太陽能家庭發(fā)電系統(tǒng)設計詳解

　　1、家庭式太陽能發(fā)電系統(tǒng)整體設計步驟

　　如圖3-1為家庭式太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計步驟框圖。家庭式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計分為軟件設計和硬件設計，軟件設計先于硬件設計。軟件設計包括：負載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池和蓄電池容量的計算，太陽能電池方陣安裝傾角的計算，系統(tǒng)運行情況的預測和系統(tǒng)經(jīng)濟效益的分析等。硬件設計包括：負載的選型及必要的設計，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設計，逆變器的選型和設計，以及控制系統(tǒng)選型和設計。由于軟件設計牽涉到復雜的太陽能輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設計計算，一般是由計算機來完成的；在要求不太嚴格的情況下，也可以采取估算的辦法。

　　在設計計算中，需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場的地理位置，包括地點、緯度、經(jīng)度和海拔等；安裝地點的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量及散輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無法做出長期預測，只能以過去10年到20年的平均值作為依據(jù)。另外，從氣象部門得到的資料，一般只有水平面的太陽輻射量，實際使用時必須設法換算到相應陣列傾斜面上的輻射量。對于偏遠地區(qū)的太陽輻射數(shù)據(jù)可能并不類似于附近的城市，可采用鄰近某個城市的氣象資料或類似地區(qū)氣象觀測站所記錄的數(shù)據(jù)進行類推。

　　2、 光伏方陣最佳傾角計算

　　由于太陽光照射到地面的角度時時刻刻都在變化，而太陽能電池只有在日光直射的時候發(fā)電的效率是最高的，因此太陽能電池方陣布置有兩種方法： 一種是安裝向日跟蹤系統(tǒng); 另外一種是根據(jù)計算確定最佳安裝角度安裝太陽能電池方陣。前者可以提高太陽能電池的發(fā)電效率，但成本很高，后一種雖然效率沒有前者高，但建設成本較低，綜合考慮采用第二種方法。

　　（1）計算方法

　　（3-1）式中ρ為地物表面反射率。一般情況下，最后一項地面反射輻射量很小，只占HT的百分之幾。式中H為水平面上總輻射量。ρ為地面反射率，范圍大致為0.2～0.7，通常取ρ=0.2。在實際應用時，傾角的計算結果精確到1°已經(jīng)足夠。具體計算過程相當復雜，為此可利用計算機軟件，只要輸入安裝地點的太陽輻射資料及地理緯度等數(shù)據(jù)，即可算出任意傾角下的平均日輻射量，最后確定當?shù)氐淖罴褍A角及各月平均日輻射量［10］。

　　（2）平均峰值日照時數(shù)計算

　　由太陽能電池傾斜面方陣上有輻射資料的歷年逐月日平均太陽能輻射量可求出全年平均日太陽輻射量HT，，并用單位mWh/cm2表示，除以標準日太陽輻射照度，即可求出平均峰值日照時數(shù)T0，如式（3-7）所示。

　　（3）駐馬店地區(qū)的氣象資料

　　駐馬店位于河南中南部，北接漯河，南鄰信陽，地處淮河上游的丘陵平原地區(qū)。位于北緯32°18′—33°15′，東經(jīng)113°10′—115°12′，地處亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，具有亞熱帶與暖溫帶的雙重氣候特征，是典型的季風型半濕潤氣候。主要特點是：季風分明、四季分明、溫濕適中、雨熱同季。年平均太陽輻射總量112～120千卡/平方厘米，年平均日照時數(shù)約為2000～2200小時。全年平均氣溫15℃，極端最低氣溫-21℃，極端最高氣溫達44℃。全市多年平均降水量為920mm，南部多于北部，西部多于東部。常年主導風向冬季為西北風和北風，夏季為東南風和南風，最大風速為25米/秒。

　　根據(jù)駐馬店地區(qū)的歷年逐月日平均輻射量及駐馬店地區(qū)的緯度經(jīng)計算駐馬店地區(qū)平均實際日照時數(shù)7小時；平均峰值日照時數(shù)（組件表面上）為4.33小時；最小的日峰值日照時數(shù)為3.68小時；駐馬店地區(qū)的太陽能電池組件最佳傾角為41°。結果見表（3-3）所示。

