獨立光伏電源系統設計方法

陳 濤

（蘇州中來民生能源有限公司，上海 201613）

0 引 言

伴隨近幾年通信行業的高速發展，社會對通信電源也提出更高要求，即要求通信電源需具備較強的可靠性、穩定性，因此，太陽能電源在通信領域中得以廣泛應用。實際應用過程中，如何參照區域條件，設計穩定且經濟的獨立光伏電源系統，對于保障通信穩定性而言具備重要意義。此外，本設計中將陰雨天氣下蓄電池工作狀態納入考慮范圍內。此也為本設計獨特之處，為維持通信電源穩定性提供了進一步保障。

1 獨立光伏電源系統作用原理及系統簡介

1.1 獨立光伏電源系統作用原理

自然光照射時，因光照輻射角度差異，使得太陽能電池板所采集的能量也各有不同。當太陽光以垂直角度照射于某平面時，假設截面面積為1 m2，此時入射角θ即為0°，太陽光能則會分散于截面面積內。若入射角θ為0°～90°，能量保持不變，太陽光能分散面積同入射角幅度相關，即1/cosθm2。當能量滿足相應數值時，輻射數值將會伴隨單位面積增加而增加。如以θ角照射，此時單位面積內所接收的能量主要受到θ角幅度大小影響，同垂直入射時相比，是垂直入射的cosθ倍。當自然光以85°角照射時，所接收能量大小同垂直照射時相比，差異較大，僅為1/12。由這些內容可知，自然光照射角度差異將會導致收集能量的差異。為獲取更多能量，應盡量將光照接收面同自然光照射角度間保持垂直狀態。完成能量收集后，光伏電源可通過半導體效應，將電器及機械設備無法直接使用能量轉變為電能。這些電能可以作為儲能裝置的備用存儲，也可以直接被負載使用[1]。

1.2 獨立光伏電源系統簡介

獨立光伏電源系統主要由負載、充放電控制裝置、蓄電池及光伏陣列等構成。此系統中，光伏陣列主要起到光電轉換作用；充放電控制裝置主要負責將由光伏陣列所供給的電能轉化為可供負載或蓄電池充電直接使用的電壓等級。當光伏陣列所供給電能不足時，控制裝置將會借助釋放蓄電池所存儲電能為負載輸送電能。伴隨科學技術不斷進步，控制裝置功能也隨之不斷健全，如在裝置中已增設逆變器功能，可實現交流電源的供給，獨立電源系統應用范圍得以進一步擴大。因尚未具備外部能源供給渠道，因此在設計過程中，還應對負載能耗、蓄電池、光伏陣列幾者間的平衡關系加以考慮。光伏陣列輸出功率在實際運行過程中受天氣因素影響較大，所以配置蓄電池時應對所處地域的負載能耗需求、持續陰雨天數加以考慮。此外，為保障獨立電源系統正常運行，并確保系統所產生成本效益，需定量評估性能。結合地理條件、負載功耗對系統配置要求加以明確，并選用適宜系統，同時還應采用仿真驗證系統對獨立光伏系統運行性能加以驗證[2]。

2 獨立光伏電源系統設計方法

2.1 蓄電池組容量設計方法

蓄電池為獨立光伏電源系統中能量的重要儲存裝置，同光伏陣列配套的蓄電池工作狀態多為浮充狀態，蓄電池電壓伴隨負載用電量、陣列發電量的改變而產生變動。蓄電池容量要遠大于負載所需電量。此外，環境溫度也會對蓄電池所提供能量產生影響，為匹配光伏電池，對蓄電池日常維護、使用壽命均提出一定要求。因此，蓄電池的合理選取尤為必要。目前，可匹配光伏電池的蓄電池種類眾多，堿性鎳鎘蓄電池、普通鉛酸蓄電池、鉛酸免維護蓄電池為使用較為普遍的3 種蓄電池類型。其中，鉛酸免維護蓄電池因具備對環境污染小、“免”維護等優勢在國內應用范圍更加廣泛，在性能可靠的光伏電源系統中可起到良好應用效果，尤其在無人值守的工作站中應用效果更為顯著。蓄電池類型明確后，則應對蓄電池組容量加以計算[3]。為確保連續供電科學，計算蓄電池容量尤為必要。因蓄電池容量存在限制，如在日輻照量較高的期間內，蓄電池將會處于飽和狀態中，若處于日輻照量較低期間內，蓄電池應負責向負載供給能耗，而為保障蓄電池電能供給充足，探尋最佳蓄電池容量具備重要意義。陣列發電量在不同月份均各有不同，當陣列發電量無法滿足用電需求時，應以蓄電池電能予以供給。而當陣列發電量高于用電需求時，蓄電池則可儲存多余電能。由此可見，設計蓄電池容量的重要依據即為陣列發電量的過剩值、不足值。此外，蓄電池還應負責連續陰雨天時負載用電需求的供給。因此，設計蓄電池容量時，還應將此階段的能耗納入計算范圍[4]。由此，設計蓄電池容量Bc計算公式如下：

其中，A表示安全系數，取值范圍在1.1～1.4；QL表示負載日均耗電量，為工作電流×每日工作小時數所得；NL表示陰雨天最長連續天數；TO表示溫度修正系數，通常情況下，超出0℃取值為1，-10℃取值為1.1，低于-10℃以下取值1.2；CC表示蓄電池放電深度，鉛酸蓄電池取值0.75，堿性鎳鎘蓄電池取值0.85。

