毕业设计（论文）太阳能独立发电系统设计.doc

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1、2 光伏发电系统的工作原理与结构2.1 光伏发电系统的工作原理2.1.1 PN结的结构与原理太阳能光伏发电系统所利用的是太阳能电池半导体材料的光伏效应，可以用简单的PN结来说明。PN结是太阳能电池的构成基础，由n型和p型半导体材料构成。由于n区含有高浓度的电子而p区含有高浓度的空穴，电子带有负电而空穴带有正电，所以电子会从n区扩散到p区。同样，空穴则从p去扩散到n区。如果n区和p区两边的浓度不相等，这种扩散将持续的进行下去直到两边的浓度达到相同为止。然而，在一个PN结中，当电子和空穴扩散到另一方时，伴随着这种扩散他们会留下暴露的电荷在掺杂原子的位置上，而掺杂原子是固定在原子晶格上不能移动的。因

2、此，在n区，正离子是暴露的，而在p区，负离子是暴露的。这样，这两种暴露的电荷层就在半导体内部建立了一个内建电场，内在电场所在区域被称为“耗尽区”。内建电场会清除耗尽区内的载流子，同时在PN结中产生一个电位。图2.1展示了PN结中内建电场的形成过程4。图2.1 PN结中内建电场形成过程示意图一个没有外部输入的PN结的表现和一个两端有外部电场情况下耗尽区中载流子的再生、复合、扩散和漂移达到平衡的PN结的表现是一样的。尽管存在电场时，电场会阻止载流子的扩散，但是还是有一些载流子能漂移过PN结。在下图中，大多数载流子刚进入耗尽区就在电场作用下回到了他们的来源处。然而，统计表明，还是有一些载流子拥有足够

3、高的速度能够在某个方向上穿越过PN结。一旦大部分载流子穿越结，PN结的P区和N区中将存在大量载流子。他们将继续远离PN结扩散，在发生复合之前移动大约相当于扩散长度的距离。载流子穿越过PN结的漂移运动所产生的电流称为“扩散电流”。在图2.2中，还可以看到耗尽区中的载流子和已经穿越过PN结的载流子。注意，在实际的PN结中，载流子的数量和速度要比图中所示的大很多，所以穿越过PN结的载流子的数量也比图中载流子数量多的多。少数载流子到达耗尽区的边缘被耗尽区中的电场运送过耗尽区，由此而产生的电流叫做“漂移电流”。为保持平衡状态，漂移电流受到少数载流子数量的限制，而这些少数载流子是在PN结的扩散长度内热运动

4、引起的。图2.2 耗尽区中的载流子移动情况 当在PN结两端加上正向偏压时，结两端的电场减小。在P型材料两端加正电压或者在n型材料两端加负电压，都会在器件耗尽区两端产生与内建电场相反的电场。由于耗尽区的电阻率比其余部分高（这是耗尽区内载流子数量较少造成的），几乎所有的实用电场都在耗尽区。耗尽区内净电场的减小打破了结中的平衡，因此，减小了载流子从PN结的一边移动到另一边的阻力，提高了扩散电流。如图2.3所示。当在PN结两端加上反向偏压时，结内的内建电场增加。内建电场的增加降低了载流子从PN结的一边扩散到另一边的几率，因此扩散电流减小。图2.3 反向偏压下载流子移动情况理想PN结单元太阳能电池的电流

5、-电压关系式为: （2.1）上式中，I为通过二极管的净电流，为“暗饱和电流”，不存在光照时二极管的泄漏电流密度，V为二极管两端的电压，q为电荷的绝对值，k为波尔兹曼常量，T为绝对温度。暗饱和电流是一个区分二极管的重要参数。同时，能衡量器件的复合率。器件的复合率越大，就越大。注意： （1）随温度的升高而升高 （2）随材料的品质降低而降低当T=300K时， = 25.85 mV,为“热电压”。2.1.2 太阳能电池结构与原理太阳能电池是一个将光能转换为电能的电子设施。太阳光照在太阳能电池上同时产生电流和电压。这个过程的发生首先需要太阳能电池的材料能吸收光能以激发电子从低能级跃迁到高能级。同时，还需

