双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器，参考电压为VDD（＋12V）的 1/2。光敏电阻RT1、RT2与电位器 RP1和光敏电阻RT3、RT...
太阳能家庭发电系统设计详解 - 太阳能家庭发电系统设计详解
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2023年02月01日 21:09 255
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太阳能家庭发电系统设计详解
1、家庭式太阳能发电系统整体设计步骤
如图3-1为家庭式太阳能发电系统设计步骤框图。家庭式太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，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，太阳能电池和蓄电池容量的计算，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，以及控制系统选型和设计。由于软件设计牵涉到复杂的太阳能辐射量、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的；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。
在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，实际使用时必须设法换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。对于偏远地区的太阳辐射数据可能并不类似于附近的城市，可采用邻近某个城市的气象资料或类似地区气象观测站所记录的数据进行类推。
2、 光伏方阵最佳倾角计算
由于太阳光照射到地面的角度时时刻刻都在变化，而太阳能电池只有在日光直射的时候发电的效率是最高的，因此太阳能电池方阵布置有两种方法： 一种是安装向日跟踪系统; 另外一种是根据计算确定最佳安装角度安装太阳能电池方阵。前者可以提高太阳能电池的发电效率，但成本很高，后一种虽然效率没有前者高，但建设成本较低，综合考虑采用第二种方法。
（1）计算方法
（3-1）式中ρ为地物表面反射率。一般情况下，最后一项地面反射辐射量很小，只占HT的百分之几。式中H为水平面上总辐射量。ρ为地面反射率，范围大致为0.2～0.7，通常取ρ=0.2。在实际应用时，倾角的计算结果精确到1°已经足够。具体计算过程相当复杂，为此可利用计算机软件，只要输入安装地点的太阳辐射资料及地理纬度等数据，即可算出任意倾角下的平均日辐射量，最后确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量［10］。
（2）平均峰值日照时数计算
由太阳能电池倾斜面方阵上有辐射资料的历年逐月日平均太阳能辐射量可求出全年平均日太阳辐射量HT，，并用单位mWh/cm2表示，除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数T0，如式（3-7）所示。
（3）驻马店地区的气象资料
驻马店位于河南中南部，北接漯河，南邻信阳，地处淮河上游的丘陵平原地区。位于北纬32°18´—33°15´，东经113°10´—115°12´，地处亚热带与暖温带的过渡地带，具有亚热带与暖温带的双重气候特征，是典型的季风型半湿润气候。主要特点是：季风分明、四季分明、温湿适中、雨热同季。年平均太阳辐射总量112～120千卡/平方厘米，年平均日照时数约为2000～2200小时。全年平均气温15℃，极端最低气温-21℃，极端最高气温达44℃。全市多年平均降水量为920mm，南部多于北部，西部多于东部。常年主导风向冬季为西北风和北风，夏季为东南风和南风，最大风速为25米/秒。
根据驻马店地区的历年逐月日平均辐射量及驻马店地区的纬度经计算驻马店地区平均实际日照时数7小时；平均峰值日照时数（组件表面上）为4.33小时；最小的日峰值日照时数为3.68小时；驻马店地区的太阳能电池组件最佳倾角为41°。结果见表（3-3）所示。
3、家庭日用电负荷计算
本次试验设计所用的家庭负荷量数据采用调查访问的形式获得，对普通家庭式日常用电负荷进行调查，计算统计出家庭常用负荷的功率及其用电时数，表3-4为普通家庭日常负荷表。
由统计表知普通家庭家用负载总功率约为1.78KW；每日耗电量L约为5.77kW.h 。
4、电池组件的确定
太阳能电池组件板的功率
式中，L为负载每天总耗电量；T0为平均峰值日照时数；η1为蓄电池充电效率（0.80～0.90）；η2为方阵方阵组合损失表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9～0.95；η3为逆变器的转换效率，通常可取0.9～0.98。K为考虑一些未知工作因素，而引入的安全系数，可根据电压等级，数据准确程度，运行环境等，在1.05～1.30之间选取。
由日耗电量L=5.77kW.h，可计算出该系统需要太阳能电池板的总功率
PA=1.67KW，由此可以选择总功率为1.7KW的太阳能组件，一般采用太阳能电池标准组件，通过串并联构成所需要功率的太阳能电池方阵。该系统可采用36块每块电压为0.5V，功率为2.8W的太阳能电池板串联成面积125×125，电压18V，功率100W单晶太阳能电池组件，再用17块该太阳能组件进行并联使用。
5、蓄电池容量的确定
在独立型家庭式太阳能光伏发电系统中，蓄电池是仅次于光伏组件的最重要部件，而且随着光伏组件价格的不断降低，蓄电池在总投资中的比例正在逐渐增加。所以，合理配置蓄电池容量十分重要：容量过大，不仅增加投资，而且会造成蓄电池充电不足，长期处于亏电状态，加上自放电等原蓄电池容量因，蓄电池容易损坏；容量太小，容易造成过放电，不能满足负载用电需要。参考《《RAPS Design Manual》》和《《Applied Photovoltaics》》两个文献，蓄电池容量的计算可以根据用电负荷和连续阴雨天数来确定，实际计算可按式（3-9）
式中，C－蓄电池容量， S－蓄电池供电支持的天数（一般取2.5～5.0d）， L－负载平均每天用电量，；DOD－蓄电池放电深度（一般取0.8）， ηout -从蓄电池到负荷的效率：ηout = Fo×Fi， Fo－交流配电电路效率（一般取0.95），Fi－逆变器效率（一般取0.90～0.98），K－蓄电池放电容量修正系数（一般取1.2）等于蓄电池Amp-hour效率的倒数。 根据系统要求计算日耗电量L=5.77kW.h，再根据式（3-9），可算出蓄电池组的容量C值为27.91kWh，选择12V的标称电压铅酸蓄电池单体，串联成24 V电池蓄电池组；根据电池组容量安时数等于所需瓦时除以电池组电压，得电池组的容量C′= C/24 = 1162.86Ah，所以可选择12个12 V，200 Ah的密封免维护铅酸蓄电池先两两串联后再进行并联，即可接成满足需要的蓄电池组。
6、逆变器和控制器的确定
根据用户的负载实况要求计算出负载总功率为P负为1.77KW，由于负载的总功率大于逆变器总功率的80%时，逆变器会发热过度减少逆变器的使用寿命，所以选择逆变器时需要有设计余量，一般逆变器的功率计算为P逆= P负/η ，一般η取80%，则P逆为1.77kW/80% =2.22KW，所以需要选用3KW的逆变器。
太阳能电池板需要的时均总功率为PA为1.7KW ，由于采用24 V电池，因此系统最大电流约为PA/24 =70.8 A，我们可选择24 V 80A的控制器。
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