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1、太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统.一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池构成.太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分,其作用是将太阳能直接转换成电能,供负载使用或存贮于蓄电池内备用.太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压,快速、平稳、高效的为蓄电池充电,并在充电过程中减少损耗,尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池,避免过充电和过放电现象的发生.如果用户使用的是直流负载,通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电.逆变器：逆
2、变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电,供给交流负载使用.蓄电池：蓄电池的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来,供负载使用.在光伏发电系统中,蓄电池处于浮充放电状态,当日照量大时,除了供给负裁用电外,还对蓄电池充电；当日照量小时,这部分储存的能量将逐步放出.太阳能光伏发电系统的分类根据不同场合的需要,太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种.独立供电的光伏发电系统独立供电的太阳能光伏发电系统如图2-6所示.整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成.太阳能电池板作为系统中的核心
3、部分,其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能,一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量.根据负载的需要,系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节,当发电量大于负载时,太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时,太阳能电池和蓄电池同时对负载供电.控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成.逆变器的作用是将直流电转换为.与交流负载同相的交流电.图2-6独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统图2-7并网光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统如图2-7所示,光伏发电系统直接与电网连接,其中逆变器起很重要的作用,要求具有与电网连接的功能.目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式
4、,其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节.带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统,由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关,使得系统具有不间断电源的作用,这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义.此外,该系统还可以充当功率调节器的作用,稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量.不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统,在此系统中,并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能,当主电网断电时,系统自动停止向电网供电.当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时,多余的部分将送往电网；夜间
5、当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时,电网自动向负载补充电能.混合光伏发电系统图2-8为混合型光伏发电系统,它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组,当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时,可以启动备用发电机组,它既可以直接给交流负载供电,又可以经整流器后给蓄电池充电,所以称为混合型光伏发电系统.图2-8混合型光伏发电系统结构框图2.5太阳能光伏发电系统的特点 无枯竭危险； 绝对千净； 不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；获取能源花费的时间短；供电系统工作可靠；不足之处是：照射的能量分布密度小；获得的能源与四季、昼夜与阴晴等气象条件有关；太阳能光伏系统设计太阳能
6、光伏系统总体设计原则太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计,且软件设计先于硬件设计.软件设计主要包括：负载用电量的计算,太阳能电池方阵辐射量的计算,太阳能电池、蓄电池用量的计算以与两者之间相互匹配的优化设计,太阳能电池方阵安装倾角的计算,系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等.硬件设计主要包括：负载的选型与必要的设计,太阳能电池和蓄电池的选型,太阳能电池支架的设计,逆变器的选型和设计,以与控制、测量系统的选型和设计.对于大型太阳能光伏发电系统,还有光伏电池方阵场的设计、防雷接地的设计.由于软件设计牵涉到复杂的太阳辐射量、安装倾角以与系统优化的设计计算,一般是由计算机来完成的；在要求不
