光伏系統的優(yōu)化設計

第7卷第2期沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.7 No.22011年4月.Jourmal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science)Apr. 2011光伏系統的優(yōu)化設計李實(shí),田春寧 ,鞠振河,殷志剛(遼寧太陽(yáng)能研究應用有限公司,沈陽(yáng)110034)摘要: 針對電陽(yáng)能光伏發(fā)電的飛速發(fā)展,提出了在光伏系統設計中應注意的問(wèn)題并作了簡(jiǎn)要分析.同時(shí)分別對光伏組件擺放和串并聯(lián),以及不同陣列間距的計算進(jìn)行了分析,指出了光伏系統中影響蓄電池使用壽命的主要因素及注意事項,并給出了合理的建議.關(guān)鍵詞:光伏組件;蓄電池;光伏陣列中圖分類(lèi)號: TM615文獻標識碼: B文章編號: 1673 - 1603(2011)02 -0107 -04行每瓦最多20元人民幣的補貼.2009年7月16日,財0引言政部等3部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程隨著(zhù)光伏發(fā)電的快速發(fā)展,2007年全球太陽(yáng)能新的通知》,決定綜合采取財政補助科技支持和市場(chǎng)拉裝容量已達2 826 MWp. 2007年,在太陽(yáng)能光電產(chǎn)業(yè)動(dòng) 方式,加快國內光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規?；l(fā)展,并鏈中有大量的投資集中到新產(chǎn)能的提升上.此外,太陽(yáng)計劃在2 ~3年內,采取財政補助方式支持不低于500能光電企業(yè)在2007年間的貸款融資金額增長(cháng)了近MW的光伏發(fā)電示范項目.國家將原則上按光伏發(fā)電100億美元,使得該產(chǎn)業(yè)規模不斷擴大.2008年全球光系統及其配套輸配電工程總投資的50%給予補助;其伏市場(chǎng)增至5.5 GW,全球太陽(yáng)能安裝總量已累計達中偏遠無(wú)電地區的獨立光伏發(fā)電系統按總投資的15GW.雖然受金融危機影響,德國、西班牙對太陽(yáng)能70%給予補助;對于光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和基礎光伏發(fā)電的扶持力度有所降低,但其他國家的政策扶能力建設項目,主要通過(guò)貼息和補助的方式給予支持.持力度卻在逐年加大.日本政府2008年11月發(fā)布了單個(gè)光伏發(fā)電項目裝機容量不低于300kWp、建設周“太陽(yáng)能發(fā)電普及行動(dòng)計劃”,確定太陽(yáng)能發(fā)電量到期原則上不超過(guò)1年、運行期不少于20年的,屬于國家2030年的發(fā)展目標是要達到2005年的40倍,并在財政補助的項目范圍內".然而,對于光伏工程項目特3~5年后,將太陽(yáng)能電池系統的價(jià)格降至目前的-半別是光伏獨立系統,不能盲目地追求光伏工程的容量,左右;2009年還專(zhuān)門(mén)安排30億日元的補助金,專(zhuān)項鼓否則將會(huì )造成財力人力物力的大量浪費.對于光伏設計勵太陽(yáng)能蓄電池的技術(shù)開(kāi)發(fā).2008年9月16日,美國人員,應該全面考慮光伏系統各個(gè)不同部件和系統總體參議院通過(guò)了一攬子減稅計劃,其中將光伏行業(yè)的減的組合優(yōu)化. 這些應該包括光伏組件部分線(xiàn)路傳輸部稅政策(ITC)續延2~6年.分能址儲存部分、系統控制部分的優(yōu)化設計.中國太陽(yáng)能資源非常豐富,理論儲量達每年1光伏組件 部分17000億t標準煤.2007年底，全國光伏系統的累計裝機容址達到100MW,從事太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的企業(yè)1.1組件陰影達到50余家,太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力為2900 MW ,太陽(yáng)太陽(yáng)能組件安裝地點(diǎn)的選擇，必須考慮到陰影問(wèn)能電池年產(chǎn)量為1 188 MW ,超過(guò)了日本和歐洲.