使用参数分析法设计独立型太阳能光伏系统

使用参数分析法对独立型太阳能光伏系统进行设计时，首先必须根据负载的消费功率、用途等决定系统的构成。独立型太阳能光伏系统根据负载的种类、是否使用蓄电池、逆变器可分为以下几种: 直流负载直连型、直流负载蓄电池使用型、交流负载蓄电池使用型、直、交流负载蓄电池使用型等。系统图请参阅5.2.2小节，下面分别介绍这些系统的设计方法。

独立型太阳能光伏系统设计时，首先要弄清太阳电池使用场所的日照条件、电气设备的使用条件等，然后根据所使用的电器的消费功率决定太阳电池的容量。如果使用蓄电池，还必须决定蓄电池的容量。

7.4.1.1 直流负载直连型系统的设计

对于直流负载直连型系统，根据所使用的电器的电气特性，选择的太阳电池的容量会有很大的差异。由于该系统不用蓄电池，一般来说，太阳电池的容量为使用电器设备的容量的2倍左右。

7.4.1.2 直流负载蓄电池使用型系统的设计

对于直流负载蓄电池使用型系统以及交流负载蓄电池使用型系统，太阳电池容量的计算方法如下:

图7.3 太阳电池容量的计算方法

图7.3中的一日必要的电流量IL以及必要的太阳电池的电流IS，可分别由下式计算:

一日必要的电流量:

IL=I×T(A·h/d)　(7.17)

必要的太阳电池的电流

IS=IL/ (0.6× (3～4) ×0.8)　(7.18)

蓄电池容量的计算方法如图7.4所示，其中，蓄电池容量由下式进行计算:

C=IL×(3～4)/(0.75×(0.5～0.7) ×0.8)　(7.19)

图7.4 蓄电池容量的计算方法

下面举例说明实际系统的设计方法。这里假定直流负载为荧光灯，电压为12V，功率为4W。荧光灯作为庭园灯使用，每天夜间使用5h。设计方法如图7.3所示。

1. 系统的构成

由于太阳电池只需向荧光灯供电，而且为直流负载，因此不需要逆变器，考虑采用直流负载蓄电池使用型系统。

2. 太阳电池容量的计算

在已知负载的消费功率的前提下，需要根据负载的消费功率决定太阳电池的容量。

电器所必需的电流:

I=4(W)/12(V) =0.34(A)

一日所必要的电流量:

IL=0.34(A) ×5(h) =1.7(A·h)

选择太阳电池容量时，选平均日照时间为3h，必要的太阳电池的电流IS为

IS=1.7(A·h)/(0.6×3) =0.94(A·h)

可见，选择动作电压为15V，IS=0.95(A)的太阳电池较为合适。

3. 蓄电池容量的计算

由前面的计算可知，IL=1.7(A·h)，连续雨天日为7d，由于蓄电池每天重复充放电，因此放电深度取0.5，蓄电池容量为:

C=1.7(A·h) ×7/(0.75×0.5) =31.7(A·h)

选32A·h的蓄电池即可。由于系统未使用逆变器，因此以上的计算中省去了逆变器效率，将逆变器效率当做1处理。

7.4.1.3 交流负载蓄电池使用型系统的设计

由于一般的家庭电器为交流负载，因此必须将直流电转换成交流电，这就需要使用逆变器。因此，在计算太阳电池容量以及蓄电池容量时，必须考虑逆变器的问题，计算方法见图7.3、图7.4。这里以收录机、电视机为例说明设计方法。

使用电器: 收录机(AC220V、50Hz、10W)、电视机(AC220V、50Hz、60W)，总功率为70W。每日使用时间: 收录机为1h，电视机为4h。

1. 系统的构成

由于负载为交流负载，所以采用交流负载蓄电池使用型系统。

2. 太阳电池容量的计算

由于使用12V的蓄电池，因此，录音机、电视机的消费电流:

收录机的消费电流为　IR=10(W)/12(V) =0.84(A)

电视机的消费电流为

ITL=60(W)/12(V) =5(A)

一日所必要的电流量:

收录机为

IRT=0.84(A) ×1=0.84(A·h)

电视机为

ITL=5(A) ×4=20(A·h)

总的消费电流量:

0.84(A·h) +20(A·h) =20.84(A·h)

平均日照时间为3h，则IS为

IS=20.84(A·h)/(0.6×3×0.8) =14.5(A)

