CN103312224A - 一种太阳能光伏发电系统电路及其容量设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能光伏发电系统电路及其容量设计方法，该电路包括太阳能电池阵列、蓄电池组、负载、单向变换器、双向变换器、直流母线；太阳能电池阵列通过单向变换器输出至直流母线，蓄电池组通过双向变换器连接到至直流母线，负载接在直流母线上。本发明中太阳能电池阵列与蓄电池组的串并联数不必满足严格的匹配关系，可根据电路结构和功率容量灵活选择与设计；双向变换器的高压端与直流母线并联，可以优化设计双向变换器；系统过载所需的能量可由蓄电池放电来提供，太阳能电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置，从而降低系统费用；系统结构较简单，同时通过双向变换器还可以控制蓄电池充放电电流，保护蓄电池不受损坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏发电系统电路及其容量设计方法，属于新能源发电技术领域。
背景技术
随着化石能源迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，是理想的可再生能源。太阳能光伏发电对缓解能源危机和减少环境污染具有重要的意义，并具有广阔的应用前景。
带蓄电池作为储能单元的太阳能光伏发电系统一般可由太阳能电池、蓄电池、单向变换器、双向变换器和直流负载组成。由于蓄电池的引入，系统过载所需的能量可由蓄电池放电来提供，太阳能电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置，从而降低系统费用。目前工程实践中，很多企业在实际配置设计太阳能光伏发电系统的容量时，一般按照工程经验设计，而不是根据实际应用情况来进行，这一方面可能导致系统容量配置不合理造成资源的浪费，另一方面可能导致系统在某些时候因容量不足而不能正常工作。
发明内容
针对现有技术中太阳能光伏发电系统电路存在的上述问题，本发明提供一种太阳能光伏发电系统电路及其容量设计方法。
本发明的技术方案是：
一种太阳能光伏发电系统电路，包括太阳能电池阵列、蓄电池组、负载、单向变换器、双向变换器、直流母线；太阳能电池阵列通过单向变换器输出至直流母线，蓄电池组通过双向变换器连接到至直流母线，负载接在直流母线上。
进一步，所述太阳能电池阵列作为供电单元，所述蓄电池组作为储能单元，所述负载作为用电单元。
进一步，所述太阳能电池阵列与蓄电池组的串并联数不必满足严格的匹配关系，可根据电路结构和功率容量选择。
进一步，所述蓄电池组的充放电共用一个双向变换器，同时通过双向变换器控制蓄电池充放电电流。
进一步，所述太阳能电池阵列的倾角Ф为37°。
一种太阳能光伏发电系统电路的容量设计方法，包括所述太阳能电池阵列的容量设计方法和所述蓄电池的容量设计方法，该方法根据太阳能电池阵列所处的包括地理位置、太阳辐射能、气候和气象的具体环境条件以及负载的使用要求进行设计；
（1）太阳能电池阵列的容量设计方法：根据不同季节的负载用电需要，确定太阳能电池阵列倾角；确定日平均太阳辐射量；考虑太阳能电池阵列安装倾角，引入斜面修正系数，确定太阳能电池阵列斜面的日平均太阳辐射量；将日平均辐射量转换为标准光强下的日平均辐射时数；根据负载日耗电量和单向变换器的效率，确定每天需要太阳能电池阵列提供的能量；考虑太阳能电池组件组合、衰减、灰尘、充电效率等引起的损失，引入太阳电池组件修正系数，得出系统所需要的电池组件输出峰值功率。
（2）蓄电池的容量设计方法：按照工程设计经验公式计算系统所需要的蓄电池容量：
式中：C B为蓄电池容量；E LBd为负载每天由蓄电池的供电量；N d为连续阴雨天数；R B为蓄电池放电效率的修正系数；U B为蓄电池额定电压；ηBoost为双向变换器效率；F D为蓄电池的放电深度；L B为蓄电池的维修保养率。
进一步，所述E LBd取3500Wh；N d取8天；R B取1.05；U B取48V；ηBoost取95％；F D取0.75；L B取0.9。