6、要太阳能电池中的高能态电子能通过外电路移动，电子能在外电路中耗尽能量以回到高能态。有很多材料和过程能满足上述光伏能量转换的要求，但是在实际中，几乎所有的光伏能量转换用的都是有PN结组成的半导体材料。图2.4所示的为太阳能电池的横截面5。图2.4 太阳能电池横截面示意图太阳能电池的基本运作步骤： （1）光生载流子的产生； （2）光生载流子的聚集以产生电流； （3）太阳能电池两端电压的产生； （4）负载和寄生电阻消耗电能；太阳能电池中光电的转换过程包括以下三个关键的步骤：第一步，太阳能电池板吸收入射光子产生电子空穴对。在绝对零度的条件下，价带充满了电子，而导带中则不存在电子。在这种情况下，半导体不

7、显示导电性，相当于绝缘体。当具有一定能量的光子入射到半导体表面时，如果光子的能量大小比带隙能量大时，那么，这种光子将被半导体吸收。如果半导体晶格吸收的光子能量足够大，能够消除半导体晶格对电子的束缚作用，就会产生自由电子，留下空穴。因此，电子空穴对的产生条件是入射光子的能量大于太阳能电池材料的带隙能量。如果入射光子的能量小于带隙能量，那么入射的光子仅能透过半导体晶格，而对光电转换没有作用。同时，电子（在p型材料中）和空穴（在n型材料中）是亚稳态的，在他们发生复合之前存在的实际平均寿命相当于少数载流子的寿命。如果载流子发生复合，光生电子空穴对消失，电流和能量将不再产生。第二步，电子空穴对的分离，当

8、半导体中不存在电场时，光激发半导体产生的电子空穴对均匀分布在半导体之中，在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中形成电场，才能达到让受激发的电子空穴对分开的目的，从而向外电路供电，这种电场常用PN结来实现。被PN结聚集的载流子，构成这些载流子的电子和空穴被PN结在空间上分开以防止他们发生复合。这些电子和空穴的分开要归功于PN结中的内建电场。由PN结产生的电子空穴对的分离是有限的，如果没有与外部电路相连接，则被分离的电荷不能消失，被分离的电荷就会聚集在N、P两层，从而使PN结的内建电场势垒向着变小的方向偏转。结果，电子空穴对的分离过程停止，得到正常状态。这时，我们把PN结两端产生的电压

9、称为开路电压。如果发射极和太阳能基极连接在一起（例如太阳能电池短路连接），电子空穴对分离产生的电荷将流过外电路形成短路电流。可见，短路电流与入射光量成正比。图2.5描述了太阳能电池短路连接下的理想电流。图2.5 太阳能电池短路连接下的理想电流示意图第三步，过剩载流子的移动。吸收入射光子所产生的电子空穴对并不一定全部分离，产生的电子空穴对的数目与分离的电子空穴对数目的比值称为收集效率。因此，收集效率对研究光生电流很重要。收集效率受光生载流子移动的距离和扩散长度之比的影响。同时，收集效率还取决于器件的表面性质。耗尽区内再生载流子的收集效率是1，这是因为耗尽区内的内建电场会扫除其内部的电子空穴对以被

10、收集。而且，离PN结越远，收集效率越低。如果产生的载流子离PN结的距离大于一个扩散长度，这个载流子的收集效率将非常低。同样，如果再生载流子距离高复合率的表面区域比PN结更近，载流子将发生复合。图2.6描述了表面钝化和扩散长度对收集效率的影响。图2.6 表面钝化和扩散长度对收集效率的影响曲线结的收集效率和光生载流子的产生率决定了太阳能电池的光生电流。光生电流密度的方程式为： （2.2）图2.7给出了不同波长的光在单晶硅中光生载流子的产生率：图2.7 不同波长的光在单晶硅中光生载流子的产生率太阳能电池单元式光电转换的最小单元，将太阳能电池单元进行串、并联后封装起来就成为光伏电池组件，组件的功率可从

11、几瓦到数千瓦不等。把光伏电池组件再进行串、并联后就形成了光伏电池阵列。理论上说，根据实际情况可以组装功率任意大的光伏电池阵列。2.2 光伏发电系统的结构太阳能光伏发电系统是将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统与并网运行的光伏发电系统的主要区别在于蓄电池的使用，独立运行的光伏发电系统以蓄电池作为储能装置，而并网运行的光伏发电系统需要与电网连接运行。因此，独立运行的光伏发电系统常用于没有电网的边远地区，而并网运行的光伏发电系统主要用于由公共电网的地区。由于并网运行的光伏发电系统省去了蓄电池，不仅大幅度的降低了成本，而且提高了发电效率和拥有

