1、1 離網光伏發電系統簡介22離網光伏發電系統的設計原則與方法3系統的設計原則、步驟和內容3系統設計原則3設計步驟和內容4設計相關的因素和技術條件43太陽能光伏發電系統容量的設計與計算7設計的基本思路7太陽能電池組件及方陣的設計方法7太陽能光伏發電系統容量的設計與計算的主要內容7太陽能電池組件功率和方陣構成的設計與計算7蓄電池的容量與蓄電池組合的設計與計算94光伏發電系統的系統配置與設計11光伏控制器選型11逆變器的設計選型125 3kW離網系統設計選型實例13用戶需求13總體方案13光伏組件的選型16組件中相關系數的校正：16串并聯數的計算：17蓄電池的選擇17相關系數的修正：18蓄電池串并聯

2、數的計算：18逆變器選型（型號TI483KNB）19光伏控制器選擇21獨立光伏發電系統223kw離網系統發電設計學習目的：通過本章學習，能設計滿足客戶用電量需求的光伏方陣容量和蓄電池容量。 1 離網光伏發電系統簡介離網光伏發電系統是指未與公共電網相連接的獨立太陽能光伏發電系統，其輸出功率提供給本地負載(交流負載或直流負載)的發電系統。其主要應用于遠離公共電網的無電地區和一些特殊場所，如為公共電網難以覆蓋的邊遠偏僻農村、海島和牧區提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電，也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處所提供電源。離網光伏發電系統通常由光伏電池陣列、蓄電池組、控制器、逆變器、低壓輸電線路

3、和用戶負載組成。圖3-1表3- 主要設備一覽表序號名稱作用1光伏陣列太陽能電池透過光生伏特效應可以將太陽光能轉化成直流電能。2組件支架連接各個光伏組件 3光伏控制器1. 功率調節功能；2. 通信功能，簡單指示功能、協議通訊功能；3. 完善的保護功能，電氣保護，反接，短路，過流。防止蓄電池被太陽電池方陣過充電和被負載過放電。4光伏離網逆變器一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置5電線電纜-6交直流負載-7蓄電池儲存和提供電能2離網光伏發電系統的設計原則與方法系統的設計原則、步驟和內容系統設計原則系統設計原則：(1) 光伏發電系統的設計要本著合理性、實用性、高可靠性和高性價比（低成本）的原

4、則；(2) 既能保證光伏系統的長期可靠運行，充分滿足負載的用電需要，同時又能使系統的配置最合理、最經濟，特別是確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池的容量；(3) 充分注意當地的氣象及地理條件的影響，達到可靠性和經濟性的最佳結合；(4) 協調整個系統工作的最大可靠性和系統成本之間的關系，在滿足需要保證質量的前提下節省投資，達到最好的經濟效益。設計步驟和內容圖3-2設計相關的因素和技術條件在設計光伏發電系統時，應當根據負載的要求和當地太陽能資源及氣象地理條件，依照能量守恒的原則，綜合考慮下列各種因素和技術條件：(1) 系統用電負載的特性在設計太陽能光伏發電系統和進行系統設備的配置、選型前，要充

5、分了解用電負載的特性。按負載不同特性，可分類為：a) 直流負載或交流負載直流負載:是指用電設備中使用直流的負載.,交流負載包括如下類型：i) 電阻性負載：如白熾燈泡、電子節能燈、電熨斗、電熱水器等在使用無沖擊電流.ii) 電感性負載：電動機、電冰箱、水泵等，啟動時有沖擊電流，往往是其額定工作電流的58倍。iii) 電力電子類負載：日光燈、電視機、計算機等。有沖擊電流，往往是其額定工作電流的510倍。b) 沖擊性負載或無沖擊性負載i) 沖擊性負載：大功率電動機，在直接啟動的瞬間，其電流最高可達額定電流的二十多倍；因此，在容量設計和設備選型時，往往都要留下合理余量；ii) 無沖擊性負載:直接啟動的