題.因為一年中太陽(yáng)始終是不斷變化的,所以陰影也是在金融危機形勢下,2009年3月23日,中國財政不斷變化,因此太陽(yáng)能組建系統固定裝置就要采取極部、住房和城鄉建設部出臺《太陽(yáng)能光電建筑應用財限計算方法來(lái)滿(mǎn)足要求,以陰影計算太陽(yáng)高度角就需政補助資金管理暫行辦法》,決定對部分光伏建筑進(jìn)要 被引人對干地殘上的其個(gè)地點(diǎn),太陽(yáng)高度角是指太中國煤化工收稿日期: 2011-01 -12JTYHCNMHG基金項目:遼[寧省科學(xué)技術(shù)計劃項日(2004224003) ;遼寧省科技攻X項月(200作者簡(jiǎn)介:李實(shí)( 1962 -),男,沈陽(yáng)人,高級經(jīng)濟師,碩上108●沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)第7卷陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的夾角.太陽(yáng)高度角隨成陰影物體的最小問(wèn)距S=H * Cot 0.著(zhù)地方時(shí)和太陽(yáng)赤緯的變化而變化.太陽(yáng)赤緯角以δ表示,觀(guān)測地地理緯度用φ表示,地方時(shí)(時(shí)角)以1表染示,太陽(yáng)高度角的計算公式“為sin h=sinφ sinδ+cosφ cosδcos 1 (1)光伏組件或光伏組件造成陰影物體同一地點(diǎn)- -天內太陽(yáng)高度角是不斷變化的.日出日落時(shí)角度都為0°,正午時(shí)太陽(yáng)高度角最大.正午12時(shí)為0° ,午前為負,午后為正，每間隔1 h相差15° ,對光伏組件問(wèn)距S于正午時(shí)太陽(yáng)高度角的計算公式可以簡(jiǎn)化為圖1夏至與冬至時(shí)陰影變化sin日=sin ψ sinδ+cos ψ cos δ(2) 1.2 組件擺放和串并聯(lián)其中,日表示正午太陽(yáng)高度角對于單個(gè)光伏組件而言,不同的擺放方式也能有由2角和與差的三角函數公式，可得sin日=cos不同的輸出功率.因此設計組件擺放方式時(shí)，首先應該(φ-δ).因此,對于北半球而言,0=90°-(φ-δ);對仔細閱讀組件性能參數,查看組件是否有旁路二二極管，于南半球而言,0 =90°-(δ-φ).通常組件擺放應該以旁路二極管垂直而不是水平為極限太陽(yáng)高度角通常被引入來(lái)考慮陰影問(wèn)題，即宜.如果遮擋物或陰影只在組件下方,這樣組件也能有一年中有最小值的正午太陽(yáng)高度角.在南半球是在夏好的功率輸出例如100Wp光伏組件有4個(gè)旁路二至日,北半球是在冬至日(見(jiàn)圖1).所得太陽(yáng)高度角能極管,陰影只在下方(見(jiàn)圖2),對于A(yíng)組件將沒(méi)有功被用來(lái)計算光伏安裝組件之間以及光伏組件與所能形率輸出,面對于B則組件則有75 Wp的功率輸出.圖2合理光伏組件擺放同樣的光伏組件串聯(lián)連接和并聯(lián)連接也能有不同之和等于總電壓.就是加在并聯(lián)2組蓄電池中的每-一的輸出功率.在個(gè)別組件存在低的功率輸出條件下,光組蓄電池上的充電電壓與總充電電壓相等,即Ug=伏組件并聯(lián)連接較串聯(lián)連接有更優(yōu)化的總系統輸出U,=U2.對于2組不同的蓄電池內阻不可能一樣，即例如4x100Wp光伏組件,其中1個(gè)組件有95Wp功R≠R,在U, =U2情況下,得出1≠12的結果.因此.率輸出,其他組件額定功率輸出,對于串聯(lián)連接光伏組在同樣大小的充電電壓情況下,2組并聯(lián)使用的蓄電件系統將有功率380Wp輸出，而對于并聯(lián)連接光伏池組.每組所得到的充電電流是不一樣的，內阻大的充組件系統將有功率395Wp輸出.當然也應該考慮到電電流小,內阻小的則充電電流大.這樣,就有可能造成低的輸出電壓降有多大的功率損失給輸出線(xiàn)路,因此，充電電流小的那組電池經(jīng)常處于充電不足的狀態(tài),久而當設計光伏系統時(shí)需要綜合考慮組件是并聯(lián)連接還是久之,這組蓄電池就可能因長(cháng)期虧電而硫酸鹽化,進(jìn)而串聯(lián)連接是優(yōu)化的選擇。會(huì )使其內阻更大.其內阻越大,充電電流越小，如此惡性循環(huán)將導致該組蓄電池的使用壽命大大縮短.