12、更好的环保性能。本文讨论的范围是独立运行的光伏发电系统6。独立运行的光伏发电系统结构框图如图2.8和图2.9所示： 图2.8 太阳能电池板给直流负载供电的系统框图图2.9 太阳能电池板给交流负载供电的系统框图2.2.1 太阳能电池方阵太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件按一定方式连接，再配上合适的支架和接线盒而成。太阳能电池方阵的每个支路通过阻塞二极管、控制器向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为很多个子阵列，并且每个子阵列有一个电子开关来控制。当蓄电池的实际充电电压达到安装时设定的最高电压时，电子开关将自动按顺序切断若干个子阵列，从而防止蓄电池充电电压持续升高以达到保护蓄电池的作用，延长了蓄电池

13、的使用寿命，并且能最充分地利用和储存太阳能电池方阵产生的电能。太阳能电池方阵在安装的时候，为了能承受当地的最大风力应固定牢靠。而且距离地表应有一定的高度，以防止冬天积雪掩埋。同时，太阳能电池方阵与地面之间应有一定的倾角以最大限度的吸收太阳能。有些方阵组件的两端还并联有旁路二极管，有的带有跟踪系统，在这里本文就不一一介绍了。2.2.2 蓄电池组蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将太阳能方阵在用日照时产生的多余电能储存起来，以供负载在晚间或阴雨天等没有日照的情况下使用。蓄电池组是由若干个蓄电池按一定方式组装而成的。其容量要能达到在无日照的情况下满足用户要求的供电时间和供电量。目前，比较常

14、用的是铅酸蓄电池，也有些地方用的是镉镍蓄电池，但是后者的价格昂贵，所以相对来说，前者的应用要更广泛。太阳能光伏发电系统中的蓄电池有两个作用：第一，是总所周知的储能作用；第二，确定太阳能光伏发电方阵的工作点并起到一定的稳定作用，不管太阳能光伏发电方阵的电压随光照如何变动，输出电压一定被钳位在蓄电池电压上。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日均太阳辐射量大，方阵除了供给负载用电外，同时给蓄电池充电；冬天太阳日辐射量小，这部分储存在蓄电池中的能量就逐步的放出供负载使用。在这种季节性循环的基础之上还要考虑小得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电（同时太阳能电池方阵还要给负载用电），晚上蓄电池则

15、提供负载的全部用电。因此，在实际生活中，要求蓄电池的自放电要小，充电效率要高，而且还要考虑蓄电池的价格和使用是否方便等因素7。 2.2.3 控制器控制器是光伏发电系统的控制装置，其主要功能是光伏发电系统对蓄电池过度充电和蓄电池对负载过度放电。不同类型的光伏发电系统中的控制器也各不相同，而且其功能多少和复杂程度差别很大。控制器的具体使用要根据发电系统的具体要求以及重要程度来确定。控制器的组成部分包括电子元器件、仪表、继电器和开关等。在简单的光伏发电系统中，控制器的作用是避免蓄电池过充或过放以达到保护蓄电池的目的。而在并网运行的光伏发电系统中，控制器则需要有自动检测、控制、调节和转换等多种功能8。

16、2.2.4 逆变器光伏发电系统中太阳能电池方阵和蓄电池放出的是直流电。因此，若负载用的是交流电，则需在系统中安装逆变器。逆变器的作用是将发电系统中太阳能电池方阵和蓄电池放出的直流电逆变成220伏的交流电以供负载使用。2.2.5 阻塞二极管阻塞二极管也称作反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导通性防止在无日照的情况下蓄电池组向太阳能电池方阵放电。对于阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压高于蓄电池组的电压。3 光伏发电系统的设计原理由于作为光伏发电系统的输入能量的太阳能是不规则变化的，其累计值夜不一定，所以太阳能电池的性能并不是固定不变的。显然，设计光伏发电系

17、统不是一件容易的事。一般来说，光伏发电系统设计的方法大致可分为解析法和模拟法两种，如图3.1所示。图3.1 太阳能光伏发电系统的设计方法分类图对于解析法，首先，要建立表示系统动态的代数式，然后用电脑设计图线，按照顺序依次求出公式的解，目的在于求得设计中所必需的参数量。然而，各种状态量和系数的变动没有规律性可言，所以，直接处理就相当困难，比较常用的一种处理方法是将系统以概率变数记述。具有代表性的是LOLP（Loss of load probability）法。解析法德第二种是参数分析法。这种方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。首先，作为前提，表现在以某一期间的能量平均值代