7、太严格的情况下,也可以采取估算的办法.太阳能光伏发电系统设计的总原则是,在保证满足负载供电需要的前提下,确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量,以尽量减少初始投资.系统设计者应当知道,在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价.由于不适当的选择,可轻易地使系统的投资成倍地增加,而且未必就能满足使用要求.在决定要建立一个独立的太阳能光伏发电系统之后,可按下述步骤进行设计：计算负载,确定蓄电池容量,确定太阳能电池方阵容量,选择控制器和逆变器,考虑混合发电的问题等.在进行光伏系统的设计之前,需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置,包括地点、纬度、经度和海
8、拔；该地区的气象资料,包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以与散射辐射量；年平均气温和最高、最低气温,最长连续阴雨天数,最大风速以与冰雹、降雪等特殊气象情况等.太阳能光伏发电系统的容量设计容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的数量.同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系,在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量减少系统成本.蓄电池设计方法蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍能可以正常工作.在进行蓄电池设计时,我们需要引入一个不可缺少的参数：自给天数,即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数.这个参
9、数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小.一般来讲,自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件,即最大续阴雨天数.通常可以将光伏系统安装地点的最大续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数,但还要综合考虑负载对电源的要求.对于负载对电源要求不是很严格的光伏应用,我们在设计中通常取自给天数为35天.对于负载要求很严格的光伏系统,我们在设计中通常取自给天数为714天.所谓负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微调节一下负载要求从而适应恶劣天气带来的不便；而严格系统指的是用电负载比较重要,例如常用于通信、导航或者重要的健康设施,如医院、诊所等.此外还要考虑光伏系
10、统的安装地点,如果在很偏远的地区,必须设计较大的蓄电池容量,因为维护人员要到达现场需要花费很长时间.蓄电池的设计包括电池容量设计计算和蓄电池组的串并联设计.首先,给出计算蓄电池容量的基本方法.基本公式第一步,将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量.第二步,将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度.因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电,所以需要除以最大放电深度,得到所需要的蓄电池容量.最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数,可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料.通常情况下,如果使用的是深循环型蓄电池
11、,推荐使用80%的放电深度；如果使用的是浅循环蓄电池,推荐选用伸用50%DOD.设计蓄电池容量的基本公式如下：下面介绍确定蓄电池串并联的方法.每个蓄电池都有它的标称电压.为了达到负载工作的标称电压,我们将蓄电池串联起来给负载供电,需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压.设计修正以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法,在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响.为了得到正确的蓄电池容量设计,上面的基本方程必须加以修正.对于蓄电池,蓄电池的容量不是一成不变的,蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度.首先,我们考虑放电率对蓄电池容量的影
12、响.蓄电池的容量随着放电率的改变而改变,随着放电率的降低,放电电流变小,放电时间就越长,蓄电池的容量也会相应增加.这样就会对我们的容量设计产生影响.进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量.通常,生产厂家提供的是蓄电池额定容量是l0h放电率下的蓄电池容量.但是在光伏系统中,因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要,蓄电池放电率通常较慢,光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100200h.在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念.光伏系统的平均放电率公式如下：上式中负载工作时间可以用下述方法估计：对于只有单个负载的光伏系统,负载的工作时间就是实