2.2 光伏電池陣列設計方法

光伏電池陣列設計主要包括光伏電池組件串聯數（NS）及光伏電池組件并聯數（NP）的計算。首先為NS的計算。將光伏電池組件以相應數目串聯，即可獲取所需電壓。為此，需保證光伏電池組件串聯數目的合理。若串聯數目過少，由串聯所產生的電壓將難以滿足蓄電池浮充電壓，因此，光伏陣列難以滿足蓄電池電能需求。若串聯數目過高，將會導致所形成電壓超出浮充電壓，而此時充電電流也不會顯著增加。僅有當光伏電池組件串聯所產生電壓同浮充電壓相符時，方可達到最佳充電效果。光伏電池組件串聯數目計算公式如下：

其中，UR表示光伏電池陣列最小輸出電壓；UOC表示光伏電池組件最佳工作電壓；Uf表示蓄電池浮充電壓；UD表示二極管壓降，通常取值0.7 V；UC表示由其它因數所導致的壓降。

其次為NP的計算。NP確定前，應對相關量計算方式加以計算。第一步應將光伏電池陣列安裝地區的日輻射量H1轉變為標準光強下的日均輻射時數H。H1計算公式如下：

其中，2.778/10 000 h·m2/kJ 是標準光強（1 000 W/m2） 條件下的日均輻射時數的系數。第二步應計算光伏電池組件日發電量Qp，計算公式如下：

其中，IOC表示光伏電池組件最適合的工作電流；KOP表示斜面修正系數；CZ表示修正系數，主要包括充電效率、灰塵、組合等所產生的損失，通常情況下，取值0.8。第三步為計算兩組最長持續陰雨天間最短間隔天數，即NW，這部分數據為本設計獨特之處，將此部分數據納入考慮范圍的主要原因在于，將蓄電池在此階段所損失的電量加以彌補，應補足蓄電池容量為Bcb，計算公式如下：

由此便可對NP加以計算，計算公式如下：

分析式（6）可知，處于并聯狀態的光伏電池組數，在兩組連續陰雨天間隔內所生成的發電量，不僅可滿足負載應用需求，同時還可彌補蓄電池在陰雨天時所損失的電量。

最后應計算光伏電池陣列功率，所得計算公式如下：

其中，PO表示光伏電池組件額定功率。

2.3 系統平衡點設計方法

為對獨立光伏電源系統的正常運行加以保障，需促使負載能耗、蓄電池儲存電能及日輻照量三者間處于平衡關系，故需探尋系統平衡點。為精準獲取系統平衡點，應至少使此系統運行10 d，而在運行過程中則應滿足如下要求：（1）應至少連續2 d 處于低輻照量；（2）至少3 d 的日輻照量間存在明顯差異，同時還應保障2 d 日輻照量超出系統預設平衡點；（3）10 d 日均輻射量至少為（4±0.3）kWh/m2·d。獨立光伏電源系統運行特點如圖1 所示。結合圖1 展開分析，系統最佳工作區域在于斜線下方、水平線上方區域內，僅有處于此區域內，方可對系統充分滿足負載能耗需求予以保障。同時，圖1 中斜線、直線二者間交匯位置為系統平衡點，平衡點位置橫坐標即為確保系統可達到負載需求的日輻照量最低要求，借此可對獨立光伏電源系統實際性能評判提供可靠參考[5-7]。

圖1 獨立光伏電源系統運行特點圖

3 設計實例

以蘇州地區某地面衛星接收站為研究對象，展開分析。此接收站功率為25 W，日均工作時長24 h，負載電壓為12 V，最長陰雨天連續時長為1 5d，兩組最長陰雨天最短間隔時間為30 d，所選用光伏電池工作電流為2.22 A，工作電壓為17.1 V，組件額定功率為38 W。 以鉛酸免維護蓄電池作為蓄電池類型，浮充電壓設定為（14±1）V，蘇州年均日輻射量13 099 kJ/m2，KOP值為0.885，16.13°為最佳傾角，為對蓄電池容量、光伏電池陣列功率加以計算。

首先為蓄電池容量Bc的計算。

蓄電池容量Bc=A×QL×NL×TO/CC=1.2×（25/12）× 24×15×1/0.75=1 200 Ah。

其次為光伏電池陣列功率P的計算。

由于NS=UR/UOC=（Uf+UD+UC/UOC）=（14+0.7+1）/ 17.1=0.92 ≈1，

Qp=IOC×H×KOP×CZ=2.22×13 099×（2.778/10 000）× 0.885×0.8 ≈5.72 Ah，

Bcb=A×QL×NL=1.2×（25/12）×24×15=900 Ah，QL=（25/12）×24=50 Ah，

NP=（Bcb+NW×QL）/（Qp×NW）=（900+30×50）/ （5.72×30）≈13.99，

因此，光伏電池陣列功率為P=PO×NS×NP=38× 1×13.99=531.62 W。

由計算可知，地面衛星接收站所設計蓄電池容量為1 200 Ah，光伏電池陣列功率為531.62 W。

4 結 論

在科學技術高速發展背景下，為推動通信行業進一步發展，對通信電源穩定性加以保障尤為必要。因此，本文即圍繞獨立光伏電源系統設計方法展開探究，以蓄電池組容量設計、光伏電池陣列設計為切入點展開具體研究，并結合蘇州地域條件，對蓄電池容量、光伏電池陣列功率加以計算，為光伏電源系統設計提供數據參考。