光伏组件方阵的容量及串并联连接的设计方法

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光伏组件方阵的容量及串并联连接的设计方法

光伏组件方阵设计
   如何设计光伏组件的大小以及光伏组件方阵的排布连接，是光伏系统设计中最重要的一环。这个步骤决定了用户60%的成本投入是否产生浪费或者是否不足。下面我们就来详细介绍光伏组件方阵的设计原理和案例。
一、基本公式
    光伏组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算光伏组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块光伏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光伏组件数，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光伏组件的标称电压，就可以得到系统需要串联的光伏组件数，使用这些光伏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：
                 日平均负载（AH）
并联的组件数量＝------------------ 
                 组件日输出（AH）
 
                 系统电压（V）
串联组件数量＝ ---------------
                 组件电压（V）
二、光伏组件方阵设计的修正
    光伏组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的光伏组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正。
1、将光伏组件输出降低10％
    在实际情况工作下，光伏组件的输出会受到外在环境的影响而降低。泥土、灰、积雪的覆盖和组件性能的慢慢衰减都会降低光伏组件的输出。另外，逆变器的转换效率，以及电缆等系统内设备的损耗也会影响光伏组件实际输出的电流。    通常的做法就是在计算的时候减少光伏组件的输出10％来解决上述的不可预知和不可量化的因素。我们可以将这看成是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。设计上留有一定的余量将使得系统可以年复一年地长期正常使用。
2、将负载增加10％以应付蓄电池的库仑效率
    在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说光伏组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失，我们用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。不同的蓄电池其库仑效率不同，通常可以认为有5～10％的损失，所以保守设计中有必要将光伏组件的功率增加10％以抵消蓄电池的耗散损失
三、完整的光伏组件设计
    考虑到上述因素，必须修正简单的光伏组件设计公式,将每天的负载除以蓄电池的库仑效率，这样就增加了每天的负载，实际上给出了光伏组件需要负担的真正负载；将衰减因子乘以光伏组件的日输出，这样就考虑了环境因素和组件自身衰减造成的光伏组件日输出的减少，给出了一个在实际情况下光伏组件输出的保守估计值。综合考虑以上因素，可以得到下面的计算公式。
                         日平均负载（AH）
并联的组件数量＝----------------------------------------
                库仑效率 X【组件日输出（AH）X 衰减因子】