18、替所有的参数。当然这么做会在某些部分产生矛盾，但可以导入修正参量。按照此种方法，设计中可直接利用所列公式，于是设计就变得极为简单了。模拟法是模拟系统的工作状态，将系统的状态动态地表现成太阳辐射与负荷等的模型，是一种利用计算机辅助的方法。运用这种方法，可以较为精确地对光伏发电系统做出事先评价。对于已运用参数分析法的基本设计而言，往往可用模拟法作进一步的确认。此外，也可以反过来先研究模拟结果，再用于参数分析法中的参数确定。3.1 参数分析法在设计太阳能光伏发电系统时，为了保证太阳能电池等系统组件的容量能满足负载所需的电力，需要运用下列公式：3.1.1 太阳能电池板容量的计算在负载的用电量和负载类型

19、确定的情况下，太阳能电池板容量的计算公式为 （3.1） （3.2） （3.3）上式中，为太阳能电池板接收的太阳辐射量（），A为太阳能电池板的面积（），为标准状态下太阳能电池的转换效率，K为综合设计系数，为负载需要的电量（），D为系统对负载的供电保证率，R为安全系数，为标准状态下太阳能电池板的发电量，为标准状态下太阳辐射强度（）。 （3.4） （3.5）上式中，为某期间太阳能光伏发电系统的发电量（），为辅助电能（），为来自系统的电能（），为输入系统的电能（）。 （3.6）上式中，为设计安全系数，为设计富余系数。3.1.2 蓄电池容量的计算本文只讨论负载的用电量比较均衡的情况，可以用下式计算蓄电池

20、的容量的大小： （3.7）上式中，负载每天由蓄电池的供电量（）,无日照连续天数（），为蓄电池设计余量，为容量降低系数，蓄电池可利用的放电范围，为蓄电池放电时的电压下降率。 （3.8）上式中，为系统发电量（）9。3.1.3 逆变器容量的计算对于独立运行的光伏发电系统，逆变器的容量的计算公式为： （3.9）上式中，为逆变器容量（）,预计增设的负载最大功率容量（）,为冲击电流率，为设计富余系数（也称为安全系数，通常选之在1.5到2.0之间）。3.2 LOLP法3.2.1 LOLP法简介太阳能电池板的发电量是到达太阳能电池板的光照辐射强度与太阳能电池板的面积和效率的乘积。太阳能电池板的发电量不仅随每天

21、循环、季节循环等气候条件的变化而变化，同时由于负载所要求的电力和日光辐射模型并不一致，所以必须要有蓄电池作为缓冲。系统设计者应预料日光辐射的变化，对太阳能电池板与蓄电池容量进行优化组合，以满足用户供电需求的可靠性。这种可靠性的水平就叫做负载率损失（loss of load probability, 缩写为LOLP）。表示系统满足负载要求的水平，当LOLP=0时，则意味着系统能完全满足负荷的要求；而当LOLP=1时，则表示系统不能满足负荷的要求。3.2.2 LOLP法的基本公式 （3.10） （3.11）上式中，A为太阳能电池板的面积（），B为蓄电池的容量（），为负载的用电量（），为设计对象的月

22、平均水平面日辐射量的设计值,为由日辐射量到蓄电池的效率，为有蓄电池到负载的效率，s为蓄电天数。其中，与光伏发电系统所在地的纬度和太阳能电池板的倾角有关10。3.2.3 LOLP法的计算流程图3.2给出了LOLP法的计算流程： 图3.2 LOLP法的计算流程3.3 模拟法太阳能光伏发电系统的模拟法通常用于系统的优化设计和运行状态的确定等。特别是在确定能量流动中是一个很好的方法。3.3.1模拟法的思路为了优化太阳能光伏发电系统的规模和运行状态，有必要系统进行模拟。一般来说，模拟是以某一段时间（往往选定为一年）的变化为对象。程序的设计过程大致如图3.3所示。于是可以按顺序决定太阳能光伏发电系统中的太

23、阳能电池板、蓄电池和负载的非线性电压、电流等的特性工作点。图3.3 模拟法的程序设计流程图3.3.2 太阳能光伏发电系统组件的模拟基本公式（1）太阳能电池板本文研究的太阳能电池板的模拟，是对于具有相同性质的太阳能电池组件的方阵而言的。太阳能电池的等价电路图如图3.4所示。图3.4 太阳能电池的等价回路太阳能电池解析的基本公式为 （3.12）上式中，为太阳能电池输出电流，为太阳能电池输出电压，为光生电流，为二极管饱和电流，为电子的电荷量，为太阳能电池的串联电阻，为二极管特性因子，为玻耳兹曼常量，太阳能电池温度，为太阳能电池的并联电阻（通常，对单晶硅和多晶硅太阳能电池，可以忽略不计）。（2）蓄电池