6、瞬間，其電流不會最高可達額定電流的二十多倍。c) 重要性負載或一般性負載d) 晝間負載或夜間負載從全天使用時間上分可分為僅白天使用的負載(晝間負載)，僅晚上使用的負載(夜間負載)及白天晚上連續使用的負載。對于晝間負載，多數可以由光伏電池板直接供電，不需要考慮蓄電池的配備。另外系統每天需要供電的時間有多長，要求系統能正常供電幾個陰雨天等，都是需要在設計前了解的問題和數據。例:獨立運行的光伏發電系統根據負載的特點，分為( )。 ABCA.直流系統C.交流系統C.交直流混合系統D.隔離系統E.以上都是(2) 當地的太陽能輻射資源及氣象地理條件由于太陽能光伏發電系統的發電量與太陽光的輻射強度、大氣層厚

7、度（即大氣質量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等因素和條件有著直接的關系和影響，因此在設計太陽能光伏發電系統時，應考慮的太陽能輻射資源及氣象地理條件有太陽輻射的方位角和傾斜角、峰值日照時數、全年輻射總量、連續陰雨天數及最低氣溫等。a) 太陽能電池組件（方陣）的方位角與傾斜角太陽能電池組件（方陣）的方位角與傾斜角的選定是太陽能光伏系統設計時最重要的因素之一。所謂方位角一般是指東西南北方向的角度。對于太陽能光伏系統來說，方位角以正南為0°，由南向東向北為負角度，由南向西向北為正角度，如太陽在正東方時，方位角為-90°，在正西方時方位角為90°。方位角決定了陽

8、光的入射方向，決定了各個方向的山坡或不同朝向建筑物的采光狀況。在我國，太陽能電池方陣的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發電量最大。傾斜角是地平面（水平面）與太陽能電池組件之間的夾角。傾斜角為0°時表示太陽能電池組件為水平設置，傾斜角為90°時表示太陽能電池組件為垂直設置。如果沒有條件對傾斜角進行計算機優化設計，也可根據當地緯度粗略確定光伏方陣的傾斜角：b) 峰值日照時數峰值日照時數是將當地的太陽輻射量，折算成標準測試條件（幅照度1 000Wm2）下的時數。例如，某地某天的日照時間是，但不可能在這中太陽的幅照度都是1000W/m2，而是從弱到強再從強到弱變化

9、的，若測得這天累計的太陽輻射量是3600W/m2，則這天的峰值日照時數就是。因此，在計算太陽能光伏發電系統的發電量時一般都采用平均峰值日照時數作為參考值。c) 最長連續陰雨天數需要蓄電池向負載維持供電的天數，從發電系統本身的角度說，也叫“系統自給天數”。連續陰雨天數可參考當地年平均連續陰雨天數的數據。對于不太重要的負載如太陽能路燈等也可根據經驗或需要在37天內選取。也就是說如果有幾天連續陰雨天，太陽能電池方陣就幾乎不能發電，只能靠蓄電池來供電，而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補充好。連續陰雨天數可參考當地年平均連續陰雨天數的數據。對于不太重要的負載如太陽能路燈等也可根據經驗或需要在37天內選取

10、。在考慮連續陰雨天因素時，還要考慮兩段連續陰雨天之間的間隔天數，以防止第一個連續陰雨天到來使蓄電池放電后，還沒有來得及補充，就又來了第二個連續陰雨天，使系統在第二個連續陰雨天內根本無法正常供電。因此，在連續陰雨天比較多的南方地區，設計時要把太陽能電池和蓄電池的容量都考慮得稍微大一些。(3) 發電系統的類型：i) 獨立發電系統；又稱離網發電系統,是指不并入國家電網發電系統;ii) 并網發電系統；是指并入國家電網的發電系統;iii) 太陽能發電與市電互補系統。(4) 安裝場所和方式發電系統的安裝主要是指太陽能電池組件或太陽能電池方陣的安裝，其安裝場所和方式可分為桿柱安裝、地面安裝、屋頂安裝、山坡安

11、裝、建筑物墻壁安裝及建材一體化安裝等。3太陽能光伏發電系統容量的設計與計算設計的基本思路太陽能電池組件的設計原則是要滿足平均天氣條件（太陽輻射量）下負載每日用電量的需求，也就是說太陽能電池組件的全年發電量要等于負載全年用電量。因為天氣條件有低于和高于平均值的情況，因此，設計太陽能電池組件要滿足光照最差、太陽能輻射量最小季節的需要。太陽能電池組件及方陣的設計方法太陽能電池組件的設計就是滿足負載年平均每日用電量的需求。設計和計算太陽能電池組件大小的基本方法：(1) 用負載平均每天所需要的用電量（單位：安時或瓦時）為基本數據(2) 以當地太陽能輻射資源參數如峰值日照時數、年輻射總量等數據為參照(3)