13、际负载平均每天工作的小时数；对于有多个不同负载的光伏系统,负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间,加权平均负载工作时间的计算方法如下：根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率,根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量,就可以对蓄电池的容量进行修正.温度对蓄电池容量的影响：蓄电池的容量会随着蓄电池的温度的变化而变化,当蓄电池温度下降时,蓄电池的容量会下降.通常,铅酸蓄电池的容量是在25时标定的.随着温度的降低,0时的容量大约下降到额定容量的90%,而在-20的时候大约下降到额定容量的80%,所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响.如果光伏系统安装地点的气温很低
14、,这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低,也就是无法满足系统负载的用电需求.在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电,减少蓄电池的使用寿命,增加维护成本.这样,设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况下蓄电池参数计算出来的容量要大,只有选装相对于25时计算容量多的容量,才能够保证蓄电池在温度低于25的情况下,还能完全提供所需的能量.蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度一容量修正曲线.在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数,除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正.因为低温的影响,在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池
15、的最大放电深度,以防止蓄电池在低温下凝固失效,造成蓄电池的永久损坏.铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固,随着蓄电池的放电,蓄电池中不断生成水稀释电解液,导致蓄电池电解液的凝结点不断上升,直到纯水的0.在寒冷的气候条件下,如果蓄电池放电过多,随着电解液凝结点的上升,电解液就可能凝结,从而损坏蓄电池.即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池,其最大的放电深度也不要超过80%.图3-1给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度和蓄电池温度的关系,系统设计时可以参考该图得到所需的调整因子.在设计时要使用光伏系统所在地区的最低平均温度,然后从图9或者是由蓄电池生产商提供的最大放电深度一蓄电池温度关系图上找到该地
16、区使用蓄电池的最大允许放电深度.通常,只是在温度低于-8时才考虑进行校正.图3-1铅酸蓄电池最大放电深度-温度曲线完整的蓄电池容量设计计算考虑到以上所有的计算修正因子,我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式.a、最大允许放电深度浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50%,深循环蓄电池的最大允许放电深度为80%.如在严寒地区,要考虑低温防冻问题,对此进行修正.设计时可以适当地减小这个值,扩大蓄电池的容量,以延长蓄电池的使用寿命.b、温度修正系数当温度降低的时候,蓄电池的容量将会减少.温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25标准情况算出来的容量值,从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际
17、负载的用电需求.c、指定放电率指定放电率是考虑慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量.使用供应商提供的数据,可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量.如果在没有详细的有关容量一放电速率的资料的情况下,可以粗略的估计认为,在慢放电率的情况下,蓄电池的容量要比标准状态多30%.d、蓄电池组并联设计当计算出了所需的蓄电池的容量后,下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量.在实际应用当中,要尽量减少并联数目.也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目.这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响,因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联
18、的蓄电池不平衡.并联的组数越多,发生蓄电池不平衡的可能性就越大.一般来讲,建议并联的数目不超过4组.太阳能电池阵列设计基本公式太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求.计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量,这样就可以算出系统那个需要并联的太阳电池组件数,使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流.将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压,就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数,使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压.基本计算公式如下：光伏组件方阵设计的修正太阳电池组件的输出,会受到一些外在
