獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計方法

陳 濤

（蘇州中來民生能源有限公司，上海 201613）

0 引 言

伴隨近幾年通信行業(yè)的高速發(fā)展，社會對通信電源也提出更高要求，即要求通信電源需具備較強(qiáng)的可靠性、穩(wěn)定性，因此，太陽能電源在通信領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。實際應(yīng)用過程中，如何參照區(qū)域條件，設(shè)計穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)，對于保障通信穩(wěn)定性而言具備重要意義。此外，本設(shè)計中將陰雨天氣下蓄電池工作狀態(tài)納入考慮范圍內(nèi)。此也為本設(shè)計獨(dú)特之處，為維持通信電源穩(wěn)定性提供了進(jìn)一步保障。

1 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)作用原理及系統(tǒng)簡介

1.1 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)作用原理

自然光照射時，因光照輻射角度差異，使得太陽能電池板所采集的能量也各有不同。當(dāng)太陽光以垂直角度照射于某平面時，假設(shè)截面面積為1 m2，此時入射角θ即為0°，太陽光能則會分散于截面面積內(nèi)。若入射角θ為0°～90°，能量保持不變，太陽光能分散面積同入射角幅度相關(guān)，即1/cosθm2。當(dāng)能量滿足相應(yīng)數(shù)值時，輻射數(shù)值將會伴隨單位面積增加而增加。如以θ角照射，此時單位面積內(nèi)所接收的能量主要受到θ角幅度大小影響，同垂直入射時相比，是垂直入射的cosθ倍。當(dāng)自然光以85°角照射時，所接收能量大小同垂直照射時相比，差異較大，僅為1/12。由這些內(nèi)容可知，自然光照射角度差異將會導(dǎo)致收集能量的差異。為獲取更多能量，應(yīng)盡量將光照接收面同自然光照射角度間保持垂直狀態(tài)。完成能量收集后，光伏電源可通過半導(dǎo)體效應(yīng)，將電器及機(jī)械設(shè)備無法直接使用能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。這些電能可以作為儲能裝置的備用存儲，也可以直接被負(fù)載使用[1]。

1.2 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)簡介

獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)主要由負(fù)載、充放電控制裝置、蓄電池及光伏陣列等構(gòu)成。此系統(tǒng)中，光伏陣列主要起到光電轉(zhuǎn)換作用；充放電控制裝置主要負(fù)責(zé)將由光伏陣列所供給的電能轉(zhuǎn)化為可供負(fù)載或蓄電池充電直接使用的電壓等級。當(dāng)光伏陣列所供給電能不足時，控制裝置將會借助釋放蓄電池所存儲電能為負(fù)載輸送電能。伴隨科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，控制裝置功能也隨之不斷健全，如在裝置中已增設(shè)逆變器功能，可實現(xiàn)交流電源的供給，獨(dú)立電源系統(tǒng)應(yīng)用范圍得以進(jìn)一步擴(kuò)大。因尚未具備外部能源供給渠道，因此在設(shè)計過程中，還應(yīng)對負(fù)載能耗、蓄電池、光伏陣列幾者間的平衡關(guān)系加以考慮。光伏陣列輸出功率在實際運(yùn)行過程中受天氣因素影響較大，所以配置蓄電池時應(yīng)對所處地域的負(fù)載能耗需求、持續(xù)陰雨天數(shù)加以考慮。此外，為保障獨(dú)立電源系統(tǒng)正常運(yùn)行，并確保系統(tǒng)所產(chǎn)生成本效益，需定量評估性能。結(jié)合地理條件、負(fù)載功耗對系統(tǒng)配置要求加以明確，并選用適宜系統(tǒng)，同時還應(yīng)采用仿真驗證系統(tǒng)對獨(dú)立光伏系統(tǒng)運(yùn)行性能加以驗證[2]。

2 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計方法

2.1 蓄電池組容量設(shè)計方法

蓄電池為獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)中能量的重要儲存裝置，同光伏陣列配套的蓄電池工作狀態(tài)多為浮充狀態(tài)，蓄電池電壓伴隨負(fù)載用電量、陣列發(fā)電量的改變而產(chǎn)生變動。蓄電池容量要遠(yuǎn)大于負(fù)載所需電量。此外，環(huán)境溫度也會對蓄電池所提供能量產(chǎn)生影響，為匹配光伏電池，對蓄電池日常維護(hù)、使用壽命均提出一定要求。因此，蓄電池的合理選取尤為必要。目前，可匹配光伏電池的蓄電池種類眾多，堿性鎳鎘蓄電池、普通鉛酸蓄電池、鉛酸免維護(hù)蓄電池為使用較為普遍的3 種蓄電池類型。其中，鉛酸免維護(hù)蓄電池因具備對環(huán)境污染小、“免”維護(hù)等優(yōu)勢在國內(nèi)應(yīng)用范圍更加廣泛，在性能可靠的光伏電源系統(tǒng)中可起到良好應(yīng)用效果，尤其在無人值守的工作站中應(yīng)用效果更為顯著。蓄電池類型明確后，則應(yīng)對蓄電池組容量加以計算[3]。為確保連續(xù)供電科學(xué)，計算蓄電池容量尤為必要。因蓄電池容量存在限制，如在日輻照量較高的期間內(nèi)，蓄電池將會處于飽和狀態(tài)中，若處于日輻照量較低期間內(nèi)，蓄電池應(yīng)負(fù)責(zé)向負(fù)載供給能耗，而為保障蓄電池電能供給充足，探尋最佳蓄電池容量具備重要意義。陣列發(fā)電量在不同月份均各有不同，當(dāng)陣列發(fā)電量無法滿足用電需求時，應(yīng)以蓄電池電能予以供給。而當(dāng)陣列發(fā)電量高于用電需求時，蓄電池則可儲存多余電能。由此可見，設(shè)計蓄電池容量的重要依據(jù)即為陣列發(fā)電量的過剩值、不足值。此外，蓄電池還應(yīng)負(fù)責(zé)連續(xù)陰雨天時負(fù)載用電需求的供給。因此，設(shè)計蓄電池容量時，還應(yīng)將此階段的能耗納入計算范圍[4]。由此，設(shè)計蓄電池容量Bc計算公式如下：