12、 結合一些相關因素數據或系數綜合計算。太陽能光伏發電系統容量的設計與計算的主要內容太陽能電池組件功率和方陣構成的設計與計算光伏組件的選擇在我國，太陽能電池方陣的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發電量最大。太陽能光伏方陣的傾斜度根據當地緯度粗略確定光伏方陣的傾斜角：表2PV（光伏英文的Photovoltaic的縮寫）方陣充電能力希望在C/10C/50之間。如果PV方陣過大（高于C/10），則蓄電池充電過快，因為不能接收所有來自PV方陣的電流，蓄電池充電效率不高。如果PV方陣容量太小，充電速度過低，PV方陣不能給蓄電池充滿電。設計的PV方陣充電電流（充電控制器的電流)應在這兩個值

13、之間。例：如果蓄電池組容量為600Ah，希望從PV方陣得到的充電電流為多少？如果蓄電池組標稱電壓為48V，則PV方陣容量多大？希望從PV方陣得到的充電電流為1260A 。(600Ah/10h=60A，600Ah/50h=12A)如果蓄電池組標稱電壓為48V，則PV方陣容量應在576W2880W之間。48V×12A=576W ，48V×60A=2880W光伏組件串并聯數計算根據電壓電流算出光伏組件串并聯數圖3系統總功率=負載總功率/系數（取77%）光伏陣列總電流=系統部功率/（系統工作電壓乘串聯光伏數量）計算每個負載的用電量()Q1、Q2、Q3Q1=P1×t1Q1是

14、負載1的用電量（）；P1是負載1的功率（w）；t1是負載1的日平均工作時數（h）。計算所有負載日平均用電量()Q=Q1+Q2+Q3+日用電量：根據家用電器功耗表統計，例：用戶全額總功率為3KW，日均用電量為24000Wh(8x3)。每天用電小時8h負載日平均用電量()日平均負載=負載日平均用電量/系統直流電壓組件日平均發電量組件日平均發電量=組件峰值工作電流(A)×峰值日照時數(h)單位()峰值日照表太陽電池組件的并聯數圖4光伏組件最大修正峰值電壓組件電壓X溫度系數X(室溫-最冷溫度)+組件電壓=開路電壓Voc光伏組件最小修正峰值電壓組件電壓X溫度系數X(最高溫度-室溫)+組件電壓=

15、開路電壓Voc蓄電池的容量與蓄電池組合的設計與計算在蓄電池的充放電過程中，太陽能電池產生的電流在轉化儲存的過程中會因為發熱、電解水蒸發等產生一定的損耗，可用蓄電池的充電效率(或稱庫侖效率)來表示這種電流損失。因此在設計時，要根據蓄電池的不同將電池組件的功率增加5%10%，以抵消蓄電池充放電過程中的耗散損失。光伏控制器防止蓄電池過放電的措施有；A.在達到預置的待充電電平時，斷開負載；B.信號燈或蜂鳴器動作報警，顯示蓄電池電壓過低；C.自動接通一個后備電源。圖5充電效率系數（或稱蓄電池的庫侖效率），取0.8-0.9;逆變器的轉換效率，取；組件功率損失系數，取；例：某地建設一個移動通信基站的太陽能光

16、伏供電系統，該系統采用直流負載，負載工作電壓48V，用電量為每天150Ah該地區最低的光照輻射是1月份，其傾斜面峰值日照時數是，選定125W太陽能電池組件，其主要參數：峰值功率125W、峰值工作電壓、峰值工作電流，計算太陽能電池組件使用數量及太陽能電池方陣的組合設計、電池方陣總功率。組件損耗系數為，充電效率系數也為。因該系統是直流系統，所以不考慮逆變器的轉換效率系數圖6采用每2塊電池組件串聯連接，15串電池組件再并聯連接，共需要125W電池組件30塊構成電池方陣。該電池方陣總功率=15×2×125W=3750W圖7不必使設計系統DOD太低。降低DOD會增加總循環次數，但可能

