獨立光伏發電系統設計

鄒壬風

摘 要：光伏發電技術的進步，促進了獨立光伏發電系統的推廣應用。本文針對獨立光伏發電系統設計要點，討論了獨立光伏發電系統的設計過程，并介紹了光伏電池系統的經濟效益評估方法。

關鍵詞：獨立光伏系統 方陣容量 最佳傾角 蓄電池容量

獨立光伏發電系統為獨立于公共電力網之外運行的光伏發電系統，其特征為用蓄電池存儲電能，夜晚蓄電池釋放電能供用電器使用。近年來，隨著光伏電池組件成本的降低，光伏發電系統的應用已成為一種趨勢。本文討論了獨立光伏發電系統設計時電池方陣傾角選擇、方陣前后距離、日峰值日照時數、光伏電池容量、蓄電池組容量計算，并評估了電池的經濟效益。

一、光伏電池方陣傾斜角

光伏電池方陣的傾斜角指光伏電池方陣平面與水平面的夾角。合理設計光伏電池方陣的傾斜角有利于降低系統成本。因此，確定光伏電池方陣的最優傾斜角是系統設計的一個重要環節 。一般來說，我國南方地區（緯度低于30°），方陣的傾斜角可取當地緯度增加10°～15°。北方地區，方陣的傾斜角可在當地緯度的基礎上增加5°～10°，較高緯度地區，增加的角度可小一些；海拔較高地區，傾斜角一般等于當地緯度。

二、光伏電池方陣前后距離

合理計算太陽能光伏電池方陣前后距離，可以有效節省用地，提高光能利用率。光伏電池方陣前后距離為：

D=0.707H/tan[arcsin（0.648cosф-0.399sinф）]

式中：ф為緯度，H為光伏電池方陣或遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差。

三、每日峰值日照時數

在系統設計時，我們要詳細了解當地的每日峰值日照時數，據此數據來設計光伏電池方陣的大小。假設光伏電池方陣安裝點太陽能年輻射量為5404.9 MJ/m2，且方陣上的輻射量比水平面的輻射量高5%～15%不等，故方陣上的年平均輻射量大概為5945.4MJ/m2。

則年峰值日照小時數為：5945.4/（3.6×365）=4.5h

四、光伏電池容量

光伏電池容量設計應按近期負載負荷的容量配置，在設計時我們應收集光伏電池組件特性和安裝點的經度、緯度、標高及近十年來的氣象參數，還有安裝點要求的電流、電壓和每日用電時數。

在光伏電池容量設計時，組件串聯數為，并取整數。

式中：為蓄電池組的浮充電壓，取值應符合表1。

表1 蓄電池組浮充最小電壓

蓄電池組 6V 12V 24V

7V 14V 28V

為線路壓降和防反充二極管的壓降總和；

?Vt為光伏電池由溫升引起的壓降；

為標準光強下單個組件的輸出電壓。

組件并聯數為，并取整數。

式中：為負載日平均耗電容量；

為標準強光時單個組件的輸出電流；

為年平均日照時數；

為蓄電池組充電效率的溫度修正系數，取值應符合表2。

表2 蓄電池組充電效率的溫度修正系數

環境溫度（℃） 充電效率（%）

0 90 1.11

-5 70 1.43

-10 62 1.62

光伏電池方陣組件數為，

其總功率為。

五、蓄電池容量

獨立光伏發電系統需保證在連續多天無日光照射時，仍然可向負載持續供電一段時間，因此應選用耐過充、過放性能良好的蓄電池，并合理計算其容量：

式中：為蓄電池組附加容量，按光伏電池方陣年發電總量低于負載耗電量月份的累加值計算；

為最長連續無日照天數（d）；

為負載的日用電量（Ah/d）；

為環境溫度的修正系數，取值應符合表3。

表3 蓄電池充電修正系數表

環境溫度（℃） 40 25 10 0 -10 -20

1 1 1.02 1.05 1.09 1.2

六、經濟效應評估

光伏電池的光電轉換效率約為15%，電池組件衰減方陣組合損失等綜合效率為90%，逆變器轉化效率為95%。以英利TCYL-180WP為例，一塊電池組件面積為：

S1=1.58×0.806=1.27m2

四個組件組成的光伏方陣面積為：S=S1×4=5.09m2，則電池的年總功率為：

Q=5.09×5945.4×15%×95%×90%=3881.1MJ

=1078.1kWh。

參考文獻：

[1]李迎軍，劉祖明等.不同方位角光伏方陣的最佳傾角[C].中國第六屆光伏會議論文集，2000.

（作者單位：江西冶金職業技術學院）