成蓄电池的设计容量和投资都加大。选择了最佳倾角，太阳能电池方阵面上的冬夏季辐射量之差就会变小，蓄电池的容量也可以减少，系统造价降价，设计更为合理。

如果不用计算机进行倾角优化设计，也可以根据当地纬度由下列关系粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角：

纬度0°～25°,倾角等于纬度;

纬度26°～40°,倾角等于纬度加5°～10°；

纬度41°～55°,倾角等于纬度加 10°～15°；

纬度>55°,倾角等于纬度加15°～20°；

2.由水平辐射量计算太阳能电池方阵平面上的辐射量

一般来讲，太阳能电池方阵面上的辐射量要比水平面的辐射量高5%～15%不等；纬度越高，倾斜面比水平面增加的辐射量越大。最后要将辐射量换算成每日的峰值日照。换算公式如下：

如果辐射量的单位是cal/cm²,则：

峰值日照小时数=辐射量×0.0116

0.0116为将辐射量（cal/cm²）换算成峰值日照时数的换算系数：

峰值日照定义：100mW/cm²=0.1W/cm²

1cal=4.1868J=101868Ws  1h=3600s

则：1cal/cm²=4.1868Ws/cal(3600s/h×0.1W/cm²)=0.0116hcm²/cal

例如：假定某地年水平辐射量为135kcal/cm²,方阵面上辐射量为148.5kcal/cm²,则年峰值日照小时数为：

148500×0.0116=1722.6h,每日的峰值日照时数为

1722.6÷365=4.7h

如果辐射量的单位是MJ/m²,则

峰值日照小时数=辐射量×0.0116（换算系数）

例如：假定某地年水平辐射量为53MJ/m²,方阵面上辐射量为6207MJ/m²,则年峰值日照小时数为：

6207÷3.6=1724h,每日的峰值日照时数为：

1724h÷365=4.7h

(注：3.6也是单位换算系数，读者可以根据上面给出的关系自己推导)

3.根据辐射量和负载数据计算太阳能电池组件的用量、蓄电池的用量以及控制器、逆变器和其他设备的容量

计算时应当确定系统的直流电压和交流输出电压。

4.太阳能电池方阵容量的计算

首先确定太阳电池的生产厂家和技术参数。如：生产厂家：Photowatt;型号：PW500；最大功率：47.5Wp；工作电压：17.0V（为12V蓄电池充电）；工作电流：2.8A。

太阳能电池组件串联数=系统直流电压（蓄电池电压）/12V

如果系统电压为220V，则太阳能电池组件串联数为220/12≈18块

太阳能电池组件的并联数=负载日耗电（W·h）/系数直流电压（V）/日峰值日照/系统效率系数/太阳能电池组件工作电流

例如：负载日耗电10kW·h,太阳能电池组件的并联数为：

      10000÷220÷4.7÷（0.9×0.9×0.85）÷2.8=5块

式中  0.9—蓄电池的库仑充电效率；

      0.85—逆变器效率；

      0.9—20年内太阳能电池组件衰降、方阵组合损失、尘埃遮挡等综合系数。上述系数可以根据实际情况进行调整。

太阳能电池方阵的总功率=18×5×47.5=4275Wp

三、蓄电池容量计算

先根据当地阴雨天情况确定选用的蓄电池类型和蓄电池的存储天数，如是开口电池还是密封电池，是12V电池还是2V电池，放电深度是多少，存储天数是多少。

蓄电池串联数=系统直流电压÷蓄电池电压

蓄电池安时数=

例如：负载日耗电10kW·h,选用2V密封蓄电池，设计放电深度50%，蓄电池存储天数为3d,则

蓄电池串联数=220/2=110只

蓄电池安时数=10000÷220×3÷0.85÷0.5=320Ah

如果太阳辐射数据是给出的各月多年平均值，则也应计算出太阳能电池方阵面上的各月辐射量；如果是用计算机辅助设计软件进行计算，应当优选太阳能电池方阵的最佳倾角，并将不同方阵倾角对全年辐射量变化的影响以直观的一族曲线绘出。确定了方阵的最佳倾角（要求冬天和夏天辐射量的差异尽可能小，而全年总辐射量尽可能大）后，应当在一张图上绘出全年负荷变化、蓄电池容量变化和年发电量变化曲线，以便于直观判断容量设计的全理性。

四、太阳能电池方阵和蓄电池容量的设计实例

1.当地气象地理条件：

北纬30°～45°；东经90 °～120°；海拔高度为1000～4000m；最长阴雨天为3d；水平面全年总辐射量为165kcal/cm²；太阳能电池方阵面上的总辐射为180kcal/cm²。

2．各种负载的数量和耗电量，如表1-2所列。

表1-2  各种负载的数量和耗电量计算

根据负载功率确系统的直流电压（即蓄电池的电压）。确定的原则是：①在条件允许的情况下，、尽量提高系统电压，以减少线路损失；② 直流电压的选择要符合我国直流电压的标准等级，即12V、24V、48V等；③直流电压的上限最好不要超过300V，以便是选择元器件和充电电源。对于上述系统可选用48V直流。

4.太阳能电池方阵容量设计

（1）太阳能电池组件选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的产品，其型号为：33D1312×310，开路电压为21V，短路电流为2.4A，峰值电压为17V，峰值电流为2.235A，峰值功率为38Wp。

（2）全年峰值日照时数为180000×0.0116=2088h，于是180000cal/cm²·a0.0116hcm²/cal=2088h/a,平均每日峰值日照时数为2088÷365=5.72h/d

（3）每块标准组件设计为12V蓄电池充电，4块组件串联为48V蓄电池充电，因此，所需太阳能电池组件的串联数为4块。

（4）每日负载耗电量为4300W·h÷48V=.6Ah

（5）所需太阳能电池组件的总充电电流为:

.6Ah×=22.19A

式中  0.9—蓄电池的充电效率；

      0.85—逆变器效率；

      1.02—20年内太阳能电池组件衰降、方阵组合损失、尘埃遮挡等综合系数。

     （6）所需太阳能电池方阵组件的并联数为：

22.19A÷2.235A/块=10块

      （7）太阳能电池方阵的总功率为：

（10×4）块×38Wp/块=1520Wp

5.蓄电池容量设计

选用山东圣阳电源有限公司生产的阀控式全密封铅酸蓄电池（太阳能专用蓄电池）。

计算式为：Ah/d×3d÷0.68=400Ah

式中  0.68—蓄电池的放电深度

选用GFM-400型蓄电池（10h放电率的额定容量为400Ah）4只（48V）。

五、太阳能电池方阵前后间距的计算

当伏电站功率较大时，需要前后排布置太阳能电池方阵。当太阳电池方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离。

一般的确定原则为：冬至当天早9：00至下午3：00，太阳能电池方阵不应被遮挡。计算公式如下：

光伏方阵间距或可能遮挡物与方阵底边的垂直距离应不小于D：

D=

式中  Φ—纬度（在北半球为正、在南半球为负）；

      H—光伏方阵或遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差。