太阳能光伏系统的设计

徐天天

光伏系统的基本结构

简单的独立光伏发电系统如图1所示，它由太阳能电池阵列、防反充二极管、电流控制器、储电池和逆变器等组成。对于光伏并网系统，还包括并网逆变器和连接装置等。

1. 太阳能光伏电池列阵

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池，此外还有塑料太阳能电池、半导体液结太阳能电池等。太阳能电池可分为固态电解质太阳能电池、离子液体电解质太阳能电池、聚合物电解质太阳能电池和有机太阳能电池等。

2. 防反充二极管（阻塞二极管）

其作用是避免由于太阳能电池列阵在阴雨天和晚上不发电时或出现断路故障时，蓄电池组通过太阳能电池列阵放电。

3. 蓄电池组

蓄电池组的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能，并随时向负载供电，使得负载一直在额定功率下运行，并能够克服由于日照波动引起的问题。目前与太阳能光伏发电系统配套的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。

4. 充放电控制器

充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电的设备，一般还具有简单的测量功能。蓄电池组经过过充电或过放电后会严重影响其性能和寿命，所以充放电控制器一般是不可缺少的。充放电控制器，按照其开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型：按照其抑制方式，可分为开关控制(含单路和多路开关控制)型和脉宽调制(PWM)控制(含最大功率跟踪控制)型。开关器件，可以是继电器，也可以是MOS晶体管。但脉宽调制(PWM)控制器，只能用MOS晶体管作为开关器件。

5. 逆变器

逆变器是将直流电变换成交流电的装置。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行的太阳能光伏发电系统通过独立运行逆变器为交流负载供电；并网运行的太阳能光伏发电系统通过并网逆变器将发出的电能馈人电网。逆变器按输出波型又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器的电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统；正弦波逆变器的成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，晶体管正弦波(或准正弦波)逆变器将成为太阳能发电用逆变器的发展主流。

现在商用的太阳电池矩阵的光电转换效率15％-17%，非常低，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，十分可惜，因此，要求逆变器效率高。随着电力电子技术的发展，某些类型的逆变器的效率已达到95%以上。

太阳能光伏系统的设计

一、光伏系统的分类：1. 独立太阳能供电系统2. 简单的直流系统3. 直流--交流供电系统4. 并网系统5. 混合供电系统(风光、光油等)也可以不这么分类，我喜欢这么分。

　　二、光伏系统的构成：太阳电池组件、充放电控制器、逆变器、计算机监控、蓄电池等。

　　三、光伏系统的容量设计：主要包括负载用电量估算，太阳电池数量估算，蓄电池容量计算，最佳安放角度等等。

　　1. 蓄电池容量的计算(也有很多人用自己的经验公式)这里要讲下几个概念：

　　自给天数：我个人理解的就是没有太阳的情况下还能正常工作的天数。一般可可以用当地的最大连续阴雨天数作为自给天数。

　　最大放电深度：蓄电池允许最大的放电深度，超过这个深度就不能正常工作，一般是个定值。

　　基本公式：(每天负载用电量*自给天数)/最大放电深度=蓄电池容量

　　其中和蓄电池容量有关的两个因素：蓄电池放电率和温度，如果考虑这两个因素就要更复杂点。

　　蓄电池的串联和并联和干电池的是一样的，就不多说了。

　　还可以这样算c=3.75DP(P为平均负荷容量，D为最大无光照天数，这是个简化的公式，默认的逆变率是80%，放电深度是50%，蓄电池放电效率的修正系数取1.05)

　　2. 光伏组件方阵的设计：基本公式：

　　并联数量=日平均负载/组件日输出

　　串联数量=系统电压/组件电压

　　如果需要更准确就要修正，通常将太阳电池输出减少10%和将负载增加10%

　　最佳角度的计算要涉及到和多符号，这些符号不好写出来。

　　四、光伏系统的硬件设计 基础设施、接地和防雷设计等等。

　　五、电子电路部分

　　包括充放电控制器、逆变器、远动技术(遥控，遥信，遥测，遥调)的应用等。

太阳能光伏发电系统的设计方法

太阳能光伏系统的设计是个复杂的问题。设计时，必须首先考虑用户的要求、安装地点的气候条件、系统中各部件和器件的技术特性、经济条件的制约关系等因素。同时，太阳能时刻变化着，其积累值不确定。太阳能电池的性能也存在波动。因此，要使太阳能光伏系统的设计达到最优化，是相当麻烦的。

太阳能光伏系统的设计方法，大致可分为解析方法和模拟方法两种类型。解析方法要首先建立表示系统动态的代数式，然后要使用电脑或设计图线按照公式依次顺序求解，以求得设计中所必需的未知数。解析法典型方法有LOLP（Loss of load probability）法和参数分析法。LOLP法可在设计上反映独立系统的停电概率。参数分析法是将复杂的非线性太阳能光伏发电系统的工作简化为线性系统。模拟法是将系统的状态动态地表现成太阳辐射与负荷等的模型，也就是再现系统的工作状态。它是一种适合于利用计算机的方法。

1. 独立光伏系统的设计

独立光伏系统的设计，传统上是利用光伏系统安装地点的长期月平均日辐射量及负载日平均所需能量进行设计，该方法显得比较粗糙。现代的设计方法是采用仿真与优化设计。

独立光伏系统的仿真与优化设计，基本方法是首先建立系统仿真模型，包括光伏阵列输出功率模型、蓄电池模型等，然后选定目标函数和约束函数，建立优化数学模型，再利用合适的优化方法进行优化设计。图2所示为优化的决策过程图。

图2 决策过程图

2.并网光伏系统的设计

并网发电在光伏市场中的份额逐年增加，占据了主导地位。2003年并网发电的市场份额达到了55.5%。这在人类能源变革中具有重要意义，它标志着光伏发电由边远地区离网应用和特殊应用向电网电源发展，由补充能源向替代能源转变，人类社会己开始为建设可持续发展的能源体系努力。其它各种应用，如农村离网、通讯和信号、商业应用以及消费品等都保持着稳步发展，并继续发挥光伏发电的独特优势。

光伏并网系统的关键技术是并网逆变器。系统大多采用三相桥式电路结构，图3所示为光伏并网逆变器的主电路，采用的是电压型逆变的拓扑结构。它需要对三相桥臂施加幅值、频率相等而相位相差120O的三相对称正弦波调制信号。逆变电压通过电感与电网相连实现并网运行。系统控制目标是逆变器输出的正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相等，并网电流的大小由光伏阵列输出的功率决定。

图3 主电路拓扑结构

对于大型太阳能光伏并网发电系统，设计方案有多重叠加技术（10MW系统）、分布发电多支路并联上网技术（1-50MW系统）和组件并联电源并联主从供电技术（100KW-10MW系统）等。

3.光伏发电的控制技术

充分发挥太阳能电池的工作效率，实现太阳能电池输出功率最大的控制方法，一直是此领域的研究热点。提高光伏发电效率的措施有两种方法：一是实行太阳能轨迹跟踪控制，即实现光伏阵列最大输入功率跟踪，以捕获最大的太阳能辐射量，但这种方法所附加的机电装置增加了成本和复杂性，且跟踪装置连续运行所消耗的能量使其优点并不明显；另一种是实行太阳能电池阵列最大输出功率跟踪控制（MPPT），这是应用前景看好且目前研究较多的一个课题。最大功率点跟踪的原理是:通过检测光伏阵列在不同工作点下的输出功率，经过比较寻优，找到光伏阵列在一定的日照和温度条件下能输出最大功率时对应的工作电压。

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