太阳能发电系统设计

太阳能发电系统设计

1引言

从“蒸汽机”到“电动机”的一系列动力技术发明，人们逐渐认识到，能源技术的革新带动人类社会日益进步，对社会发展起着巨大的推动作用。但至今所采用的化石燃料能源带给人类文明与进步的同时，却因能源需求消耗的大幅提高以及随之而来的环境污染，形成了巨大的能源缺口，同时给环境造成巨大灾难。目前，油气资源的供不应求已成为我国经济发展的瓶颈，电力供应不容乐观，天然气用量迅速增长……

最新的资料表明太阳光的充分利用，是最清洁，环保，取之不尽的可再生能源。

太阳能的利用

我国太阳能资源丰富，陆地每年接受的太阳辐射能，相当于2.4×1012tce，2/3国土面积的太阳能总辐射量超过0.6MJ/m2。如果将太阳能源充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。

目前，太阳能利用主要有两个途径，即光热和光伏。光伏是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电在太阳能利用上是主流，前景好。

太阳能原理

太阳能电池发电的原理是基于半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。

在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P(N)型硅对外部来说是电中性的。若将P(N)型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。但内部通过光的能量，电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。

1 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。（至今为止，大多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P

－N结（即N+／P）。太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结）具有足够能量的 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，

光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合

晶片受光过程中，空穴(电子)往P(N)区移之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间

晶片受光后，空穴(电子)从P(N)区正(负)电极流出 产生一个向外的可测试的电压。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。此即为光生伏特效应。

光伏系统

光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般分为独立系统、并网系统和混合系统。

白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一

定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，

2 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能→电能→化学能→电能→光能。

就太阳能光伏发电系统而言，其包括太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备。其各部分作用如下：

太阳能电池方阵

在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

蓄电池组

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能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式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；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，每只蓄电池的额定电压为12VDC。

充放电控制器

是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电

3 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。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。逆变器按输出波型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。逆变器保护功能：过载保护、短路保护、接反保护、欠压保护、过压保护、过热保护。

交流配电柜

其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。

太阳能跟踪系统

太阳能跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。

光伏系统的应用

根据太阳能光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（Small DC）；简单直流系统（Simple DC）；大型太阳能供电系统（Large DC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（Utility Grid Connect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。

小型太阳能供电系统

该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。在我国西部地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，主要用来解决无电地区的家庭照明问题。

简单直流系统

该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中无蓄电池，也无需控制

4 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。

大型太阳能供电系统

与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电、农村的集中供电、航标灯塔、路灯等。

交流、直流供电系统

与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。

并网系统

这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。

混合供电系统

这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外，还使用风

5 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

力发电系统，同时还使用了油机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比方说，上述的几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量的输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机和光伏阵列，风力发电的混合供电系统和单一能源的独立系统相比就可以提供不依赖于天气的能源。

并网混合供电系统

随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，风力发电，市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线的UPS（不间断电源）工作，还可以向电网供电或者从电网获得电力。系统的工作方式通常的是将市电和太阳能电源并行工作，对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求；如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网；如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求。而且，当本地负载的功率消耗小于SMD逆变器的额定市电容量的60％时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态。如果市电产生故障，即市电停电或者是市电的品质不合格，系统就会自动的断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到上述的正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由市电供电。有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制和数据采集功能集成在控制芯片中。这种系统的核心器件是控制器和逆变器。

国内外发展现状

国际上，太阳能电池的研究与开发具有领先地位的主要是德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家。澳大利亚以新南威尔士大学的马丁格林教授为代表，在单晶硅太阳能电池研究上居于世界领先地位，近年来首次提出

6 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

了第三代太阳能电池的概念，为太阳能电池的发展做出了很大的贡献。从太阳能电池产业和利用来看，日本、德国、英国、美国和西班牙发展最快。作为一个标志性的举动，美国通用电器也投资了太阳能光伏产业。目前在太阳能电池领域，日本的夏普（Sharp）、京瓷（Kyocera）、三洋（Sanyo）、Mitsubishi Electric，德国的Q-Cells、RWE Schott Solar，英国的BP Solar，荷兰的壳牌（Shell Solar），西班牙的Isofoton，美国的AP，加拿大的Photowatt，另外中国的台湾茂迪，无锡尚德（Suntech）均处于世界领先水平。在太阳能电池应用方面，美国早在1997年就提出了“百万屋顶计划”，而日本早在1993年夜提出了“阳光计划”，而德国则在2003年圆满完成“10万屋顶发电计划”，并提出不再建设核电站，未来能源一大部分将有太阳能发电来供应。而我国也已提出“光明工程计划”。