19、因素的影响而降低,根据上述基本公式计算出的太阳电池组件,在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求,为了得到更加正确的结果,有必要对上述基本公式进行修正.将太阳电池组件输出降低10%实际情况工作下,太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低.泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢衰变都会降低电池组件的输出.通常的做法是在计算的时减少太阳电池组件的输出10%来解决上述的不可预知和不可量化的因素.可以看成是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数.又因光伏供电系统的运行还依赖于天气状况,所以有必要对这些因素进行评估和技术估计,因此设计上留有一定的余量将使得系统可以长期正常使用.将负载增加10%以应付蓄电
20、池的库仑效率在蓄电池的充放电过程中,铅酸蓄电池会电解水,产生气体逸出,这也就是说太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉.所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失,我们用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失.不同的蓄电池其库仑效率不同,通常可以认为有5%10%的损失,所以保守设计中有必要将太阳电池组件的功率增加10%,以抵消蓄电池的耗散损失.完整的太阳电池组件设计计算考虑到上述因素,必须修正简单的太阳电池组件设计方式,将每天的负载除以蓄电池的库仑效率,这样就增加了每天的负载,实际上给出了太阳电池组件需要负担的真正负载；将衰减因子乘以太阳电池组件的日输出,这样就考虑了环境因素
21、和组件自身衰减造成的太阳电池组件日输出的减少,给出了一个在实际J隋况下太阳电池组件输出的保守估计量.综合考虑以上因素,可以得到下面的计算公式：蓄电池和光伏组件方阵设计的校核有必要对光伏组件方阵和蓄电池的设计计算进行校核,以进一步了解系统运行中可能出现的情况,保证光伏组件方阵的设计和蓄电池的设计可以协调工作.校核蓄电池平均每天的放电深度,保证蓄电池不会过放电计算公式如下,但是如果自给天数很大,那么实际的每天DOD可能相当小,不需要进行校核计算.校核光伏组件方阵对蓄电池组的最大充电率另外一个校核计算就是校核设计光伏组件方阵给蓄电池的充电率.在太阳辐射处于峰值时,光伏组件方阵对于蓄电池的充电率不能太
22、大,否则会损害蓄电池.蓄电池生产商将提供指定型号蓄电池的最大充电率,计算值必须小于该最大充电率.下面给出了最大充电率的校核公式,用总的蓄电池容量除以总的峰值电流即可.太阳能电池方阵倾角的确定如果采用计算机辅助设计软件,应当进行太阳能电池方阵倾角的优化计算,要求在最佳倾角时冬天和夏天辐射量的差异尽可能小,而全年总辐射量尽可能大,二者应当兼顾.这对于高纬度地区尤为重要,高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大我国#省相差约5倍,如果按照水平面辐射量进行设计,则蓄电池的冬季存储量要远远大于阴雨天的存储量,造成蓄电池的设计容量和投资都加大.选择了最佳倾角太阳能电池方阵面上的冬夏季辐射量之差就会
23、变小,蓄电池的容量也可以减少,系统造价降低,设计更为合理.如果不用计算机进行倾角优化设计,也可以根据当地纬度由下列关系粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角：纬度025,倾角等于纬度；纬度26400,倾角等于纬度加510；纬度41550,倾角等于纬度加1015 ；纬度55,倾角等于纬度加1520.太阳能电池方阵平面上的辐射量射量计算一般来讲,太阳能电池方阵面上的辐射量要比水平面的辐射量高5%一15%不等；纬度越高,倾斜面比水平面增加的辐射量越大.最后要将辐射量换算成每日的峰值日照.换算公式如下：峰值日照小时数=辐射量0.0116.其中,峰值日照定义为：1 cal=4.1868J=4.1868Ws；1
24、 00mW/=0.1 W/.太阳能电池方阵前后间距的计算当光伏电站功率较大时,需要前后排布置太阳能电池方阵.当太阳能电池方阵附近有高大建筑物或树木时,需要计算建筑物或前排方阵的阴影,以确定方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离.一般的确定原则为：冬至当天早9： 00至下午3： 00,太阳能电池方阵不应被遮挡.计算公式如下：光伏方阵间距或可能遮挡物与方阵底边的垂直距离应不小于D；式中：-纬度在北半球为正、在南半球为负；H-光伏方阵或遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差.控制器控制器的最主要的功能就是通过检测蓄电池的电压或荷电状态,判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点,并根据检测结果发出继续充、
25、放电或终止充、放电的指令.控制器的功能除了监测判断是否继续充放电,为了保护系统正常运行还要对充放电过程进行保护.利用太阳能电池自身的光敏特性就可以实现光控功能.控制器的几个重要指标控制器除应具有防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能外,还有以下的几个重要指标.控制器本身自耗电要低.特别是在小系统的应用中成为一个重要指标,世界通行的标准是自耗电流小于额定工作电流的1%,因此电路的设计与低功耗器件的选择非常重要.回路压降要低.世界通行的标准是回路压降应小于系统电压的5%,这跟电路的设计与开关器件的选择密切相关.放PV组件或蓄电池反接保护.可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功
26、率二极管.防反充保护.在太阳电池正极输入端串接防反充二极管或者其他开关方式防蓄电池电流倒流.防雷击保护.PV系统若安装在易遭雷击的地方时可在控制器输入端并接压敏电阻或增设其它防雷措施.逆变器逆变器按输出类型,又分为电压型逆变器和电流型逆变器.电压型逆变器一般需要在直流侧接有平波电容,根据器件的开关动作,输出一连串的方波电压,方波的幅值箝位在直流电压上,逆变器是个电压源.该逆变器以对角线Q1和Q4、对角线Q2和Q3构成两组联动开关,两组开关交替开通,其结果是在负载端输出分别为正负的方波电压.以单相电压型逆变器为例,其主电路结构如图3-6所示,具体器件的开关顺序选择,根据控制目的的不同为存在多种控