17、使蓄電池只能釋放低水平能量。DOD(最大放電深度)一般設計在50%-75%。4光伏發電系統的系統配置與設計.1光伏控制器選型控制器是光伏電站中的重要組成部分，再對控制器設計選型時，必須考慮到控制器是否能夠對光伏電站的電能變換和對蓄電池充電進行優化控制和管理。控制器要求電壓的輸入和輸出相等。1) 使用光伏控制器給帶來的好處有4種：A.蓄電池使用壽命的最大化;B.防止蓄電池引起的火災及爆炸;C.使太陽能板充電效率最大化;D.防止太陽能板擊穿永久損壞。2) 離網型光伏系統的光伏控制器的兩大主要作用有A.對光伏電池組件發出的直流電進行調節和控制B.對蓄電池的充/放電進行管理3) 光伏控制器基本上可分為

18、4種類型。A.并聯型；B.串聯型；C.脈寬調制型；D.最大功率跟蹤型。為確定所采用的標準控制器型號，需要了解以下因素：DC（直流）系統電壓：所有組件必須有相同的DC電壓。光伏方陣電流(Isc)控制器必須有控制光伏方陣電流(Isc)的能力。必須將光伏組件的短路電流與并聯的數量及的安全系數相乘（因為有時光伏方陣會產生高于STC短路電流等級的電流)，以此得到滿足條件的最小容量的充電控制器需要通過方陣電流大小。最大DC負載電流-如果系統中包含DC負載，控制器必須有足夠的容量以使最大DC負載電流能夠通過控制器。表3控制器選型表組件短路電流×并聯數×1.25=方陣短路電流控制器方陣電流

19、所連接的總DC功率÷DC系統電壓=最大DC負載電流控制器負載電流控制器的相關說明制造商：型號：逆變器的設計選型根據光伏發電系統設計確定的直流電壓來選擇逆變器的直流輸入電壓。（兩者之間相等）根據負載的類型確定逆變器的功率和相數（公式）根據負載的沖擊性決定逆變器的功率余量。（公式）逆變器的持續功率應該大于使用負載的功率，負載的啟動功率要小于逆變器的最大沖擊功率。在選型時還要考慮為光伏發電系統將來的擴容留有一定的余量。參考公式：逆變器功率=阻性負載功率×（）+感性負載功率×（57）5 3kW離網系統設計選型實例項目目的：離網型光伏發電系統廣泛應用于偏僻山區.無電區.海島

20、.通訊基站和路燈等應用場所。熟悉掌握小型光伏離網發電系統的設備，了解太陽能電池組件的串并聯計算方法，掌握光伏控制器、逆變器以及各種設備的選型，掌握太陽能電池板排列間距的計算以及發電量的計算。用戶需求a) 客戶需要3KW的（負載）太陽能光伏離網發電系統，滿足以下3KW的家用負載。表4b) 要求連續使用陰雨天數4天（減少光伏組件的使用，降低成本，同時可以使利益最大化。），每天用電小時8h。c) 日用電量：根據家用電器功耗表統計，用戶全額總功率為3KW，日均用電量為24000Wh。總體方案系統原理：光伏電池產生的直流電通過光伏逆變器轉換為優質電流為負載供電，多余電能自動儲存在蓄電池里；當光照不足時，

21、由蓄電池和光伏一起向負載供電；沒有光伏時，由蓄電池或市電向負載供電。光伏離網型逆變器與光伏并網型逆變器在主電路結構上沒有較大區別，但是光伏離網型逆變器不需要考慮抗孤島能力。圖8 光伏離網發電系統示意圖圖9光伏離網發電系統電氣圖該光伏離網發電系統由逆變器、矩形PLC、負載、電量表、電流表、電壓表、避雷器、開關電源、斷路器、繼電器等器件組成為減少線路損失，發電系統電壓選48V，假設組件安裝在離屋頂的距離有13cm。光伏組件的選型本系統中選取河北天威英利YL280C-30b的太陽能組件，其峰值功率為280W、峰值電壓為、峰值電流為，相關參數如圖2，具體參數參照網址：htt圖2組件中相關系數的校正：由