但是,只2光伏發(fā)電中蓄電池儲存部分用1組蓄電池時(shí)就會(huì )避免這種情況發(fā)生.可見(jiàn)電池組單2.1 蓄電池串并聯(lián)組使用的效果沅沅好干并聯(lián)伸用.因此,光伏用戶(hù)在能蓄電池的穩定性、可靠性、均衡性,尤其是使用壽夠用中國煤化工要的情況下,絕對不命是它的重要性能指標.蓄電池叮以串聯(lián)使用也可以要用YHCNMHG會(huì )縮短蓄電池的使用并聯(lián)使用(見(jiàn)圖3、圖4).在并聯(lián)電路中,各路分電壓壽命,增加使用成本,又會(huì )降低蓄電池的綜合性能.第2期李實(shí),等:光伏系統的優(yōu)化設計●109●中聯(lián)連接100 Wp100Wp。。。| o.400 Wp(4x 100Wp)串聯(lián)連接95Wp380 Wpl4x95Wp)圖3光伏組件 串聯(lián)功率變化直接影響到系統的運行情況,關(guān)系到整個(gè)系統的可靠程度.-旦蓄電池失效,將造成大的系統損失.如果能。-夠正確使用和維護,就能夠延長(cháng)其使用壽命,反之,其使用壽命會(huì )大大縮短.C-影響蓄電池使用壽命的主要因素和使用過(guò)程中應注意的事項:1)環(huán)境溫度對蓄電池的影響較大.溫度過(guò)高，會(huì )-。使電池過(guò)充電產(chǎn)生氣體,溫度過(guò)低，則會(huì )使電池充電不足,這些都會(huì )影響電池的使用壽命.蓄電池的容量與環(huán)境溫度成正比，當環(huán)境溫度高時(shí),蓄電池可以提供相對于標準容量較多的電能,而環(huán)境溫度低時(shí),蓄電池可以395 Wp提供相對于標準容量較少的電能.但是高的環(huán)境溫度(95 Wp+ 100 Wp+ 100 Wp+ 100 Wp+ 100 Wp)會(huì )加速電極的腐蝕,因此,一般要求環(huán)境溫度在25 C圖4光伏組件并聯(lián)功率變化左右，通常蓄電池各項電學(xué)指標也是按此溫度來(lái)測定當使用大功率設備時(shí),在用2組蓄電池并聯(lián)仍不標稱(chēng)的.實(shí)際應用時(shí),蓄電池一般在5 C ~ 35 C范圍能滿(mǎn)足設備功率需要的情況下，如采用更多組蓄電池內進(jìn)行充電,低于5 C或高于35 C都會(huì )大大降低電池并聯(lián)使用,那將更加加大儲能部件的風(fēng)險.因為2組蓄的容量,縮短電池的使用壽命.電池并聯(lián)使用已經(jīng)帶來(lái)了諸多的不利因素，更多組蓄2)放電深度對蓄電池使用壽命的影響也非常大.電池的并聯(lián)使用就更復雜，更不利于系統.通常2V蓄蓄電池放電深度越深,其循環(huán)使用次數就越少,壽命就電池有更大的系統容量,在這種情況下，一-定要選用能越短，因此在使用時(shí)應避免深度放電.通常淺循環(huán)鉛酸夠滿(mǎn)足設備功率需要的大容量型號的蓄電池.目前國蓄電池的最大放電深度為50% ,深循環(huán)鉛酸蓄電池的內已有的2 V系列電池最大的可以達到6000 Ah.如最大放電深度為80% .果一定需要采用2組蓄電池并聯(lián),應該遵循以下原則:3)由于蓄電池自身有自放電的特性,因此在存①必須是同- -個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的,且是同型號、同規格的電放運輸、安裝過(guò)程中,會(huì )因自放電而失去部分容量.所池;②電池必須是新舊狀態(tài)一致的;③必須是同- -批號以應根據蓄電池的開(kāi)路電壓判斷電池的剩余容量,以同時(shí)出廠(chǎng)的;④同時(shí)安裝同時(shí)使用.便在安裝投人使用前,采用不同的方法對蓄電池進(jìn)行2.2 影響蓄電池使用壽命的主要因素及注意事項補充中國煤化工每3個(gè)月應進(jìn)行-次對于獨立的光伏系統,蓄電池是必不可少的部件，fYH池的開(kāi)路電壓來(lái)判斷它主要用于儲存光伏組件產(chǎn)生的電能，當負載工作時(shí)電池CN MHGl.若開(kāi)路電壓高于為負載提供電能.蓄電池性能的優(yōu)劣及工作的穩定性12.5V,則表示電池儲能還有80%以上;若開(kāi)路電壓，110●沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)第7卷低于12.5V,則應立刻進(jìn)行補充充電,若開(kāi)路電壓低內工作,增加蓄電池的使用壽命,另外也能有效地解決于12 V ,則表示電池儲能不到20% , 電池不能使用.