                 系统电压（V）
串联的组件数量＝--------------
                 组件电压（V）
    利用上述公式进行光伏组件的设计计算时，还要注意以下一些问题：
1、考虑季节变化对光伏系统输出的影响，逐月进行设计计算
    对于全年负载不变的情况，光伏组件的设计计算是基于辐照最低的月份。如果负载的工作情况是变化的，即每个月份的负载对电力的需求是不一样的，那么在设计时采取的最好方法就是按照不同的季节或者每个月份分别来进行计算，计算出的最大光伏组件数目就为所求。例如，可能你计算出你在冬季需要的光伏组件数是10块，但是在夏季可能只需要5块，但是为了保证系统全年的正常运行，就不得不安装较大数量的光伏组件即10块组件来满足全年的负载的需要。
2、根据光伏组件电池片的串联数量选择合适的光伏组件
    光伏组件的日输出与光伏组件中电池片的串联数量有关。电池片在光照下的电压会随着温度的升高而降低，从而导致光伏组件的电压会随着温度的升高而降低。根据这一物理现象，光伏组件生产商根据光伏组件工作的不同气候条件，设计了不同的组件。以下以36片串联组件与33片串联组件为例说明。
    36片光伏组件主要适用于高温环境应用。36片光伏组件的串联设计使得光伏组件即使在高温环境下也可以在Imp附近工作。通常，使用的蓄电池系统电压为12V，36片串联就意味着在标准条件（25℃）下光伏组件的Vmp为17V，大大高于充电所需的12V电压。当这些光伏组件在高温下工作时，由于高温光伏组件的损失电压约为2V，这样Vmp为15V，即使在最热的气候条件下也足够可以给各种类型的蓄电池充电。采用36片串联的光伏组件最好是应用在炎热地区，也可以使用在安装了峰值功率跟踪设备的系统中，这样可以最大限度的发挥光伏组件的潜力。
    33片串联的光伏组件适宜于在温和气候环境下使用。33片串联就意味着在标准条件（25℃）下光伏组件的Vmp为16V，稍高于充电所需的12V电压。当这些光伏组件在40-45℃下工作时，由于高温导致光伏组件损失电压约为1V，这样Vmp为15V，也足够可以给各种类型的蓄电池充电。但如果在非常热的气候条件下工作，光伏组件电压就会降低更多。如果到50℃或者更高，电压会降低到14V或者以下，就会发生电流输出降低。这样对光伏组件没有害处，但是产生的电流就不够理想，所以33片串联的光伏组件最好用在温和气候条件下。
3、使用峰值日照时数的方法估算光伏组件的输出
    因为光伏组件的输出是在标准状态下标定的，但在实际使用中，日照条件以及光伏组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同，因此有必要找出一种可以利用光伏组件额定输出和气象数据来估算实际情况下光伏组件输出的方法：我们可以使用峰值小时数的方法估算光伏组件的日输出。
    该方法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000 W/ m2照射的小时数。将该小时数乘以光伏组件的峰值输出就可以估算出光伏组件每天输出的安时数。光伏组件的输出为峰值小时数×峰值功率。
    例如：如果一个月的平均辐射为5.0kWh/m2，可以将其写成5.0 hours × 1000 W/m2，而1000 W/m2正好也就是用来标定光伏组件功率的标准辐射量，那么平均辐射为5.0 kWh/m2就基本等同于光伏组件在标准辐射下照射5.0小时。这当然不是实际情况，但是可以用来简化计算。
    因为1000 W/m2是生产商用来标定光伏组件功率的辐射量，所以在该辐射情况下的组件输出数值可以很容易从生产商处得到。为了计算光伏组件每天产生的安时数，可以使用峰值小时×光伏组件的Imp。
    例如，假设在某个地区倾角为30 度的斜面上按月平均每天的辐射量为5.0kWh/m2，可以将其写成5.0 hours × 1000W/ m2。对于一个典型的75W光伏组件，Imp为4.4Amps，就可得出每天发电的安时数为5.0×4.4Amps = 22.0Ah/天。
    但是，使用峰值日照时数方法存在一些缺点，因为在峰值小时方法中做了一些简化，导致估算结果和实际情况有一定的偏差。
    首先，光伏组件输出的温度效应在该方法中被忽略。在计算中对光伏组件的Imp要进行补偿。因为在工作的时候，蓄电池两端的电压通常是稍微低于Vmp，这样光伏组件输出电流就会稍微高于Imp，使用Imp作为光伏组件的输出就会比较保守。这样，温度效应对于由较少的电池片串联的光伏组件输出的影响就比对由较多的电池片串联的光伏组件的输出影响要大，特别是在高温环境下。对于所有的光伏组件，在寒冷气候的预计会更加准确。
    其次，在峰值日照时数方法中，利用了气象数据中测量的总的太阳辐射，将其转换为峰值小时。实际上，在每天的清晨和黄昏，有一段时间因为辐射很低，光伏组件产生的电压太小而无法供给负载使用或者给蓄电池充电，这就将会导致估算偏大。通常，这一点造成的误差不是很大，但对于由较少电池片串联的光伏组件的影响比较大。
    再次，在利用峰值日照时数方法进行光伏组件输出估算时默认了一个假设，即假设光伏组件的输出和光照完全成线性关系，并假设所有的光伏组件都会同样地把太阳辐射转化为电能。但实际上不是这样的，这种使用峰值日照时数乘以电流峰值的方法有时候会过高地估算某些光伏组件的输出。
    不过，总的来说，在已知本地倾斜斜面上光伏辐射数据的情况下，峰值日照时数估计方法是一种对光伏组件输出进行快速估算很有效的方法。
下面举例说明如何使用上述方法计算光伏供电系统需要的光伏组件数。
    一个偏远地区建设的光伏供电系统，该系统使用直流负载，负载为24V，400Ah/天。该地区最低
的光照辐射是一月份，如果采用30度的倾角，斜面上的平均日太阳辐射为3.0 kWh/ m2，也就是相当于3个标准峰值小时。对于一个典型的75W光伏组件，每天的输出为：
组件日输出=3.0峰值小时 ×4.4安培=13.2 Ah/天
假设蓄电池的库仑效率为90%，光伏组件的输出衰减为10％。根据上述公式，
                           日平均负载（AH）                     400（AH）
并联的组件数量＝---------------------------------------＝---------------------＝37.4
                库仑效率 X【组件日输出（AH）X 衰减因子】  0.9*【13.2（AH）*0.9】
 
                 系统电压（V）    24（V）
串联的组件数量＝-------------- ＝--------＝2
                 组件电压（V)     12（V）
    根据以上计算数据，可以选择并联组件数量为38，串联组件数量为2，所需的光伏组件数为：
总的光伏组件数=2串×38并 = 76块
 
光伏组件方阵的容量及串并联连接的设计方法