24、蓄电池的等效电路图如图3.4所示。图3.4 蓄电池的等效电路其数学表达式为: （3.13）上式中，为蓄电池两端的电压，为蓄电池的电动势，蓄电池单元充、放电电流，为蓄电池单元的内阻。(3)逆变器逆变器的模拟需要考虑无功损失、输入电流损失和输入电流损失，其等效电路如下图所示:图3.5 逆变器的等效电路图用数学表达式可表示为： （3.14） （3.15） （3.16） （3.17） （3.18）在上式中，为逆变器的输入电压，为逆变器的输入电流，为逆变器的输入功率，为逆变器的输出电压，为逆变器的输出电流，为逆变器的输出功率，为功率因子，为逆变器的无功损失，为逆变器效率，为逆变器的等价输入阻抗，为逆变器

25、的等价输出阻抗。值得注意的是，逆变器的无功损失（），不管有无负载，它都是一个定值11。4 光伏发电系统的优化设计4.1 光伏发电系统设计的基本思路一个完善的光伏发电系统需要考虑很多因素，进行各种设计，如电气性能的设计、机械结构的设计、热力设计等等。但对于地面应用的独立运行的光伏发电系统，最根本的是根据具体的实用要求来决定太阳能电池方阵和蓄电池组的规模，以满足正常的工作要求。光伏发电系统总的设计原则是以满足负载用电的前提下，确定太阳能电池盒蓄电池容量的最小化，以减少系统的成本，即要同时考虑可靠性与经济性。本文研究的独立运行的光伏发电系统一般应用于比较偏远没有公共电网的崎岖使用。所以，在实际设计过

26、程中，应该对实际情况进行充分地分析与研究，一般应遵循经济使用、可靠性高、充分考虑地理、气候的影响等几个原则。家用太阳能发电系统是独立运行的光伏发电系统在实际生活中的一个典型应用，也是太阳能电池在地面应用最早的领域之一。20世纪80年代初期，我国就大力研究和推广这项技术。目前，已有超过100万台家用光伏发电系统得到应用，特别是在边远，贫困的无电地区，大大提高了当地居民的生活质量。因此，本文以家用光伏发电系统为例来研究光伏发电系统的设计。家用太阳能发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器和灯具等组成，虽然部件不多，但若想真正设计出理想的发电系统却不是一件简单的事。图4.1描述了家用光伏发

27、电系统的设计流程12。图4.1 家用光伏发电系统设计流程图家用太阳能电池发电系统的设计步骤：第一步，根据具体环境列出基本数据全部负载的名称、额定工作电压、用电时间、功率等所在地理位置：包括当地的地名、经纬度等当地的气象资料：包括每月平均太阳总辐射量，直接辐射及散射量，最长连续阴雨天数，年平均气温和极端气温，最大风速计冰雹等特殊气候情况这些气象数据需要取自积累几年或几十年的平均值。第二步，确定负载大小需要算出全部负载工作电流与平均每天工作小时数的乘积之和。Q=I*H （4.1）第三步，蓄电池容量的确定：蓄电池的容量主要取决于负载的耗电情况，除此之外还要考虑当地的气候条件，系统控制的规律性和由系统

28、失效所引起的后果等等因素，通常认为蓄电池储存1020天的用电量比较合适。第四步，太阳能电池方阵倾角的确定：通常方阵倾角的确定采取一种近似的方法。一般的，在我国的南方地区，取方阵倾角的大小比当地纬度大1015；而在北方地区倾角只要比当地纬度大510即可，光伏发电系统所在地区纬度较大时，倾角比当地纬度增加的角度可以小一些。例如，在青藏高原，倾角可与当地纬度大致相等。同时，方阵的倾角常常取成整数，这样方便支架的设计与安装。第五步，计算日辐射量：通常，可以从当地的气象站的资料中查得太阳辐射总量，直接辐射量和散射辐射量。且有，太阳总辐射量等于直接辐射量和散射辐射量之和。需要上述参数换算成倾斜面上的太阳辐