可以选择动作电压15V，Iop=1.2(A)的太阳电池12枚，其输出功率为216W。

3. 蓄电池容量的计算

由前面的计算可知，一日所必要的电流量为20.84A·h，连续雨天日为7d，由于蓄电池每天重复充放电，因此放电深度取0.5，蓄电池容量为

C=20.84(A·h) ×7/(0.75×0.5×0.8) =487(A·h)

选500A·h的蓄电池即可。

4. 逆变器

前面说过逆变器是一种将直流电转换成交流电的装置。对于本设计系统来说，要将12V的直流电变成220V的交流电。由于录音机与电视机的消费功率为70W，因此必须选择70W以上容量的逆变器。逆变器的容量一般用单位(VA)来表示，其容量通常取消费功率的1.5倍左右。

根据以上计算，太阳电池的输出功率为216Wp，电压为15V，太阳电池12枚;蓄电池的电压为12V，容量为500Ah; 逆变器的输入电压为12V，输出电压为220V/50Hz，容量为330VA。(www.xing528.com)

7.4.1.4 直、交流负载蓄电池使用型系统的设计

为了说明直、交流负载蓄电池使用型系统的设计方法，这里假定直流负载为12V/36W的电灯、一日使用时间为2h。交流负载为220V/24W的计算机，一日使用时间为3h。考虑到雨天、夜间使用的需要，假定蓄电池储存的电力能满足使用5天的需要。根据以上要求可选择直、交流负载蓄电池使用型系统。下面说明直、交流负载蓄电池使用型的太阳能光伏系统的设计方法。

1. 电器的消费电流的决定

电器的消费功率、额定电压已知时，电器的消费电流可由下式确定:

消费电流=消费功率/额定电压　(7.20)

对于直流12V/36W的电灯来说，电灯的消费电流=36W/12V=3A。

由于计算机为交流负载，因此应计算出交流消费电流，然后换算成直流消费电流。计算机的交流消费电流=24W/220V=0.11A; 直流消费电流=24(W)/12(V)=2(A)。

2. 太阳电池一日的必要发电电流量的决定

由于太阳电池的设置条件与气象、污染状况等有关，并非一直处在最佳的发电状况，因此需要对太阳电池的出力进行修正。一般用下式计算太阳电池一日所需发电电流量:

式中: 出力修正系数与气象条件、电池板的污染状况、老化等有关，一般取0.85，蓄电池的充放电损失系数与蓄电池的充放电效率有关，一般取0.95，其他的修正系数与逆变器的转换效率、损失有关，详见使用说明书。

太阳电池一日所需发电电流量被确定之后，则需要根据太阳电池设置地区的平均日照时间决定太阳电池的必要电流。太阳电池的必要电流根据下式确定:

平均日照时间一般根据一年的日照时间来决定，太阳电池所使用的地区不同则平均日照时间也不同，对于一般的地区来说，将日照量换算成1000W/m2时，平均日照时间为2.6～4h，这里以平均日照时间为3.3h为例。

由于所使用的电灯为直流电器，式中的其他修正系数可取1; 而计算机为交流负载，需要通过逆变器将太阳电池的直流电转换成交流电，这里假定逆变器的转换效率为80%，需要说明的是逆变器的转换效率与制造厂家、产品有关，请参阅厂家的产品说明书。

太阳电池一日所需发电电流量的计算如下:

太阳电池的必要电流计算如下:

将太阳电池与太阳的光线成直角设置时，太阳电池的出力最大。太阳电池的设置角度一般选择一年之中发电效率最高的南向与水平面的角度，设置场所应选择一年中日照时间最短日(冬至前后)的日中(上午9点到下午3点)，并且太阳电池无阴影的地方。如果条件允许可以设置能够根据冬、夏调整太阳电池角度的支架，使太阳电池的出力增加。

3. 太阳电池的最大出力电压的计算

太阳电池的最大出力电压=蓄电池的公称电压×满充电系数+二极管电压降　(7.23)

这里使用铅蓄电池，其公称电压为12V，满充电系数为1.24，使用硅整流二极管，其电压降为0.7V，太阳电池的最大出力电压的计算如下:

太阳电池的最大出力电压=12×1.24+0.7=15.58(V)

4. 太阳电池的选定

太阳电池的必要电流以及最大电压决定之后，可参考太阳电池的规格选择适当的太阳电池。由于太阳电池的出力受光的强度的影响会发生较大的变化，另外，太阳电池的出力也受其设置场所的方位、角度的影响，有时难以得到足够的电能，因此，在选择太阳电池时必须考虑这些因素并留有余地。