本发明的有益效果是：
（1）太阳能电池阵列与蓄电池组的串并联数不必满足严格的匹配关系，可以根据电路结构和功率容量灵活选择与设计；
（2）双向变换器的高压端与直流母线并联，而直流母线的电压稳定，因此可以优化设计双向变换器；
（3）由于蓄电池组的引入，系统过载所需的能量可由蓄电池放电来提供，太阳能电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置，从而降低系统费用；
（4）系统结构较简单，蓄电池充放电共用一个双向变换器来实现，可减轻系统的重量，同时通过双向变换器还可以控制蓄电池充放电电流，保护蓄电池不受损坏。
附图说明
图1为本发明的太阳能光伏发电系统电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种太阳能光伏发电系统电路的结构如图1所示，包括：太阳能电池阵列、蓄电池组、负载、单向变换器、双向变换器、直流母线（DC Bus），等等。太阳能电池阵列通过单向变换器输出至直流母线，蓄电池组通过双向变换器连接到至直流母线，负载接在直流母线上，太阳能电池阵列作为供电单元，蓄电池组作为储能单元，负载作为用电单元。
本发明一种太阳能光伏发电系统电路的容量设计方法，是根据太阳能电池阵列所处的具体环境条件(地理位置、太阳辐射能、气候和气象等)，设计出既可靠又经济的光伏发电系统。太阳能电池阵列的输出功率与太阳能电池组件串并联数量有关，串联是为了获得所需的工作电压，并联是为了获得所需的工作电流，适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池阵列。根据负载情况，在有日照和无日照时，均需使用蓄电池，利用对蓄电池的充放电来满足系统实际运行的要求。太阳能电池阵列所安装地区天气的变化将直接影响其发电量。如果遇到连续几天阴雨天气，太阳能电池阵列就几乎不能发电，只能靠蓄电池来给负载供电。而在太阳光照充足时，太阳能电池发出的多余的能量又要给蓄电池充电。所在地区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。
下面结合地区实际情况对本发明进行说明。
本发明所述的太阳能电池容量设计和蓄电池容量设计，以江苏省南京市气象台提供的最近十年的太阳辐射能量数据资料为依据：
南京地区经纬度：东经118度48分，北纬32度；南京地区最近十年来连续阴雨天的时间最长为12天，最短6天，平均为N d＝8天；南京地区最近十年的年平均太阳辐射量为4468.4 MJ/m2(每平方米面积在一年内接受的太阳能总辐射量)。
本系统负载要求为：额定电压为V o＝100VDC；额定功率为P o＝500W；假设负载每天的工作时间为t d＝7小时(h)，则负载日耗电量E Ld＝P o×t d＝3500Wh，在连续8天阴雨天期间，负载连续总工作时间T=t d×N d=56小时(h)。
（一）太阳能电池阵列的容量设计
为了简化光伏发电系统的控制，同时考虑满足不同季节的负载用电需要，可以按照下列规律确定太阳能电池阵列倾角，即：
考虑全年期间均能最佳利用太阳能电池阵列的能量，阵列安装倾角Ф比当地纬度多5o，本系统实际安装时，太阳能电池阵列安装倾角取Ф=37o。
根据以上给出的南京地区最近十年的年平均太阳辐射量4468.4 MJ/m2，可以计算出日平均太阳辐射量为12242 kJ/m2(一年按365天计算)。考虑太阳能电池阵列安装倾角，引入斜面修正系数(其经验值一般取1.1)，得到太阳能电池阵列斜面的日平均太阳辐射量H t＝13466 kJ/m2。进一步将日平均辐射量H t 转换为标准光强(1000W/ m2)下的日平均辐射时数H：
H=H t×2.778／10000h=13466 kJ/ m2×(2.778/10000)＝3.74 (h)
式中，2.778/10000(h·m2/kJ)为将日平均辐射量换算为标准光强下的日平均辐射时数的系数。
由于负载日耗电量为3500Wh，设单向变换器的效率为95％，则每天需要太阳能电池阵列提供的能量E PV(瓦时数，Wh)为：