29、射量，其中包括：直接辐射分量；天空散射辐射分量；地面反射辐射分量。第六步，估算方阵电流：算出方阵应输出地最大电流和最小电流。第七步，确定最佳电流：方阵的最佳电流应介于最大电流和最小电流这两个极限值之间，具体大小可用尝试法来确定。第八步，决定方阵电压：为了确保全年都能对蓄电池进行有效地充电，方阵的电压输出要足够大。第九步，确定功率。通过上述九步的计算，可以得到需要的蓄电池的容量，太阳能电池方阵的电压以及功率。同时，参照生产厂家提供的太阳能电池和蓄电池的性能参数，就可以选出合适的太阳能电池组件和蓄电池的型号了。4.2 负载用电需求和光伏方阵发电量分析4.2.1 负载用电需求分析用电需求主要是指用电

30、负载，设计任何独立运行的光伏发电系统，首要步骤都是要确定负载的大小、特性以及使用时间的长短、供电保证率等。负载用电量的估算直接影响到独立光伏系统的设计和成本。过高的估算会照成实际设计出来的光伏发电系统容量过大，成本过高和资源浪费；相反，如果估算过低的话，又会造成光伏发电系统的容量不足，系统的供电可靠性降低，不能达到用户要求的供电水平。同时，在设计光伏发电系统进行系统部件的选型之前，还要对负载的特性进行充分地了解。在分析负载特性是最重要的是分析负载是直流负载还是交流负载，是冲击性负载还是非冲击性负载，最后还要分析室重要性负载还是一般性负载。不同类型的负载的特性不同，大致可分为下列三类：（1）电阻

31、性负载：例如白炽灯、节能灯等，电压与电流相等，没有冲击电流。（2）电感性负载：例如发电机、水泵、电冰箱等，电流相对于电压有滞后性，有冲击性。（3）电力电子类负载：例如电视机、计算机、带电子镇流器的荧光灯等有冲击电流的负载。通常在进行用电需求分析时，应先列出全部负载的名称、额定电压、功率以及每天工作小时数。然后，将负载按额定工作电压的不同分组，并计算每组的总功率。最后，由于系统的工作电压已经选定，则可以算出整个系统在这个工作电压下所有负载的日平均耗电量之和。如果负载全年的用电量均匀分布，那么负载每日用电分布能用三种模型类表示。但是在运用这三种模型计算之前，需要首先确定下列三个参数：（1）每天平均

32、能量消耗量E（KWh）；（2）最大功率与最低功率的比值k；（3）用电最大功率的开始时间Tp（hr）；则上述提到的三种模型为：（设负载每小时耗电量为D（t）（1）恒定分布 （4.2）存在一个峰值的恒定分布 （4.3） , （4.4）上式中为峰值持续时间（2）余弦分布 （4.5） （4.6）上式中为余弦函数的幅值，为每日基准用量，c为角频率。4.2.2 光伏方阵发电量分析通常，光伏发电系统的发电量受以下三个因素的影响：（1）光照条件：太阳能电池只有在有光照的情况下才能发电，然而太阳发出光子并非直接打在太阳能电池板上，太阳照在太阳能电池板上的辐射光的光强和光谱受当地的气候地形还有大气质量和地理位置等

33、很多因素的影响，其能量在每日、每月甚至每年间都有较大的变化。（2）太阳能电池方阵的光电转换效率：由于光照强度、蓄电池电压浮动以及太阳能电池本身的温度等因素都会影响到太阳能电池方阵的光电转换效率。因此，方阵的输出功率（即发电量）会随着这些因素的变化而出现一些浮动。（3）负载用电情况：由于负载的类型不同，导致用电时间、耗电功率以及对系统可靠性的要求等各不相同。有的负载有固定的耗电规律，而有些则没有。影响光伏发电系统的这些因素非常复杂，原则上每个发电系统都需要单独的计算，对一些没有办法确定数量的影响因素也要进行估算。估算的方法是采用一些系数。考虑因素的不同以及复杂程度的差异决定了采用的方法不同13。

34、4.3 供电类型的选择通过上节负载用电需求的分析，由于光伏发电系统直接产生的电流为直流电流，所以，光伏发电系统可根据不同用户群体的需要设计出直流供电系统和交流供电系统两种系统。直流负载系统：直流系统由太阳能电池板、控制器和蓄电池等基本组件组成，专为如照明用灯具等使用直流电的负载供电。图4.2为直流家用太阳能光伏发电系统原理图。图4.2 直流家用太阳能光伏发电系统原理图交流负载系统：交流负载系统与直流负载系统的区别在于，交流负载系统除含有直流负载系统中的太阳能电池板、控制器和蓄电池外，增加了逆变器，而逆变器的功能正是将太阳能电池板和蓄电池输出的直流电转变成交流电以供负载使用。如图4.3所示，为交

