光伏系统的优化设计

第7卷第2期沈阳工程学院学报(自然科学版)Vol.7 No.22011年4月.Jourmal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science)Apr. 2011光伏系统的优化设计李实,田春宁 ,鞠振河,殷志刚(辽宁太阳能研究应用有限公司,沈阳110034)摘要: 针对电阳能光伏发电的飞速发展,提出了在光伏系统设计中应注意的问题并作了简要分析.同时分别对光伏组件摆放和串并联,以及不同阵列间距的计算进行了分析,指出了光伏系统中影响蓄电池使用寿命的主要因素及注意事项,并给出了合理的建议.关键词:光伏组件;蓄电池;光伏阵列中图分类号: TM615文献标识码: B文章编号: 1673 - 1603(2011)02 -0107 -04行每瓦最多20元人民币的补贴.2009年7月16日,财0引言政部等3部门联合印发了《关于实施金太阳示范工程随着光伏发电的快速发展,2007年全球太阳能新的通知》,决定综合采取财政补助科技支持和市场拉装容量已达2 826 MWp. 2007年,在太阳能光电产业动 方式,加快国内光伏发电的产业化和规模化发展,并链中有大量的投资集中到新产能的提升上.此外,太阳计划在2 ~3年内,采取财政补助方式支持不低于500能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近MW的光伏发电示范项目.国家将原则上按光伏发电100亿美元,使得该产业规模不断扩大.2008年全球光系统及其配套输配电工程总投资的50%给予补助;其伏市场增至5.5 GW,全球太阳能安装总量已累计达中偏远无电地区的独立光伏发电系统按总投资的15GW.虽然受金融危机影响,德国、西班牙对太阳能70%给予补助;对于光伏发电关键技术产业化和基础光伏发电的扶持力度有所降低,但其他国家的政策扶能力建设项目,主要通过贴息和补助的方式给予支持.持力度却在逐年加大.日本政府2008年11月发布了单个光伏发电项目装机容量不低于300kWp、建设周“太阳能发电普及行动计划”,确定太阳能发电量到期原则上不超过1年、运行期不少于20年的,属于国家2030年的发展目标是要达到2005年的40倍,并在财政补助的项目范围内".然而,对于光伏工程项目特3~5年后,将太阳能电池系统的价格降至目前的-半别是光伏独立系统,不能盲目地追求光伏工程的容量,左右;2009年还专门安排30亿日元的补助金,专项鼓否则将会造成财力人力物力的大量浪费.对于光伏设计励太阳能蓄电池的技术开发.2008年9月16日,美国人员,应该全面考虑光伏系统各个不同部件和系统总体参议院通过了一揽子减税计划,其中将光伏行业的减的组合优化. 这些应该包括光伏组件部分线路传输部税政策(ITC)续延2~6年.分能址储存部分、系统控制部分的优化设计.中国太阳能资源非常丰富,理论储量达每年1光伏组件 部分17000亿t标准煤.2007年底，全国光伏系统的累计装机容址达到100MW,从事太阳能电池生产的企业1.1组件阴影达到50余家,太阳能电池生产能力为2900 MW ,太阳太阳能组件安装地点的选择，必须考虑到阴影问能电池年产量为1 188 MW ,超过了日本和欧洲.题.因为一年中太阳始终是不断变化的,所以阴影也是在金融危机形势下,2009年3月23日,中国财政不断变化,因此太阳能组建系统固定装置就要采取极部、住房和城乡建设部出台《太阳能光电建筑应用财限计算方法来满足要求,以阴影计算太阳高度角就需政补助资金管理暂行办法》,决定对部分光伏建筑进要 被引人对干地残上的其个地点,太阳高度角是指太中国煤化工收稿日期: 2011-01 -12JTYHCNMHG基金项目:辽[宁省科学技术计划项日(2004224003) ;辽宁省科技攻X项月(200作者简介:李实( 1962 -),男,沈阳人,高级经济师,硕上108●沈阳工程学院学报(自然科学版)第7卷阳光的入射方向和地平面之间的夹角.太阳高度角随成阴影物体的最小问距S=H * Cot 0.着地方时和太阳赤纬的变化而变化.太阳赤纬角以δ表示,观测地地理纬度用φ表示,地方时(时角)以1表染示,太阳高度角的计算公式“为sin h=sinφ sinδ+cosφ cosδcos 1 (1)光伏组件或光伏组件造成阴影物体同一地点- -天内太阳高度角是不断变化的.日出日落时角度都为0°,正午时太阳高度角最大.正午12时为0° ,午前为负,午后为正，每间隔1 h相差15° ,对光伏组件问距S于正午时太阳高度角的计算公式可以简化为图1夏至与冬至时阴影变化sin日=sin ψ sinδ+cos ψ cos δ(2) 1.2 组件摆放和串并联其中,日表示正午太阳高度角对于单个光伏组件而言,不同的摆放方式也能有由2角和与差的三角函数公式，可得sin日=cos不同的输出功率.因此设计组件摆放方式时，首先应该(φ-δ).因此,对于北半球而言,0=90°-(φ-δ);对仔细阅读组件性能参数,查看组件是否有旁路二二极管，于南半球而言,0 =90°-(δ-φ).