考虑太阳能电池组件组合、衰减、灰尘、充电效率等引起的损失，引入太阳电池组件修正系数，一般取0.8。因此，可以得出系统所需要的电池组件输出峰值功率P m为：
（二）蓄电池的容量设计
蓄电池的容量对保证负载连续供电至关重要。在一年内，太阳能电池阵列发电量各月份有很大差别，其发电量在不能满足负载用电需求的月份，需要蓄电池放电来补足；在超过负载用电需求的月份，多余的电能给蓄电池充电而储存起来。因为在连续阴雨天期间的负载用电必须从蓄电池取得，所以蓄电池容量比负载所需的电量大得多。
太阳能光伏发电系统的储能装置目前主要使用铅酸免维护蓄电池。实验系统选用标称电压为48V的铅酸蓄电池，系统所需要的蓄电池容量(安时，Ah)可以按照常用的工程设计经验公式来计算：
式中，C B－蓄电池容量（安时，Ah）；
E LBd－负载每天由蓄电池的供电量，3500Wh；
N d－连续阴雨天数，8天；
R B－蓄电池放电效率的修正系数，一般取1.05；
U B－蓄电池额定电压，48V；
ηBoost－双向变换器效率，取95％；
F D－蓄电池的放电深度，一般取0.75；
L B－蓄电池的维修保养率，一般取0.9。
根据上式的计算结果，理论上选取48V/1000Ah的标称铅酸蓄电池。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种太阳能光伏发电系统电路，其特征在于：包括太阳能电池阵列、蓄电池组、负载、单向变换器、双向变换器、直流母线；太阳能电池阵列通过单向变换器输出至直流母线，蓄电池组通过双向变换器连接到至直流母线，负载接在直流母线上。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电系统电路，其特征在于：所述太阳能电池阵列作为供电单元，所述蓄电池组作为储能单元，所述负载作为用电单元。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电系统电路，其特征在于：所述太阳能电池阵列与蓄电池组的串并联数不必满足严格的匹配关系，可根据电路结构和功率容量选择。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电系统电路，其特征在于：所述蓄电池组的充放电共用一个双向变换器，同时通过双向变换器控制蓄电池充放电电流。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电系统电路，其特征在于：所述太阳能电池阵列的倾角Ф为37o。
6.一种太阳能光伏发电系统电路的容量设计方法，包括所述太阳能电池阵列的容量设计方法和所述蓄电池的容量设计方法，其特征在于：根据太阳能电池阵列所处的包括地理位置、太阳辐射能、气候和气象的具体环境条件以及负载的使用要求进行设计；
（1）太阳能电池阵列的容量设计方法：根据不同季节的负载用电需要，确定太阳能电池阵列倾角；确定日平均太阳辐射量；考虑太阳能电池阵列安装倾角，引入斜面修正系数，确定太阳能电池阵列斜面的日平均太阳辐射量；将日平均辐射量转换为标准光强下的日平均辐射时数；根据负载日耗电量和单向变换器的效率，确定每天需要太阳能电池阵列提供的能量；考虑太阳能电池组件组合、衰减、灰尘、充电效率等引起的损失，引入太阳电池组件修正系数，得出系统所需要的电池组件输出峰值功率；
（2）蓄电池的容量设计方法：按照工程设计经验公式计算系统所需要的蓄电池容量：
式中：C B为蓄电池容量；E LBd为负载每天由蓄电池的供电量；N d为连续阴雨天数；R B为蓄电池放电效率的修正系数；U B为蓄电池额定电压；ηBoost为双向变换器效率；F D为蓄电池的放电深度；L B为蓄电池的维修保养率。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能光伏发电系统电路的容量设计方法，其特征在于：所述E LBd取3500Wh；N d取8天；R B取1.05；U B取48V；ηBoost取95％；F D取0.75；L B取0.9。
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