27、制方式,如方波逆变控制、正弦波PWM逆变控制等.图3-6单相全桥电压型逆变器的主电路逆变器的几个重要指标要有较高的逆变效率大功率逆变器在满载时,效率必须在90%或95%以上.中小功率的逆变器在满载时也应在85%或者90%以上.这里电路的设计与器件的选择以与系统负载的匹配性好坏对逆变器效率有较大的影响.要有较高的可靠性和可恢复性目前光伏发电系统主要用于边远地区,多电站无人值守和维护,这就要求逆变电源具备一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力以与各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热、过载保护等.要求直流输入电压有较宽的适应范围太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化,蓄
28、电池虽对太阳电池的电压具有钳位作用,但蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动,特别是蓄电池老化时其端电压的变化范围很大,如12V蓄电池,其端电压可在1117V之间变化,这就要逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保持正常工作,并保证交流输出电压的稳定.在中、大容量的光伏发电系统中,逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波.这是由于在中、大容量系统中,若采用方波供电,则输出将含有较多的谐波分量,高次谐波将产生附加损耗,许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备,这些设备对电网品质有较高的要求.另外,当中、大容量的光伏发电系统并网运行时,为避免对公共电网的电力污染,也要求逆变器电源输出正弦波电流,
29、并且孤岛检测保护相应快、可靠性好.以上几条是作为逆变电源设计与采购的主要依据,也是评价逆变电源技术性能的重要指标,应高度重视.线路设计逆变器输出的220V AC电能通过低压架空线路送到终端用户.导线采用220VLJ型铝导线,导线截面积满足用户负荷要求.本设计方案主干线选用25平方毫米钢芯铝绞线,分支线路采用6平方毫米单芯铝线.在线路两端架设7米高水泥杆,杆与杆之间距离为50米,杆头选用镀锌角铁横担,并配套绝缘瓷座.供电半径200米以内,要求远端压降不得高于5%.入户后每户设有一个配电盘,内设保险,开关与插座.如果使用埋地电缆则应选用恺装VV22型聚氯乙烯电缆,线径6平方毫米,穿墙必须使用穿线管
30、保护,在电站输出端安装电能计量装置.光伏系统的其它硬件设计光伏系统设计中除了蓄电池容量和太阳电池组件大小设计之外,还要考虑如何选择合适的系统设备,与如何选择合乎系统需要的太阳电池组件、蓄电池、逆变器、控制器、电缆、组件支架、汇线盒、柴油机/汽油机、风力发电机,对于大型太阳能光伏供电站,还包括输配电工程部件,如变压器、避雷针、负荷开关、空气断路器、交直流配电柜,以与系统的基础建设、控制机房的建设和输配电建设、接地和防雷设计等问题.上述各种设备的选取需要综合考虑系统所在地的实际情况、系统的规模、客户的要求等因素.根据基本原理,在此基础上设计出一款符合项目要求的光伏系统,该系统具有以下特点：1系统简
31、单,容易实现,成本也比较低.2用体积小、功能全、价格便宜而且使用ATMEGA系列单片机作为控制芯片,从而简化了控制器电路设计,同时提高了系统的性价比.3控制器具有防过充、防反充、短路保护、温度补偿等保护功能.4逆变器采用高频逆变,全桥逆变电路和正弦波调制方式,输出的电能质量较好,带动负载能力较强.独立光伏系统设计方法1影响设计的诸多因素太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度即大气质量、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响,其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化,甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别.太阳能电池方阵的光电转换效率,受到电池本身的温度、太阳光
32、强和蓄电池电压浮动的影响,而这三者在一天内都会发生变化,所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量.蓄电池组也是工作在浮充电状态下的,其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化.蓄电池提供的能量还受环境温度的影响.太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成,它本身也需要耗能,而使用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小,从而影响到充电的效率等.负载的用电情况,也视用途而定,如通信中继站、无人气象站等,有固定的设备耗电量.而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明与生活用电等设备,用电量是经常有变化的.因此,太阳能电源系统的设计,需要考虑的因素多而复杂.特点是：所用的数据大多为以前统计的数据,各个统计出
33、数据的测量以与数据的选择是重要的.设计者的任务是：在太阳能电池方阵所处的环境条件下即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等,设计的太阳能电池方阵与蓄电池电源系统既要讲究经济效益,又要保证系统的高可靠性.某特定地点的太阳辐射能量数据,以气象台提供的资料为依据,供设计太阳能电池方阵用.这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值.地球上各地区受太阳光照射与辐射能变化的周期为一天24h.处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有24h的周期性的变化,其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同.但是天气的变化将影响方阵的发电量.如果有几天连续阴雨天,方阵就几乎不能发电,只能靠蓄电池来供电,而蓄