35、流家用太阳能光伏发电系统的原理图。图4.3 交流家用太阳能光伏发电系统原理图4.4 光伏发电系统部件容量设计对于太阳能光伏发电系统的设计，首先要计算确定系统中各部件的容量，其中直流系统主要有太阳能电池和蓄电池两个组件的容量参数；而交流光伏发电系统还要计算逆变器的容量。这些参数是相互关联、相互依存而又相互独立的，太阳能电池组件决定了系统的可能发电量，蓄电池组件的容量由每天的充放电量和需要保证的自给天数，还有允许的最大放电深度决定。逆变器的容量则由负载的类型和总功率来确定。太阳能光伏发电系统的设计中，首先要对当地的太阳能辐射强度、地理气候等气象数据有详细的了解，通常要掌握当地的日平均太阳辐射量、月

36、平均太阳辐射量和连续阴雨天数。依据各部件的数理模型，计算出太阳能电池的发电量、蓄电池的容量和负载的工作情况，并预测在不同的供电可靠性要求下需要的太阳能电池和蓄电池的容量。下图4.4描述了独立运行的光伏发电系统的容量设计流程：图4.4 独立光伏发电系统容量设计流程框图4.4.1 日辐射量的计算光伏发电系统的发电量、系统组件的工作温度、蓄电池的自给天数、最大放电深度和容量等参数与当地的地理环境、气候条件、太阳能辐射资源等密切相关，直接影响到系统的性能和成本。气象状况无法预测，一般以过去1020年的平均值作为依据。而从气象部门得到的资料，只有水平面上的太阳能总辐射量H、直接辐射量和散射辐射量（1）

37、斜面上的直接辐射分量： （4.7）上式中，为斜面上的直接辐射分量与水平面上直接分量的比值。（2） 斜面上天空散射辐射分量：当各向同性时， （4.8）上式中，为太阳能电池方阵倾角。（3）斜面上的地面反射辐射量:一般将地面的反射辐射看成是各向同性的，其表达式为： （4.9）上式中，其中为地面反射率，其数值由地面状态决定，各种地面的反射率如表4.1所示，一般计算时，可取=0.2表4.1 地面的反射率（4）斜面上太阳总辐射量： （4.10）通常计算时，采用上式就可满足要求。如果考虑天空散射的各向不同性，则可用下面的公式计算：（4.11）上式中，为大气层外面水平面上的太阳辐射量14。4.4.2 失电小时

38、数（LOLH）在光伏发电系统容量设计中，失电小时数(LOLH)直接与系统的供电可靠性有关。因此，对失电小时数的计算时独立光伏发电系统容量设计中必不可少的一部分。如果独立光伏发电系统的失电小时数为0，也就是说系统供电可靠性100%，意味着在遇到最长的连续阴雨天气时系统仍能正常运行。这就需要系统中的太阳能电池方阵和蓄电池组有足够大的容量，因此，这种独立光伏发电系统的成本比较高，比较昂贵。如果考虑系统自出现失电时，用其他发电方式进行补给，例如柴油机发电，就可以节省数量可观的太阳能电池方阵和蓄电池的容量，从而大幅降低了系统的成本。4.4.3 太阳能电池方阵的最佳倾角在独立光伏发电系统中，通常强调最佳倾

39、角的设计。方阵的倾角不同，每个月方阵面接收的太阳能辐射量差别很大。对于负载均匀的固定式光伏方阵，如果设计的斜面的辐射量小，则需要更大的太阳能电池容量来保证向负载供电以满足用户的需求。如果倾斜面太阳辐射量很大，则需要容量大的蓄电池来保证太阳辐射量低是的电力供应。上述两种情况都会提高系统的成本，因此，确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统中一个必不可少的环节。通常实际生活中，我们用一种较近似的方法来确定太阳能电池方阵倾角。一般地，在我国南方地区，方阵倾角可取比当地纬度增加1015；在北方地区倾角可比当地纬度增加510，纬度较大时，增加的角度可小一些。在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。同时，为

40、方阵支架的设计，安装方便，方阵倾角常取成整数。4.4.4 太阳能电池方阵的容量计算在设计太阳能电池方阵的容量的过程中，要考虑下列两个方面，一方面要考虑当地的气候环境条件，它决定了系统的可发电量；另一方面要考虑用户的用电需求量，这是系统需要提供的电量，要求两者相当。在实际使用过程中，用户不能每日都使用，所以去一个同时率系数，一般为0.9。太阳能电池表面的温度和灰尘对太阳能电池的发电效率有很大的影响，根据实验测得的数据，这一影响可使太阳能电池发电组件发电量下降10%20%，在设计是通常取温度的影响系数为0.1，灰尘的影响系数为0.1。对于独立运行的光伏发电系统都配有蓄电池，蓄电池在能量储存时也有能