通常组件摆放应该以旁路二极管垂直而不是水平为极限太阳高度角通常被引入来考虑阴影问题，即宜.如果遮挡物或阴影只在组件下方,这样组件也能有一年中有最小值的正午太阳高度角.在南半球是在夏好的功率输出例如100Wp光伏组件有4个旁路二至日,北半球是在冬至日(见图1).所得太阳高度角能极管,阴影只在下方(见图2),对于A组件将没有功被用来计算光伏安装组件之间以及光伏组件与所能形率输出,面对于B则组件则有75 Wp的功率输出.图2合理光伏组件摆放同样的光伏组件串联连接和并联连接也能有不同之和等于总电压.就是加在并联2组蓄电池中的每-一的输出功率.在个别组件存在低的功率输出条件下,光组蓄电池上的充电电压与总充电电压相等,即Ug=伏组件并联连接较串联连接有更优化的总系统输出U,=U2.对于2组不同的蓄电池内阻不可能一样，即例如4x100Wp光伏组件,其中1个组件有95Wp功R≠R,在U, =U2情况下,得出1≠12的结果.因此.率输出,其他组件额定功率输出,对于串联连接光伏组在同样大小的充电电压情况下,2组并联使用的蓄电件系统将有功率380Wp输出，而对于并联连接光伏池组.每组所得到的充电电流是不一样的，内阻大的充组件系统将有功率395Wp输出.当然也应该考虑到电电流小,内阻小的则充电电流大.这样,就有可能造成低的输出电压降有多大的功率损失给输出线路,因此，充电电流小的那组电池经常处于充电不足的状态,久而当设计光伏系统时需要综合考虑组件是并联连接还是久之,这组蓄电池就可能因长期亏电而硫酸盐化,进而串联连接是优化的选择。会使其内阻更大.其内阻越大,充电电流越小，如此恶性循环将导致该组蓄电池的使用寿命大大缩短.但是,只2光伏发电中蓄电池储存部分用1组蓄电池时就会避免这种情况发生.可见电池组单2.1 蓄电池串并联组使用的效果沅沅好干并联伸用.因此,光伏用户在能蓄电池的稳定性、可靠性、均衡性,尤其是使用寿够用中国煤化工要的情况下,绝对不命是它的重要性能指标.蓄电池叮以串联使用也可以要用YHCNMHG会缩短蓄电池的使用并联使用(见图3、图4).在并联电路中,各路分电压寿命,增加使用成本,又会降低蓄电池的综合性能.第2期李实,等:光伏系统的优化设计●109●中联连接100 Wp100Wp。。。| o.400 Wp(4x 100Wp)串联连接95Wp380 Wpl4x95Wp)图3光伏组件 串联功率变化直接影响到系统的运行情况,关系到整个系统的可靠程度.-旦蓄电池失效,将造成大的系统损失.如果能。-够正确使用和维护,就能够延长其使用寿命,反之,其使用寿命会大大缩短.C-影响蓄电池使用寿命的主要因素和使用过程中应注意的事项:1)环境温度对蓄电池的影响较大.温度过高，会-。使电池过充电产生气体,温度过低，则会使电池充电不足,这些都会影响电池的使用寿命.蓄电池的容量与环境温度成正比，当环境温度高时,蓄电池可以提供相对于标准容量较多的电能,而环境温度低时,蓄电池可以395 Wp提供相对于标准容量较少的电能.但是高的环境温度(95 Wp+ 100 Wp+ 100 Wp+ 100 Wp+ 100 Wp)会加速电极的腐蚀,因此,一般要求环境温度在25 C图4光伏组件并联功率变化左右，通常蓄电池各项电学指标也是按此温度来测定当使用大功率设备时,在用2组蓄电池并联仍不标称的.实际应用时,蓄电池一般在5 C ~ 35 C范围能满足设备功率需要的情况下，如采用更多组蓄电池内进行充电,低于5 C或高于35 C都会大大降低电池并联使用,那将更加加大储能部件的风险.因为2组蓄的容量,缩短电池的使用寿命.电池并联使用已经带来了诸多的不利因素，更多组蓄2)放电深度对蓄电池使用寿命的影响也非常大.电池的并联使用就更复杂，更不利于系统.通常2V蓄蓄电池放电深度越深,其循环使用次数就越少,寿命就电池有更大的系统容量,在这种情况下，一-定要选用能越短，因此在使用时应避免深度放电.通常浅循环铅酸够满足设备功率需要的大容量型号的蓄电池.目前国蓄电池的最大放电深度为50% ,深循环铅酸蓄电池的内已有的2 V系列电池最大的可以达到6000 Ah.如最大放电深度为80% .果一定需要采用2组蓄电池并联,应该遵循以下原则:3)由于蓄电池自身有自放电的特性,因此在存①必须是同- -个厂家生产的,且是同型号、同规格的电放运输、安装过程中,会因自放电而失去部分容量.所池;②电池必须是新旧状态一致的;③必须是同- -批号以应根据蓄电池的开路电压判断电池的剩余容量,以同时出厂的;④同时安装同时使用.便在安装投人使用前,采用不同的方法对蓄电池进行2.2 影响蓄电池使用寿命的主要因素及注意事项补充中国煤化工每3个月应进行-次对于独立的光伏系统,蓄电池是必不可少的部件，fYH池的开路电压来判断它主要用于储存光伏组件产生的电能，当负载工作时电池CN MHGl.若开路电压高于为负载提供电能.