22、圖2知在STC下（組件溫度25）;1) 組件的峰值電流Imp=8.96A;2) 組件的短路電流ISC=9.50A;3) 組件的ISC溫度系數為%/ ；4) 組件的峰值電壓VmpV;5) 組件的開路電壓VocV；6) 組件的Voc溫度系數為%/ 。由圖1可知深圳最高溫度為，最低溫度為。組件開路電壓的Voc校正：將組件電壓變化值與STC下的組件開路電壓Voc相加，即得根據區域低溫記錄的調整后的組件開路電壓，即-25) ×%×)V/ V。組件峰值電壓Vmp的校正：由經驗：當組件表面與安裝表面距離小于15cm時，組件溫度增加35 ；1) 當距離大于15cm時，組件溫度增加30 ；2

23、) 當組件安裝在桿頂，組件溫度增加25 ；3) 將溫度差值乘以組件溫度系數，得組件的電壓變化值；4) 將組件電壓變化值與STC下的Vmp相加，即得調整后的Vmp；5) 由系統前的假設可知組件溫度要增加35 ；6) 則組件安裝后的環境溫度變為：29+35=64；7) 組件峰值電壓校正值為 V+（64-25）×V×%/ 。組件的峰值電流Imp校正：1) 校正方法和峰值電壓校正方法一樣，2) 校正后的峰值電流Imp8.96A+（64-25）××%/ 。3) 則校正后組件日平均發電量為9.1*4.3=39.13A*h，4) 單塊光伏組件校正后輸出的峰值功率Pm。

24、串并聯數的計算：考慮到其它因素的影響，電池組件的串并聯數和方陣總功率由下面公式算出電池組件的串聯數NS=系統工作電壓V*系數1.43組件峰值工作電壓（V）光伏組件總功率P (W)= 光伏組件串聯數Ns*光伏組件并聯數Np*單塊光伏組件的峰值輸出功率Pm (W)電池組件的并聯數NP=負載日平均用電量（A*h）組件日平均發電量A*h*蓄電池充電效率系數*組件損耗系數*逆變器效率系數蓄電池充電效率系數，之間，取;逆變器的轉換效率，之間，取；組件功率損失系數，之間，取；系數為太陽能電池組件峰值工作電壓與系統工作電壓的比值。由上面的公式可以得出串聯數NS=48V*1.4327.5V=2.493塊；并聯數

25、NP=142A*h39.13*0.9*0.9*0.9=5組；光伏組件總功率P。則可以采用3塊串聯、并聯5組的形式組成太陽能電池方陣，總功率為。蓄電池的選擇本系統選擇風帆6-GFM-200蓄電池，下圖2為該電池的部分參數，具體詳細參數見網址：圖3相關系數的修正：假設我們這個系統以的電流恒定供電，則放電倍率NC=35.2200=0.176C0.17C，根據上圖的恒電流放電表知蓄電池的實際容量為35.2*5=176Ah；根據圖1給出深圳的最低氣溫是度，結合實際情況深圳的最低氣溫為68度，根據蓄電池溫度與放電容量的關系曲線知該蓄電池在深圳的放電深度約為80%；平均放電率=連續陰雨天數*負載工作時間最大

26、放電深度負載工作時間=（負載功率*負載工作時間）負載功率根據圖1有負載工作時間為68153000=2.27h；放電率為7*2.2780%20h小時率屬于慢放電率，在此蓄電池生產廠商提供的資料查不到的該型號蓄電池在20h放電速率下的蓄電池容量修系數正；在此按照經驗進行估算，20h放電率下的蓄電池容量會比標稱容量增加5%左右，在此確定放電率修正系數為。蓄電池串并聯數的計算：光伏組件不能發電的最大連續時間為7天蓄電池總容量C=負載日平均用電量Ah*連續陰雨天數*放電率修正系數最大放電深度*低溫修正系數=142Ah*7*0.980%*0.95=1177.1Ah蓄電池串聯數=系統工作電壓蓄電池標稱電壓=48V12V=4個蓄電池并聯數=蓄電池總容量蓄電池實際容量=1177.1Ah176Ah=6.77組故蓄電池采用28塊，4個串聯，7組并聯的形式，可以滿足負載的要求。逆變器選