41、量损失，在设计时也要考虑在内。另外，对于交流光伏发电系统，由于要加上逆变器，逆变器有一个逆变效率，好的逆变器能达到92%以上的转换效率。综合以上所提到的因素，组件的容量设计应按下式计算： （4.12） （4.13）上式中，为年用电同时率，通常取0.9，为年理论总用电量，为水平面上年太阳总辐射量，为太阳能电池表面接收到的太阳能年辐射总量与水平面年总辐射量的比值，一般取为1.2，为光伏发电系统的总效率，为蓄电池放电效率，通常取0.85，为温度损失因子，一般取0.9，为灰尘遮蔽损失因子，通常取0.9，为逆变器效率，在直流系统中取1，在交流系统中则由所选逆变器决定，在设计时，可选取0.92为设计值，为

42、用户使用不当而损失的效率，通常取0.9。为了使供电可靠性更高，在用上述方法计算得到太阳能电池组件的容量后，还应该对结果进行适当的修正，一般扩大5%15%的容量。4.4.5 蓄电池容量的计算蓄电池储备容量的计算时根据光伏发电系统负载的耗电情况、自给天数以及蓄电池的放电深度来确定的，其中自给天数是认为设计的值，不同的用户要求不同，自给天数就不同。在设计的过程中要充分考虑当地的气候环境条件，尤其是历年的连续阴雨天数、用户对供电保证率的要求以及系统的成本。不同类型蓄电池的放电深度不同，一般来讲，铅酸蓄电池的放电深度为75%，碱性镍镉蓄电池取85%。因此，蓄电池的容量计算公式为： （4.14）上式中，为

43、蓄电池容量，为平均每天负载的用电量，为蓄电池自给天数，为蓄电池的放电深度，为逆变器效率15。4.4.6 逆变器容量计算在交流太阳能光伏发电系统中含有逆变器，逆变器的额定功率应略大于系统中计算出的功率，即加入一个安全系数，一般取1.21.5。逆变器容量的计算受到负载类型不同的影响，对于纯电阻型负载，逆变器的功率为系统中负载之和。而对于电感性负载，则要根据电感性负载启动时的浪涌电流加大逆变器的容量。因此，逆变器容量可用下面的公式计算： （4.15）上式中，为逆变器的容量，为安全系数，通常取为1.21.5，为电感性负载启动时浪涌电流为额定电流的倍数，为光伏发电系统中电感性负载的功率，光伏发电系统中纯

44、电阻性负载的功率16。4.5 独立光伏发电系统设计实例为实验室设计一套简单的太阳能光伏发电照明系统，照明用的负载为LED节能灯，其工作条件如下：工作电压为7V，每天照明时间为7小时，功率为15W，其余时间不工作。现在实验室有包括太阳能电池板、蓄电池、控制器和LED节能灯在内的组件，下一小节给出了组件的具体介绍。4.5.1 组件介绍（1）太阳能电池板本实验采用的太阳能电池板型号为ZJP-45wp40wp，其采用先进的工艺和生产设备制造，确保了组件的功率输出稳定性和长达25年以上的寿命。组件使用由深蓝色氮化硅层作减反射膜的晶体硅太阳能电池片，组件的外观良好。高透光率的钢化玻璃、抗老化的EVA、高性

45、能的晶体硅电池、耐候性优良的TPT层压而成，具有良好的耐候性、抗紫外线、冰雹、防水能力。具体参数如表4.2所示。表4.2 太阳能电池板参数测试条件（）： Irradiance:1000W/平方米， AM1.5 spectrum ，cell temperature 25组件型号：Module type :ZJP -45wp40wp尺寸Size LWH:51667635mm最大功率： 45W40W玻璃Glass:3.2mm最大工作电压：17.517.5电池片Cell:36pcs,size:6开路电压：21.521.5EVA:EVA最大工作电流：2.672.32TPT:TPT短路电流：3.182.54外框Frame:Aluminum系统电压：715VDC715VDC接线盒Junction:PVJB-SL0706工作温度：-40 +85-40+85（2）蓄电池本实验采用的蓄电池为NP系列阀控式免维护