34、电池深度放电后又需尽快地将其补充好.设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据.由于一个地区各年的数据不相同,为可靠起见应取近十年内的最小数据.根据负载的耗电情况,在日照和无日照时,均需用蓄电池供电.气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据.对太阳能电池方阵而言,负载应包括系统中所有耗电装置除用电器外还有蓄电池与线路、控制器等的耗量.方阵的输出功率与组件串并联的数量有关,串联是为了获得所需要的工作电压,并联是为了获得所需要的工作电流,适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵.2 蓄电池组容量设计太阳能电
35、池电源系统的储能装置主要是蓄电池.与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充的状态下,其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化.它的容量比负载所需的电量大得多.蓄电池提供的能量还受环境温度的影响.为了与太阳能电池匹配,要求蓄电池工作寿命长且应维护简单.1蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多,目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种.国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池,因为其固有的免维护特性与对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站.普通铅酸蓄电池由于需要经常维护与其环境污染较大,所以主要适于有维护能力或低档场合
36、使用.碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能,但由于其价格较高,仅适用于较为特殊的场合.2蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的.在一年内,方阵发电量各月份有很大差别.方阵的发电量在不能满足用电需要的月份,要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份,是靠蓄电池将多余的电能储存起来.所以方阵发电量的不足和过剩值,是确定蓄电池容量的依据之一.同样,连续阴雨天气期间的负载用电也必须从蓄电池取得.所以,这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一.因此,蓄电池的容量BC计算公式为：BC=AQLNLTOCCAh式中：A为安全系数,取1.11.4之间；QL为负载日平均耗电量,为工
37、作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数,一般在0以上取1,10以上取1.1,10以下取1.2；CC为蓄电池放电深度,一般铅酸蓄电池取0.75,碱性镍镉蓄电池取0.85.3太阳能电池方阵设计1太阳能电池组件串联数Ns 将太阳能电池组件按一定数目串联起来,就可获得所需要的工作电压,但是,太阳能电池组件的串联数必须适当.串联数太少,串联电压低于蓄电池浮充电压,方阵就不能对蓄电池充电.如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时,充电电流也不会有明显的增加.因此,只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时,才能达到最佳的充电状态.计算方法如下：Ns=UR/Uoc=UfU
38、DUc/Uoc2式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降,一般取0.7V； UC为其它因数引起的压降.蓄电池的浮充电压和所选蓄电池参数有关,应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数.2太阳能电池组件并联数Np在确定NP之前,我们先确定其相关量的计算方法.将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht,转换成在标准光强下的平均日辐射时数H：H=Ht2.77810000h3式中：2.77810000h/kJ为将日辐射量换算为标准光强1000W/下的平均日辐射时数的系数.太阳能电池组件日发电量QpQp=I
39、ocHKopCzAh式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数参照表1；Cz为修正系数,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失,一般取0.8.两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw,此数据为本设计之独特之处,主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来,需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=AQLNLAh太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：Np=BcbNwQL/QpNw式6的表达意为：并联的太阳能电池组组数,在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量,不仅供负载使用,还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量.太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数,