　　3、家庭日用電負荷計算

　　本次試驗設計所用的家庭負荷量數(shù)據(jù)采用調查訪問的形式獲得，對普通家庭式日常用電負荷進行調查，計算統(tǒng)計出家庭常用負荷的功率及其用電時數(shù)，表3-4為普通家庭日常負荷表。

　　由統(tǒng)計表知普通家庭家用負載總功率約為1.78KW；每日耗電量L約為5.77kW.h 。

　　4、電池組件的確定

　　太陽能電池組件板的功率

　　式中，L為負載每天總耗電量；T0為平均峰值日照時數(shù)；η1為蓄電池充電效率（0.80～0.90）；η2為方陣方陣組合損失表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通常可取0.9～0.95；η3為逆變器的轉換效率，通常可取0.9～0.98。K為考慮一些未知工作因素，而引入的安全系數(shù)，可根據(jù)電壓等級，數(shù)據(jù)準確程度，運行環(huán)境等，在1.05～1.30之間選取。

　　由日耗電量L=5.77kW.h，可計算出該系統(tǒng)需要太陽能電池板的總功率

　　PA=1.67KW，由此可以選擇總功率為1.7KW的太陽能組件，一般采用太陽能電池標準組件，通過串并聯(lián)構成所需要功率的太陽能電池方陣。該系統(tǒng)可采用36塊每塊電壓為0.5V，功率為2.8W的太陽能電池板串聯(lián)成面積125×125，電壓18V，功率100W單晶太陽能電池組件，再用17塊該太陽能組件進行并聯(lián)使用。

　　5、蓄電池容量的確定

　　在獨立型家庭式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏組件的最重要部件，而且隨著光伏組件價格的不斷降低，蓄電池在總投資中的比例正在逐漸增加。所以，合理配置蓄電池容量十分重要：容量過大，不僅增加投資，而且會造成蓄電池充電不足，長期處于虧電狀態(tài)，加上自放電等原蓄電池容量因，蓄電池容易損壞；容量太小，容易造成過放電，不能滿足負載用電需要。參考《《RAPS Design Manual》》和《《Applied Photovoltaics》》兩個文獻，蓄電池容量的計算可以根據(jù)用電負荷和連續(xù)陰雨天數(shù)來確定，實際計算可按式（3-9）

　　式中，C－蓄電池容量， S－蓄電池供電支持的天數(shù)（一般取2.5～5.0d）， L－負載平均每天用電量，；DOD－蓄電池放電深度（一般取0.8）， ηout -從蓄電池到負荷的效率：ηout = Fo×Fi， Fo－交流配電電路效率（一般取0.95），F(xiàn)i－逆變器效率（一般取0.90～0.98），K－蓄電池放電容量修正系數(shù)（一般取1.2）等于蓄電池Amp-hour效率的倒數(shù)。 根據(jù)系統(tǒng)要求計算日耗電量L=5.77kW.h，再根據(jù)式（3-9），可算出蓄電池組的容量C值為27.91kWh，選擇12V的標稱電壓鉛酸蓄電池單體，串聯(lián)成24 V電池蓄電池組；根據(jù)電池組容量安時數(shù)等于所需瓦時除以電池組電壓，得電池組的容量C′= C/24 = 1162.86Ah，所以可選擇12個12 V，200 Ah的密封免維護鉛酸蓄電池先兩兩串聯(lián)后再進行并聯(lián)，即可接成滿足需要的蓄電池組。

　　6、逆變器和控制器的確定

　　根據(jù)用戶的負載實況要求計算出負載總功率為P負為1.77KW，由于負載的總功率大于逆變器總功率的80%時，逆變器會發(fā)熱過度減少逆變器的使用壽命，所以選擇逆變器時需要有設計余量，一般逆變器的功率計算為P逆= P負/η ，一般η取80%，則P逆為1.77kW/80% =2.22KW，所以需要選用3KW的逆變器。

　　太陽能電池板需要的時均總功率為PA為1.7KW ，由于采用24 V電池，因此系統(tǒng)最大電流約為PA/24 =70.8 A，我們可選擇24 V 80A的控制器。