5. 太阳电池并联、串联的连接方法

一枚太阳电池往往难以满足实际负载的需要，因此必须将数枚太阳电池并联或串联连接，以满足负载的电压、电流以及功率的需要。数枚太阳电池并联或串联使用时，应尽量使用同一规格的太阳电池，因为不同规格的数枚太阳电池并联或串联使用时，由于相互出现电压不等现象，有时难以充分发挥太阳电池的功能。

串联连接是将同一规格的各太阳电池的正极与负极分别连接的方法。这种连接方法可使输出电压增加，但输出电流保持不变。

如某太阳电池厂家制造的太阳电池的规格:

(1)最大出力为50(W);

(2)最大输出电压为15.9(V);

(3)最大输出电流为3.15(A)。

2枚太阳电池串联时:

(1)最大出力为100(W)(50W×2);

(2)最大输出电压为31.8(V) (15.9V×2);

(3)最大输出电流为3.15(A) (不变)。

并联连接是将同一规格的数枚太阳电池的正极全部相连、然后将负极全部相连，使输出电流增加，而输出电压不变的连接方法。

同样，如果太阳电池的规格如上，2枚太阳电池并联连接时:

(1)最大出力为100(W) (50W×2);

(2)最大输出电压为15.9(V)(不变);

(3)最大输出电流为6.3(A)(3.15A×2)。

由此可知，将两枚太阳电池并联使用时，可以满足前面算出的太阳电池的必要电流5.06A，最大输出动作电压15.58V以上的需要。

6. 蓄电池的容量计算

计算蓄电池容量时，需要考虑蓄电池充放电损失，如发热损失。蓄电池保守率用来对蓄电池充放电时的损失进行修正，保守率一般为0.8左右。蓄电池的容量由下式计算:

代入以上的数据，可计算出蓄电池的容量。

7. 蓄电池的选定

太阳电池与蓄电池一起使用时，必须合理地选择蓄电池并对其进行维护。选择蓄电池时必须考虑负载容量、蓄电池的放电深度、设置环境、价格成本以及使用寿命等因素。另外，蓄电池出现过充电时，过多地消费蓄电池的电解液，从而导致蓄电池破损。因此，系统经常使用对蓄电池有利。

蓄电池的种类较多，目前铅蓄电池以及碱蓄电池用得较广。一般地说，铅蓄电池容量大、价格较便宜，但重量较重，期待寿命一般在3～15年。而碱蓄电池寿命长、一般为12～20年，大电流放电特性较好、重量较轻，但价格较高。太阳能光伏系统一般使用容量较大、价格比较便宜的铅蓄电池。

8. 充放电控制器的选定

充放电控制器由阻塞二极管、继电器、温度修正装置等构成。阻塞二极管用来防止蓄电池的电流流向太阳电池。继电器的作用是根据照度传感器以及太阳电池的输出电压判断出没有日光，然后将蓄电池与负载连接。温度修正装置具有检测出蓄电池的温度，然后对充电电压进行修正的功能。

充放电控制器的选择与蓄电池输入电流、负载电流有关，设计时要留有一定的余地，一般用保守率来表示，保守率一般取0.85。蓄电池输入电流、负载电流分别由下式计算:

将有关数据代入式(7.26)，可以计算出蓄电池输入电流、负载电流:

充放电控制器的最大输入电压必须大于太阳电池的开放电压(这里为19.8V)，以防止充放电控制器受到损坏。

9. 逆变器的选定

逆变器是一种将直流电转换成交流电的装置。根据转换的原理可分为正弦波形、模拟正弦波形以及矩形波形等种类。正弦波逆变器与一般家庭所供给的商用电源的电压波形相同。模拟正弦波逆变器转换效率较高、体积小、轻便，但价格较高。矩形波逆变器较便宜，但有运转噪音。

选定逆变器时，需要计算出逆变器的输入、输出电流。这里假定所使用的逆变器的效率为90%，逆变器的输入、输出电流可由下式计算。必须注意逆变器的输入电流与输出电流是不同的，见图7.5所示。

图7.5 逆变器的输入电流与输出电流的关系

由于计算机负载为24W，220V，逆变器的输出电流、输入电流如下:

对于直、交流负载蓄电池使用型系统的各部分连接来说，原则上应将逆变器与蓄电池直接相连。由于220V的电器在开关接通的瞬间会超过额定功率，如果将其与充放电控制器连接，流过的大电流会导致充放电控制器损坏。但是，如果流向逆变器的最大电流小于充放电控制器的额定负载电流，则可按蓄电池、充放电控制器、逆变器的顺序连接。