毫无疑问，光伏将逐步成为未来能源市场的一个重要角色，随着技术的革新，制约光伏发展的成本，效率，衰减等问题将迎刃而解

经过光伏工作者们坚持不懈的努力，太阳能电池的生产技术不断得到提高，并且日益广泛地应用于各个领域。特别是邮电通信方面，由于近年来通信行业的迅猛发展，对通信电源的要求也越来越高，所以稳定可靠的太阳能电源被广泛使用于通信领域。而如何根据各地区太阳能辐射条件，来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统，这是众多专家学者研究已久的课题，而且已有许多卓越的研究成果，为我国光伏事业的发展奠定了坚实的基础。笔者在学习各专家的设计方法时发现，这些设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数）。这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视，因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立光伏电源系统，由于没有应急的其他电源保护备用，所以应该将此问题纳入设计中一起考虑。

本文综合以往各设计方法的优点，结合笔者多年来实际从事光伏电源系统设计工作的经验，引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。

7 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

2影响设计的诸多因素

太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。

太阳能电池方阵的光电转换效率，受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。

蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。

太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小，从而影响到充电的效率等。 负载的用电情况，也视用途而定，如通信中继站、无人气象站等，有固定的设备耗电量。而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备，用电量是经常有变化的。

因此，太阳能电源系统的设计，需要考虑的因素多而复杂。特点是：所用的数据大多为以前统计的数据，各统计数据的测量以及数据的选择是重要的。 设计者的任务是：在太阳能电池方阵所处的环境条件下（即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等），设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益，又要保证系统的高可靠性。

某特定地点的太阳辐射能量数据，以气象台提供的资料为依据，供设计太阳能电池方阵用。这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。

地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天24h。处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有24h的周期性的变化，其规律与太阳照在该地区

8 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

辐射的变化规律相同。但是天气的变化将影响方阵的发电量。如果有几天连续阴雨天，方阵就几乎不能发电，只能靠蓄电池来供电，而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。由于一个地区各年的数据不相同，为可靠起见应取近十年内的最小数据。根据负载的耗电情况，在日照和无日照时，均需用蓄电池供电。气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。

对太阳能电池方阵而言，负载应包括系统中所有耗电装置（除用电器外还有蓄电池及线路、控制器等）的耗量。

方阵的输出功率与组件串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获得所需要的工作电流，适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵。 3蓄电池组容量设计

太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。 （1）蓄电池的选用

能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。

（2）蓄电池组容量的计算

9 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

因此，蓄电池的容量BC计算公式为：

BC=A×QL×NL×TO／CCAh(1)

式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；

QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数；

TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。 4太阳能电池方阵设计 （1）太阳能电池组件串联数Ns

将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。 计算方法如下：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）

式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为蓄电池浮充电压；

10 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

UD为二极管压降，一般取0.7V； UC为其它因数引起的压降。 表1我国主要城市的辐射参数表 城市

纬度Φ 日辐射量Ht 最佳倾角Φop 斜面日辐射量 修正系数Kop

Φ＋3 Φ＋1 Φ＋1 Φ＋4 Φ＋5 Φ＋3 Φ＋5 Φ＋12 Φ＋1 Φ＋8 Φ＋2 Φ＋14 Φ＋3 Φ＋5 Φ＋9 Φ＋3 Φ＋2 Φ＋4 Φ＋6 Φ＋7

15838 17127 16563 18035 16722 20075 17394 16594 19617 15842 19615 12952 13691 14207 13299 12372 13714 12451 15994 14558

1.1400 1.1548 1.0671 1.0976 1.0692 1.1468 1.1005 1.0092 1.1360 0.9489 1.1559 0.9275 0.9900 1.0249 0.9988 0.9362 0.8640 0.8978 1.0630 1.0476

11 / 20

哈尔滨 45.68 12703 长春 沈阳 北京 天津

43.90 13572 41.77 13793 39.80 15261 39.10 14356

呼和浩特 40.78 16574 太原

37.78 15061

乌鲁木齐 43.78 14464 西宁 兰州 银川 西安 上海 南京 合肥 杭州 南昌 福州 济南 郑州

36.75 16777 36.05 14966 38.48 16553 34.30 12781 31.17 12760 32.00 13099 31.85 12525 30.23 11668 28.67 13094 26.08 12001 36.68 14043 34.72 13332

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

武汉 长沙 广州 海口 南宁 成都 贵阳 昆明 拉萨

30.63 13201 28.20 11377 23.13 12110 20.03 13835 22.82 12515 30.67 10392 26.58 10327 25.02 14194 29.70 21301

Φ＋7 Φ＋6 Φ－7 Φ＋12 Φ＋5 Φ＋2 Φ＋8 Φ－8 Φ－8

13707 11589 12702 13510 12734 10304 10235 15333 24151

0.9036 0.8028 0.8850 0.8761 0.8231 0.7553 0.8135 0.9216 1.0964

蓄电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。 （2）太阳能电池组件并联数Np

在确定NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。

①将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表1）：

H=Ht×2.778／10000h（3）

式中：2.778／10000（h·m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。 ②太阳能电池组件日发电量Qp