40、即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=PoNsNpW7式中：Po为太阳能电池组件的额定功率.类别包含地区年累计日射量MJ/宁夏北部、甘肃北部、#东部、青海与#西部地区66008400#西北部、#北部、#南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、#东南部、#南部等地区58506600#、河南、#东南部、#南部、#北部、#、#、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部等地50005850湖南、湖北、陕西南部、#、#、#北部、#、广东北部、#南部、#等地42005000四川大部分、贵州、重庆等地33504200表1太阳能家用说明太阳能电池是基于半导体的光伏效应将太阳辐射直接转换为电能的半导体器件.现在商品化
41、的太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池,目前还有碲华镉电池、铜铟硒电池、纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜太阳能电池与有机太阳能电池等. 晶体硅单晶、多晶太阳能电池需要高纯度的硅原料,一般要求纯度至少是99.99998%,也就是一千万个硅原子中最多允许2个杂质原子存在.硅材料是用二氧化硅SiO2,也就是我们所熟悉的沙子作为原料,将其熔化并除去杂质就可制取粗级硅.从二氧化硅到太阳能电池片,涉与多个生产工艺和过程,一般大致分为：二氧化硅冶金级硅高纯三氯氢硅高纯度多晶硅单晶硅棒或多晶硅锭硅片太阳能电池片.什么是单晶硅太阳能电池板单晶硅太阳能电池片主要是使用单
42、晶硅来制造,与其他种类的太阳能电池片相比,单晶硅电池片的转换效率最高.在初期,单晶硅太阳能电池片占领绝大部份市场份额,在1998年后才退居多晶硅之后,市场份额占据第二.由于近几年多晶硅原料紧缺,在20#之后,单晶硅的市场份额又略有上升,现在市面上看到的电池有单晶硅居多.单晶硅太阳能电池片的硅结晶体非常完美,其光学、电性能与力学性能都非常的均匀一致,电池的颜色多为黑色或深色,特别适合切割成小片制作成小型的消费产品.单晶硅电池片在实验室实现的转换效率为24.7%.普通商品化的转换效率为10%-18%.单晶硅太阳能电池片因为制作工艺问题,一般其半成硅锭为圆柱进,然后经过切片-清洗-扩散制结-去除背极
43、-制作电极-腐蚀周边-蒸镀减反射膜等工蕊制成成品.一般单晶硅太阳能电池四个角为圆角.单晶硅太阳能电池片的厚度一般为200uM-350uM厚,现在的生产趋势是向超薄与高效方向发展,德国太阳能电池片厂家已经证实40uM厚的单晶硅可达到20%的转换效率.什么是多晶硅太阳能电池板在制作多晶硅太阳能电池时,作为原料的高纯硅不是再提纯成单晶,而是熔化浇铸成正方形的硅锭,然后再加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的加工.多晶硅从其表面很容易进行辨认,硅片是由大量不同大小的结晶区域组成表面有晶体结晶状,其发电机制与单晶相同,但由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组在,其晶粒界面处光电转换易受到干扰,因而多晶硅的
44、转换效率相对较低,同时,多晶硅的光学、电性能与力学性能一致性没有单晶硅太阳能电池好.多晶硅太阳能电池实验室最高效率达到20.3%,商品化的一般为10%-16%,多晶硅太阳能电池是正方形片,在制作太阳能组件时有最高的填充率,产品相对也比较美观.多晶硅太阳能电池片的厚度一般为220uM-300uM厚,有些厂家已有生产180uM厚的太阳能电池片,并且向薄发展,更以节约昂贵的硅材料.怎么区分单晶硅和多晶硅多晶片是直角的正方形或长方形,单晶的四个角有接近圆形的倒角,一块组件中间有金钱形窟窿的就是单晶,一眼就能看出来太阳能电池组件分类与制作方法因为太阳能电池的厚度非常薄,所以其本身易破碎,易被腐蚀,果直接
45、暴露在大气中,其转换效率会因环境的影响而下降,甚至失效；晶体硅太阳能电池单片的工作电压一般为0.5V左右,为达到所需电压与电流的太阳能电池组件,都会先进行相应的串联、并联太阳能电池片,然后经过胶封、层压等方式进行封装成平板式结构再投入使用.太阳能电池的封装一般有以下几种方式：环氧树脂胶封太阳能电池组件、有机硅胶封太阳能电池组件、钢化玻璃层压封闭太阳能电池组件,而小店采用的封装方式正是钢化玻璃层压封闭太阳能电池组件.1环氧树脂胶封太阳能电池组件滴胶板环氧树脂封装太阳能电池组件工艺简单、材料成本低,在小型组件封闭上使用较多,一些消费类产品与小型灯具上面使用的都为此种组件.但环氧树脂抗热、氧老化、抗
46、紫外线老化的性能相对较差.树脂容易发黄,使用时间一般为一年半至两年左右.一般3W以下功率的太阳能板才会使用这种封装2有机硅胶封太阳能电池有机硅胶是一种特殊结构的封装材料,它具有耐高温、耐低温、耐老化、耐紫外线、抗氧化、电绝缘等特性.有机硅胶是弹性机,在外力作用下具有变形能力,硅片在经受热胀冷缩时不会损坏,不过耐冲击能力差,在封装时,表层需盖钢化玻璃进么保护.其封装流程与环氧树脂接近,只需增加粘合玻璃的工序.经过此封装太阳能板使用时间可达到8年左右.3超白钢化玻璃层压封装层压板大功率的太阳能电池组件一般都使用此方式进行封装,此种封装的材料为：超白钢化低铁玻璃、抗紫外线EVA、耐酸、碱的TPT,以
47、过以下步骤：激光切片焊接负极焊接正极将电池片焊接成串层叠玻璃-EVA-太阳能电池-EVA-TPT中测压层固化装铝合金边框、接线盒终测.此封装制作太阳能板一般使用寿命可达15年以后,有的甚至达到25年.层压太阳能板使用了铝合金边框,可以方便的进行组合,增容等,一般使用于大型的户用电源与发电站.太阳能发电系统的组成太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、负载等组成.其中,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统,控制器和逆变器为控制保护系统,负载为系统终端.如图所示：1太阳能电池组件太阳能电池组件是发电系统中的核心部分,其作用是将太阳的辐射能直接转换为直流电,供负载使用或存贮于蓄电池内备用.一般根据用户需要,将若干太阳能电池板按一定方式连接,组成太阳能电池方阵阵列,再配上适当的支架与接线盒组成太阳能电池组件.电池