蓄電池的防盜問(wèn)題。然而直埋方式也有它的不足之處:容4)充電.對于鉛酸蓄電池,常規充電方式有2種,易導致蓄電池被水浸泡造成接線(xiàn)柱腐蝕,當蓄電池酸性即浮充(又稱(chēng)恒壓充電)和循環(huán)充電.浮充時(shí)要嚴格控電解液從排氣閥排出時(shí)不容易揮發(fā)掉,酸性氣體可能隨制充電電壓,如額定電壓為12 V的蓄電池,其充電電接線(xiàn)管進(jìn)人控制箱對精密電子控制器件造成損傷.因此，壓應在13.5~13.8 V之間.浮充電壓過(guò)低,蓄電池會(huì )對于蓄電池連接,應采用盡量短的連接線(xiàn)(見(jiàn)圖5).充不滿(mǎn)，過(guò)高則會(huì )造成過(guò)量充電.電壓的調定應以初期充電電流不超過(guò)0.3C(C為蓄電池的額定容量)為原則.循環(huán)充電時(shí),其初期充電電流也不宜超過(guò)0. 3C,充電的安培小時(shí)數要略大于放電安培小時(shí)數.也可先以0.1C的充電速率恒流充電數小時(shí),當充電安培小時(shí)數達到放電安培小時(shí)數的90%時(shí),再改用浮充電壓充電,直至允滿(mǎn).因此,對于光伏系統用蓄電池通常采用智能控制器來(lái)滿(mǎn)足其充電要求.(錯誤連按) .(正確連接)目前,為進(jìn)一- 步提高電池壽命,采用- -種3階段智圖5蓄電池連接方式比較能化電池管理充電方案.即將充電分成初始化充電、浮充電和休息3個(gè)階段.第-階段 是恒流均衡充電,將電3結論池容量充到90% ;第二階段是浮充充電,將電池容雖光伏組件如果有旁路二極管,并且每個(gè)組件有多充到100% ,停止充電;第三階段是自然放電,在這個(gè)余1個(gè)旁路二極管,則組件應該以旁路二極管垂直而階段里,電池利用自身的漏電流放電,一直到規定的電非平行為宜.這樣,組件在有雪等不易滑落的遮擋物時(shí)壓下限,然后重復上述的3個(gè)階段.這種方式改變了以能有更多的能量輸出.與串聯(lián)連接相比,組件并聯(lián)時(shí)輸前那種充滿(mǎn)電后,仍使電池處于1天24 h的浮充狀出的能量更多.當光伏組件由不同陣列組成時(shí),組件間態(tài)，因此延長(cháng)了電池的使用壽命.要有一定間距來(lái)阻擋陰影的形成.間距與組件安放地2.3蓄電池安裝點(diǎn)的地理緯度有關(guān)環(huán)境溫度對蓄電池的影響較大,其蓄電池應盡可能安裝在清潔、陰涼.通風(fēng)、干燥的最佳溫度在25C左右.地方,并要避免受到陽(yáng)光、加熱器或其他輻射熱源的影參考文獻響.電池應正立放置,不可傾斜角度.每個(gè)電池間端子[1]姜謙2010-2015年中國太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)投資分析及前景預測報告[ EB/OL]. (2006 -01 -03)[2010 -04- 15]ht-的連接要牢固,當條件允許時(shí),可以控制蓄電池安放地tp://www. ocn. com. cn/ reports/ 2006103guangfufadian. htm.點(diǎn)的環(huán)境溫度在某- -溫度 范圍內.對于光伏獨立系統[2]李實(shí),鞠振河,殷志剛.太陽(yáng)能照明系統發(fā)電特性和優(yōu)化的蓄電池,當條件不允許時(shí),可以把蓄電池以直埋方式選擇[J]可再生能源,2009.26(5):17 -20.埋入地下,但是埋藏深度要大于當地的凍土層深度.直[3] Falk Antony .Christian Durschner . Karl-Heinz Remmers. So-lar Electric Systems Marketing . Design and Intallation[ M].埋的優(yōu)點(diǎn)是能保持蓄電池在相對較小的工作溫度范圍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中國煤化工he series and parallelproblem about battery were analyzed.Key words: Photovoltaics module ; Battery ; Photovoltaics arrayYHCNMHG(責任編輯洪廣歡)