Qp=Ioc×H×Kop×CzAh(4)

式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流； Kop为斜面修正系数（参照表1）；

12 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。 ③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：

Bcb=A×QL×NLAh(5)

④太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)

式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

(3)太阳能电池方阵的功率计算

根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：

P=Po×Ns×NpW（7）

式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。 5设计实例

以广州某地面卫星接收站为例，负载电压为12V，功率为25W，每天工作24h，最长连续阴雨天为15d，两最长连续阴雨天最短间隔天数为30d，太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的38D975×400型组件，组件标准功率为38W，工作电压17.1V，工作电流2.22A，蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，浮充电压为（14±1）V。其水平面太阳辐射数据参照表1，其水平面的年平均日辐射量为12110（kJ/m2），Kop值为0.885，最佳倾角为16.13°，计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。 （1）蓄电池容量Bc

Bc=A×QL×NL×To/CC

=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75

13 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

=1200Ah

（2）太阳能电池方阵功率P 因为：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋UC）/Uoc

=（14＋0.7＋1）/17.1=0.92≈1 Qp=Ioc×H×Kop×Cz

=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.8 ≈5.29Ah

Bcb=A×QL×NL

=1.2×(25/12)×24×15=900Ah QL=(25/12)×24=50Ah

Np=（Bcb＋Nw×QL）/(Qp×Nw）

=(900＋30×50)/(5.29×30)≈15 故太阳能电池方阵功率为：

P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W

（3）计算结果

该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为570W，蓄电池容量为1200Ah。

文章页数：[1]

很多非太阳能光电专业人士在计算太阳能电池的工作时间的时候，总是把日照时间看作每天有太阳光的时间，选择计算时间为8小时左右。其实不然，这样会给整个光伏系统造成不稳定的因数。

其实根据不同的地区的光照条件，我们要分别区分太阳能电池的有效工作时间。

14 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

我国可分为：丰富地区、比较丰富地区、可以利用地区、贫乏地区。 他们的年光辐射量分别是大于等于５８６ＫＷ／平方米，５０２－５８６ＫＷ／平方米、４１９－５０２ＫＷ／平方米、小于４１９ＫＷ／平方米。

由于以上的原因，所以我们计算太阳能电池的工作时间的时候就不能都以８小时来计算了，根据不同地区我们不同的选择：他们的不同平均峰值时间分别是：５．１０－５．４２小时，４．４６－４．７８小时，３．８２－４．１４小时，３．１９－３．５０小时。

只有根据这些参数才能准确计算各地区的光照时间，和准确计算太阳能光伏系统所用的太阳能电池板大小和保险系数。

那些只应用电子电工原理上的欧姆定律和一些能量守衡定律计算太阳能光伏系统是不够的

光伏发电系统计算方法

光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到几瓦的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：

（一） 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

（二） 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都

15 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

应当是控制器的可选项；

（三） 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（四） 逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。

光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计。

在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。 （1）基本公式

I. 第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。

II. 第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。

16 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式见下：

自给天数 X 日平均负载 蓄电池容量 = 最大放电深度

这些当然都没有修正，以下为正确计算公式： 蓄电池的容量BC计算公式为： BC=A×QL×NL×TO／CCAh(1)

式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；

QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数；

TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；

CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。 下面我们介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 负载标称电压 串联蓄电池数 = 蓄电池标称电压

太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一

17 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本计算公式如下：

并联的组件数量＝日平均负载（AH）/ 组件日输出(AH)

串联组件数量 ＝ 系统电压（V)/组件电压（V） 以上都是没有修正过的公式.以下公式供参考 太阳能电池方阵设计：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2） 式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压； Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压； Uf为蓄电池浮充电压；

UD为二极管压降，一般取0.7V； UC为其它因数引起的压降。 太阳能电池组件并联数Np

在确定NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。

①将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表1）： H=Ht×2.778／10000h（3）

式中：2.778／10000（h•m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。 ②太阳能电池组件日发电量Qp Qp=Ioc×H×Kop×Cz（Ah） (4)

18 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流； Kop为斜面修正系数（参照表1）；

Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：

Bcb=A×QL×NL (Ah) (5)

④太阳能电池组件并联数Np的计算方法为： Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)

式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

(3)太阳能电池方阵的功率计算

根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P： P=Po×Ns×NpW（7）

式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。一个真正好的设计人员具体要考虑以下因素：

1、 太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？ 2、 系统的负载功率多大？

3、 系统的输出电压是多少，直流还是交流？ 4、 系统每天需要工作多少小时？

5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？ 6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？ 7、 系统需求的数量。

19 / 20

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn20 / 20