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光伏发电基础知识全面详解(三)

返回列表 来源: 发布日期: 2022.08.05 浏览次数:

太阳能光伏电源系统的原理及组成

充放电控制器

充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命,充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器,按照开关器件在电路中的位置,可分为串联控制型和分流控制型;按照控制方式,可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制)和PWM脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。 开关器件,可以是继电器,也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器, 只能用MOSFET模块作为开关器件。

直流/交流逆变器

逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电,当负载是交流负载时,逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式, 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电 池发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统, 将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形,又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器,电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对 谐波要求不高的系统。正弦波逆变器,成本高,但可以适用于各种负载。从长远 看,SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。

蓄电池组

其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是:(1)自放电率低;(2) 使用寿命长;(3)深放电能力强;(4)充电效率高;(5)少维护或免维护;(6)工作 温度范围宽;(7)价格低廉。

目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池,一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池;配套200Ah以下的铅酸蓄电池,一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。

测量设备

对于小型太阳能电池发电系统,只要求进行简单的测量,如蓄电池电压和充 放电电流,测量所用的电压和电流表一般装在控制器面板上。对于太阳能通信电 源系统、阴极保护系统等工业电源系统和大型太阳能发电站,往往要求对更多的 参数进行测量,如太阳能辐射量、环境温度、充放电电量等,有时甚至要求具有 远程数据传输、数据打印和遥控功能,这时要求为太阳能电池发电系统应配备智能化的“数据采集系统”和“微机监控系统”。

太阳能光伏电源系统的设计

太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计,且软件设计先于硬件设计。软件设计包括:负载用电量的计算,太阳能电池方阵面辐射量的计算,太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计,太阳能电池方阵安装倾角的计算,系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括: 负载的选型及必要的设计,太阳能电池和蓄电池的选型,太阳能电池支架的设计, 逆变器的选型和设计,以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池 发电系统,还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或 备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统 优化的设计计算,一般是由计算机来完成;在要求不太严格的情况下,也可以釆 取估算的办法。

⑴太阳能辐射原理:

太阳电池发电的全部能量来自于太阳,也就是说,太阳电池方阵面上所获 得的辐射量决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多 因素有关:当地的纬度,海拔,大气的污染程度或透明程度,一年当中四季的 变化,一天当中时间的变化,到达地面的太阳辐射直、散分量的比例,地表面 的反射系数,太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方 阵表面的清洁程度等。要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射量,必须对太阳辐射的基本概念有所了解。

太阳辐射的基本定律

太阳辐射的直散分离原理、布格一朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定律。

直散分离原理:

大地表面(即水平面)和方阵面(即倾斜面)上所接收到的辐射量均符合直 散分离原理,只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量,而太阳电池 方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量:

Qp = Sp+Dp  Qt = St+Dt+Rt

Qp:水平面总辐射

Sp:水平面直接辐射

Dp:水平面散射辐射

Qt :倾斜面总辐射

St:倾斜面直接辐射

Dt:倾斜面地面反射

布格•朗伯定律:

Sd'= S0Fm

So :太阳常数1350W/m2

Sd':直接辐射强度

F:大气透明度

m:大气质量 m=1/Sina x P/Po

a:太阳高度角

Po:标准大气压

Sina  = Sin(|)Sin8+Cos(|)Cos SCosco

5:太阳赤纬角

5=23.5Sin(360*(284+N)/365)

(|):当地纬度(0 — 90 )

co:时角(地球自转一周360度,24小时)

15度/小时或 4分钟/度

余弦定律:

Sp' =  Sd'  Sina

Sf=  Sd'COSO

Dt' = Dp'(1+CosZ)/2

Rt,= Qp'(1・CosZ)/2

Qt = St+Dt+Rt

⑵ 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例):

当地气象地理条件:由当地气象部门提供前10年的平均数据。

纬度:北纬30-45度

经度:东经90-120度

海拔:1000-4000 米

最长阴雨天:3天

水平面全年总辐射量为:165千卡/厘米2。

太阳电池方阵面上的总辐射为180千卡/厘米2。

负载情况
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电源系统容量设计步骤:

① 太阳电池组件的选型:

太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件 型号为:33D1312X310

开路电压:21V

短路电流:2. 4A

峰值电压:17V

峰值电流:2. 235A

峰值功率:38 Wp

② 计算等效的峰值日照时数:

全年峰值日照时数为:180000X0.0116=2088小时

0.0116为将辐射量(卡/cm?)换算成峰值日照时数的换算系数:

峰值日照定义:100毫瓦/cm2=0. 1瓦/cn)2

1卡=4. 18焦耳=4. 18瓦秒 1小时二3600秒

则:1 卡/cm2=4. 18 瓦秒/卡/(3600 秒/小时 X0.1 瓦/cm2) =0.0116 小时 cnf/卡 于是:180000卡/cm?年X0. 0116小时cm?/卡=2088小时/年

平均每日峰值日照时数为:20884-365=5. 72小时/日

③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数:

系统工作电压•般选择原则:户用系统为12VDC或24VDC;通信系统为48VDC; 电力系统为110VDC;大型电站为220VDC%或更高。

每块标准组件峰值电压为17V,设计为对12V蓄电池充电,4块组件串联对48V 蓄电池充电,因此,所需太阳电池的串联数为4块。

④ 计算每日负载耗电量为:4300Wh+48V=89.6Ah

⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为:

89. 6AhX 1. 02/(5. 72hX0.9X0. 8) =22. 19A

其中:0.9:蓄电池的充电效率

0.8:逆变器效率

1.02: 20年内太阳电池衰降,方阵组合损失,尘埃遮挡等综合系数。

⑥ 计算所需太阳电池的并联数为:

22. 19A4-2. 235A/块=10 块

⑦ 计算所需太阳电池的总功率为:

(10X4)块X38峰瓦/块=1520峰瓦

⑧ 计算所需蓄电池容量:

蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池

89. 6Ah/天X3天(连续阴雨天数):0. 68=400Ah

0. 68:蓄电池放电深度。

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