獨立光伏電源系統設計方法

經(jīng)過(guò)光伏工作者們堅持不懈的努力，太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高，并且日益廣泛地應用于各個(gè)領(lǐng)域。特別是郵電通信方面，由于近年來(lái)通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，對通信電源的要求也越來(lái)越高，所以穩定可靠的太陽(yáng)能電源被廣泛使用于通信領(lǐng)域。而如何根據各地區太陽(yáng)能輻射條件，來(lái)設計出既經(jīng)濟而又可靠的光伏電源系統，這是眾多專(zhuān)家學(xué)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(yè)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎。筆者在學(xué)習各專(zhuān)家的設計方法時(shí)發(fā)現，這些設計僅考慮了蓄電池的自維持時(shí)間（即最長(cháng)連續陰雨天），而沒(méi)有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復時(shí)間（即兩組最長(cháng)連續陰雨天之間的最短間隔天數）。這個(gè)問(wèn)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(cháng)又多，而對于方便適用的獨立光伏電源系統，由于沒(méi)有應急的其他電源保護備用，所以應該將此問(wèn)題納入設計中一起考慮。

本文綜合以往各設計方法的優(yōu)點(diǎn)，結合筆者多年來(lái)實(shí)際從事光伏電源系統設計工作的經(jīng)驗，引入兩組最長(cháng)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(yáng)能輻射條件的因素，提出了太陽(yáng)能電池、蓄電池容量的計算公式，及相關(guān)設計方法。

2影響設計的諸多因素

太陽(yáng)照在地面太陽(yáng)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(zhì)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(yáng)能電池方陣的光電轉換效率，受到電池本身的溫度、太陽(yáng)光強和蓄電池電壓浮動(dòng)的影響，而這三者在一天內都會(huì )發(fā)生變化，所以太陽(yáng)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(tài)下的，其電壓隨方陣發(fā)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(huán)境溫度的影響。

太陽(yáng)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(zhì)量等也關(guān)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(wú)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(jīng)常有變化的。

因此，太陽(yáng)能電源系統的設計，需要考慮的因素多而復雜。特點(diǎn)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(wù)是：在太陽(yáng)能電池方陣所處的環(huán)境條件下（即現場(chǎng)的地理位置、太陽(yáng)輻射能、氣候、氣象、地形和地物等），設計的太陽(yáng)能電池方陣及蓄電池電源系統既要講究經(jīng)濟效益，又要保證系統的高可靠性。

某特定地點(diǎn)的太陽(yáng)輻射能量數據，以氣象臺提供的資料為依據，供設計太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化，其規律與太陽(yáng)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(fā)電量。如果有幾天連續陰雨天，方陣就幾乎不能發(fā)電，只能靠蓄電池來(lái)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(yáng)每天總的輻射能量或每年的日照時(shí)數的平均值作為設計的主要數據。由于一個(gè)地區各年的數據不相同，為可靠起見(jiàn)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(wú)日照時(shí)，均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽(yáng)能總輻射量或總日照時(shí)數對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數據。

對太陽(yáng)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(xiàn)路、控制器等）的耗量。

方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數量有關(guān)，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流，適當數量的組件經(jīng)過(guò)串并聯(lián)即組成所需要的太陽(yáng)能電池方陣。

3蓄電池組容量設計

太陽(yáng)能電池電源系統的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽(yáng)能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)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(huán)境溫度的影響。為了與太陽(yáng)能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長(cháng)且維護簡(jiǎn)單。

（1）蓄電池的選用

能夠和太陽(yáng)能電池配套使用的蓄電池種類(lèi)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(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽(yáng)能電源系統，特別是無(wú)人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過(guò)充、過(guò)放性能，但由于其價(jià)格較高，僅適用于較為特殊的場(chǎng)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(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿(mǎn)足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在超過(guò)用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來(lái)。所以方陣發(fā)電量的不足和過(guò)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(shí)數；

NL為最長(cháng)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(yáng)能電池方陣設計

（1）太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數Ns

將太陽(yáng)能電池組件按一定數目串聯(lián)起來(lái)，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)數必須適當。串聯(lián)數太少，串聯(lián)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(lián)數太多使輸出電壓遠高于浮充電壓時(shí)，充電電流也不會(huì )有明顯的增加。因此，只有當太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時(shí)，才能達到最佳的充電狀態(tài)。

計算方法如下：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）

式中：UR為太陽(yáng)能電池方陣輸出最小電壓；

Uoc為太陽(yáng)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。