蓄电池性能的优劣及工作的稳定性12.5V,则表示电池储能还有80%以上;若开路电压，110●沈阳工程学院学报(自然科学版)第7卷低于12.5V,则应立刻进行补充充电,若开路电压低内工作,增加蓄电池的使用寿命,另外也能有效地解决于12 V ,则表示电池储能不到20% , 电池不能使用.蓄电池的防盗问题。然而直埋方式也有它的不足之处:容4)充电.对于铅酸蓄电池,常规充电方式有2种,易导致蓄电池被水浸泡造成接线柱腐蚀,当蓄电池酸性即浮充(又称恒压充电)和循环充电.浮充时要严格控电解液从排气阀排出时不容易挥发掉,酸性气体可能随制充电电压,如额定电压为12 V的蓄电池,其充电电接线管进人控制箱对精密电子控制器件造成损伤.因此，压应在13.5~13.8 V之间.浮充电压过低,蓄电池会对于蓄电池连接,应采用尽量短的连接线(见图5).充不满，过高则会造成过量充电.电压的调定应以初期充电电流不超过0.3C(C为蓄电池的额定容量)为原则.循环充电时,其初期充电电流也不宜超过0. 3C,充电的安培小时数要略大于放电安培小时数.也可先以0.1C的充电速率恒流充电数小时,当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时,再改用浮充电压充电,直至允满.因此,对于光伏系统用蓄电池通常采用智能控制器来满足其充电要求.(错误连按) .(正确连接)目前,为进一- 步提高电池寿命,采用- -种3阶段智图5蓄电池连接方式比较能化电池管理充电方案.即将充电分成初始化充电、浮充电和休息3个阶段.第-阶段 是恒流均衡充电,将电3结论池容量充到90% ;第二阶段是浮充充电,将电池容虽光伏组件如果有旁路二极管,并且每个组件有多充到100% ,停止充电;第三阶段是自然放电,在这个余1个旁路二极管,则组件应该以旁路二极管垂直而阶段里,电池利用自身的漏电流放电,一直到规定的电非平行为宜.这样,组件在有雪等不易滑落的遮挡物时压下限,然后重复上述的3个阶段.这种方式改变了以能有更多的能量输出.与串联连接相比,组件并联时输前那种充满电后,仍使电池处于1天24 h的浮充状出的能量更多.当光伏组件由不同阵列组成时,组件间态，因此延长了电池的使用寿命.要有一定间距来阻挡阴影的形成.间距与组件安放地2.3蓄电池安装点的地理纬度有关环境温度对蓄电池的影响较大,其蓄电池应尽可能安装在清洁、阴凉.通风、干燥的最佳温度在25C左右.地方,并要避免受到阳光、加热器或其他辐射热源的影参考文献响.电池应正立放置,不可倾斜角度.每个电池间端子[1]姜谦2010-2015年中国太阳能光伏发电产业投资分析及前景预测报告[ EB/OL]. (2006 -01 -03)[2010 -04- 15]ht-的连接要牢固,当条件允许时,可以控制蓄电池安放地tp://www. ocn. com. cn/ reports/ 2006103guangfufadian. htm.点的环境温度在某- -温度 范围内.对于光伏独立系统[2]李实,鞠振河,殷志刚.太阳能照明系统发电特性和优化的蓄电池,当条件不允许时,可以把蓄电池以直埋方式选择[J]可再生能源,2009.26(5):17 -20.埋入地下,但是埋藏深度要大于当地的冻土层深度.直[3] Falk Antony .Christian Durschner . Karl-Heinz Remmers. So-lar Electric Systems Marketing . Design and Intallation[ M].埋的优点是能保持蓄电池在相对较小的工作温度范围Berlin : Photovoltaics for professionals ,2007.Problems about PV system designLI Shi, TIAN Chun-ning ,JU Zhen-he, YIN Zhi-gang( Liaoning Solar Energy R&D Co. ,Ltd Shenyang Liaoning 110034, China)Abstract: In this paper , problems about PV system design were briefly analyzed. The placing and connecting of PVmodules were discussed and the distance different PV arrays was also analyzed. The effective factors for battery life-time and the notes for battery were thought about, the reasonable中国煤化工he series and parallelproblem about battery were analyzed.Key words: Photovoltaics module ; Battery ; Photovoltaics arrayYHCNMHG(责任编辑洪广欢)