獨立光伏電源系統(tǒng)設計方法

經過光伏工作者們堅持不懈的努力，太陽能電池的生產技術不斷得到提高，并且日益廣泛地應用于各個領域。特別是郵電通信方面，由于近年來通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，對通信電源的要求也越來越高，所以穩(wěn)定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領域。而如何根據(jù)各地區(qū)太陽能輻射條件，來設計出既經濟而又可靠的光伏電源系統(tǒng)，這是眾多專家學者研究已久的課題，而且已有許多卓越的研究成果，為我國光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎。筆者在學習各專家的設計方法時發(fā)現(xiàn)，這些設計僅考慮了蓄電池的自維持時間（即最長連續(xù)陰雨天），而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復時間（即兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)）。這個問題尤其在我國南方地區(qū)應引起高度重視，因為我國南方地區(qū)陰雨天既長又多，而對于方便適用的獨立光伏電源系統(tǒng)，由于沒有應急的其他電源保護備用，所以應該將此問題納入設計中一起考慮。

本文綜合以往各設計方法的優(yōu)點，結合筆者多年來實際從事光伏電源系統(tǒng)設計工作的經驗，引入兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設計的依據(jù)之一，并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素，提出了太陽能電池、蓄電池容量的計算公式，及相關設計方法。

2影響設計的諸多因素

太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜、光強受到大氣層厚度（即大氣質量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。

太陽能電池方陣的光電轉換效率，受到電池本身的溫度、太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響，而這三者在一天內都會發(fā)生變化，所以太陽能電池方陣的光電轉換效率也是變量。

蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的，其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。

太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、質量等也關系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。

負載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無人氣象站等，有固定的設備耗電量。而有些設備如燈塔、航標燈、民用照明及生活用電等設備，用電量是經常有變化的。

因此，太陽能電源系統(tǒng)的設計，需要考慮的因素多而復雜。特點是：所用的數(shù)據(jù)大多為以前統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，各統(tǒng)計數(shù)據(jù)的測量以及數(shù)據(jù)的選擇是重要的。

設計者的任務是：在太陽能電池方陣所處的環(huán)境條件下（即現(xiàn)場的地理位置、太陽輻射能、氣候、氣象、地形和地物等），設計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經濟效益，又要保證系統(tǒng)的高可靠性。

某特定地點的太陽輻射能量數(shù)據(jù)，以氣象臺提供的資料為依據(jù)，供設計太陽能電池方陣用。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值。

地球上各地區(qū)受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區(qū)的太陽能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化，其規(guī)律與太陽照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天，方陣就幾乎不能發(fā)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。設計者多數(shù)以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時數(shù)的平均值作為設計的主要數(shù)據(jù)。由于一個地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同，為可靠起見應取近十年內的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負載的耗電情況，在日照和無日照時，均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽能總輻射量或總日照時數(shù)對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。

對太陽能電池方陣而言，負載應包括系統(tǒng)中所有耗電裝置（除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等）的耗量。

方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流，適當數(shù)量的組件經過串并聯(lián)即組成所需要的太陽能電池方陣。

3蓄電池組容量設計

太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護簡單。

（1）蓄電池的選用

能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池，因為其固有的“免”維護特性及對環(huán)境較少污染的特點，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經常維護及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價格較高，僅適用于較為特殊的場合。

（2）蓄電池組容量的計算

蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內，方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發(fā)電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以，這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。

因此，蓄電池的容量BC計算公式為：

BC=A×QL×NL×TO／CCAh(1)

式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；

QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)；

NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；

TO為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；

CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

4太陽能電池方陣設計

（1）太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns

將太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當。串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓，方陣就不能對蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠高于浮充電壓時，充電電流也不會有明顯的增加。因此，只有當太陽能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時，才能達到最佳的充電狀態(tài)。

計算方法如下：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）

式中：UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓；

Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓；

Uf為蓄電池浮充電壓；

UD為二極管壓降，一般取0.7V；

UC為其它因數(shù)引起的壓降。