太陽(yáng)能家庭發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

　　1、家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)步驟

　　如圖3-1為家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟框圖。家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)先于硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池和蓄電池容量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。硬件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載的選型及必要的設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池和蓄電池的選型，太陽(yáng)能電池支架的設(shè)計(jì)，逆變器的選型和設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)。由于軟件設(shè)計(jì)牽涉到復(fù)雜的太陽(yáng)能輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。

　　在設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔等；安裝地點(diǎn)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)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(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無(wú)法做出長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，只能以過(guò)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(yáng)輻射量，實(shí)際使用時(shí)必須設(shè)法換算到相應(yīng)陣列傾斜面上的輻射量。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽(yáng)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(gè)城市的氣象資料或類似地區(qū)氣象觀測(cè)站所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行類推。

　　2、 光伏方陣最佳傾角計(jì)算

　　由于太陽(yáng)光照射到地面的角度時(shí)時(shí)刻刻都在變化，而太陽(yáng)能電池只有在日光直射的時(shí)候發(fā)電的效率是最高的，因此太陽(yáng)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(jì)算確定最佳安裝角度安裝太陽(yáng)能電池方陣。前者可以提高太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率，但成本很高，后一種雖然效率沒(méi)有前者高，但建設(shè)成本較低，綜合考慮采用第二種方法。

　　（1）計(jì)算方法

　?。?-1）式中ρ為地物表面反射率。一般情況下，最后一項(xiàng)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，傾角的計(jì)算結(jié)果精確到1°已經(jīng)足夠。具體計(jì)算過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，為此可利用計(jì)算機(jī)軟件，只要輸入安裝地點(diǎn)的太陽(yáng)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(dāng)?shù)氐淖罴褍A角及各月平均日輻射量［10］。

　?。?）平均峰值日照時(shí)數(shù)計(jì)算

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

　?。?）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(yáng)，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(guò)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(fēng)型半濕潤(rùn)氣候。主要特點(diǎn)是：季風(fēng)分明、四季分明、溫濕適中、雨熱同季。年平均太陽(yáng)輻射總量112～120千卡/平方厘米，年平均日照時(shí)數(shù)約為2000～2200小時(shí)。全年平均氣溫15℃，極端最低氣溫-21℃，極端最高氣溫達(dá)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(dǎo)風(fēng)向冬季為西北風(fēng)和北風(fēng)，夏季為東南風(fēng)和南風(fēng)，最大風(fēng)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(jì)算駐馬店地區(qū)平均實(shí)際日照時(shí)數(shù)7小時(shí)；平均峰值日照時(shí)數(shù)（組件表面上）為4.33小時(shí)；最小的日峰值日照時(shí)數(shù)為3.68小時(shí)；駐馬店地區(qū)的太陽(yáng)能電池組件最佳傾角為41°。結(jié)果見(jiàn)表（3-3）所示。

　　3、家庭日用電負(fù)荷計(jì)算

　　本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)所用的家庭負(fù)荷量數(shù)據(jù)采用調(diào)查訪問(wèn)的形式獲得，對(duì)普通家庭式日常用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查，計(jì)算統(tǒng)計(jì)出家庭常用負(fù)荷的功率及其用電時(shí)數(shù)，表3-4為普通家庭日常負(fù)荷表。

　　由統(tǒng)計(jì)表知普通家庭家用負(fù)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(yáng)能電池組件板的功率

　　式中，L為負(fù)載每天總耗電量；T0為平均峰值日照時(shí)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?？扇?.9～0.95；η3為逆變器的轉(zhuǎn)換效率，通?？扇?.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(jí)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度，運(yùn)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(jì)算出該系統(tǒng)需要太陽(yáng)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(yáng)能組件，一般采用太陽(yáng)能電池標(biāo)準(zhǔn)組件，通過(guò)串并聯(lián)構(gòu)成所需要功率的太陽(yáng)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(yáng)能電池板串聯(lián)成面積125×125，電壓18V，功率100W單晶太陽(yáng)能電池組件，再用17塊該太陽(yáng)能組件進(jìn)行并聯(lián)使用。

　　5、蓄電池容量的確定

　　在獨(dú)立型家庭式太陽(yáng)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(jià)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(guò)大，不僅增加投資，而且會(huì)造成蓄電池充電不足，長(zhǎng)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(guò)放電，不能滿足負(fù)載用電需要。參考《《RAPS Design Manual》》和《《Applied Photovoltaics》》兩個(gè)文獻(xiàn)，蓄電池容量的計(jì)算可以根據(jù)用電負(fù)荷和連續(xù)陰雨天數(shù)來(lái)確定，實(shí)際計(jì)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(fù)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(fù)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(jì)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(biāo)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(shí)數(shù)等于所需瓦時(shí)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(gè)12 V，200 Ah的密封免維護(hù)鉛酸蓄電池先兩兩串聯(lián)后再進(jìn)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(fù)載實(shí)況要求計(jì)算出負(fù)載總功率為P負(fù)為1.77KW，由于負(fù)載的總功率大于逆變器總功率的80%時(shí)，逆變器會(huì)發(fā)熱過(guò)度減少逆變器的使用壽命，所以選擇逆變器時(shí)需要有設(shè)計(jì)余量，一般逆變器的功率計(jì)算為P逆= P負(fù)/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(yáng)能電池板需要的時(shí)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。