其中，A表示安全系數(shù)，取值范圍在1.1～1.4；QL表示負(fù)載日均耗電量，為工作電流×每日工作小時數(shù)所得；NL表示陰雨天最長連續(xù)天數(shù)；TO表示溫度修正系數(shù)，通常情況下，超出0℃取值為1，-10℃取值為1.1，低于-10℃以下取值1.2；CC表示蓄電池放電深度，鉛酸蓄電池取值0.75，堿性鎳鎘蓄電池取值0.85。

2.2 光伏電池陣列設(shè)計方法

光伏電池陣列設(shè)計主要包括光伏電池組件串聯(lián)數(shù)（NS）及光伏電池組件并聯(lián)數(shù)（NP）的計算。首先為NS的計算。將光伏電池組件以相應(yīng)數(shù)目串聯(lián)，即可獲取所需電壓。為此，需保證光伏電池組件串聯(lián)數(shù)目的合理。若串聯(lián)數(shù)目過少，由串聯(lián)所產(chǎn)生的電壓將難以滿足蓄電池浮充電壓，因此，光伏陣列難以滿足蓄電池電能需求。若串聯(lián)數(shù)目過高，將會導(dǎo)致所形成電壓超出浮充電壓，而此時充電電流也不會顯著增加。僅有當(dāng)光伏電池組件串聯(lián)所產(chǎn)生電壓同浮充電壓相符時，方可達(dá)到最佳充電效果。光伏電池組件串聯(lián)數(shù)目計算公式如下：

其中，UR表示光伏電池陣列最小輸出電壓；UOC表示光伏電池組件最佳工作電壓；Uf表示蓄電池浮充電壓；UD表示二極管壓降，通常取值0.7 V；UC表示由其它因數(shù)所導(dǎo)致的壓降。

其次為NP的計算。NP確定前，應(yīng)對相關(guān)量計算方式加以計算。第一步應(yīng)將光伏電池陣列安裝地區(qū)的日輻射量H1轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的日均輻射時數(shù)H。H1計算公式如下：

其中，2.778/10 000 h·m2/kJ 是標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1 000 W/m2） 條件下的日均輻射時數(shù)的系數(shù)。第二步應(yīng)計算光伏電池組件日發(fā)電量Qp，計算公式如下：

其中，IOC表示光伏電池組件最適合的工作電流；KOP表示斜面修正系數(shù)；CZ表示修正系數(shù)，主要包括充電效率、灰塵、組合等所產(chǎn)生的損失，通常情況下，取值0.8。第三步為計算兩組最長持續(xù)陰雨天間最短間隔天數(shù)，即NW，這部分?jǐn)?shù)據(jù)為本設(shè)計獨(dú)特之處，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)納入考慮范圍的主要原因在于，將蓄電池在此階段所損失的電量加以彌補(bǔ)，應(yīng)補(bǔ)足蓄電池容量為Bcb，計算公式如下：

由此便可對NP加以計算，計算公式如下：

分析式（6）可知，處于并聯(lián)狀態(tài)的光伏電池組數(shù)，在兩組連續(xù)陰雨天間隔內(nèi)所生成的發(fā)電量，不僅可滿足負(fù)載應(yīng)用需求，同時還可彌補(bǔ)蓄電池在陰雨天時所損失的電量。

最后應(yīng)計算光伏電池陣列功率，所得計算公式如下：

其中，PO表示光伏電池組件額定功率。

2.3 系統(tǒng)平衡點(diǎn)設(shè)計方法

為對獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行加以保障，需促使負(fù)載能耗、蓄電池儲存電能及日輻照量三者間處于平衡關(guān)系，故需探尋系統(tǒng)平衡點(diǎn)。為精準(zhǔn)獲取系統(tǒng)平衡點(diǎn)，應(yīng)至少使此系統(tǒng)運(yùn)行10 d，而在運(yùn)行過程中則應(yīng)滿足如下要求：（1）應(yīng)至少連續(xù)2 d 處于低輻照量；（2）至少3 d 的日輻照量間存在明顯差異，同時還應(yīng)保障2 d 日輻照量超出系統(tǒng)預(yù)設(shè)平衡點(diǎn)；（3）10 d 日均輻射量至少為（4±0.3）kWh/m2·d。獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)如圖1 所示。結(jié)合圖1 展開分析，系統(tǒng)最佳工作區(qū)域在于斜線下方、水平線上方區(qū)域內(nèi)，僅有處于此區(qū)域內(nèi)，方可對系統(tǒng)充分滿足負(fù)載能耗需求予以保障。同時，圖1 中斜線、直線二者間交匯位置為系統(tǒng)平衡點(diǎn)，平衡點(diǎn)位置橫坐標(biāo)即為確保系統(tǒng)可達(dá)到負(fù)載需求的日輻照量最低要求，借此可對獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)實際性能評判提供可靠參考[5-7]。

圖1 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)圖

3 設(shè)計實例

以蘇州地區(qū)某地面衛(wèi)星接收站為研究對象，展開分析。此接收站功率為25 W，日均工作時長24 h，負(fù)載電壓為12 V，最長陰雨天連續(xù)時長為1 5d，兩組最長陰雨天最短間隔時間為30 d，所選用光伏電池工作電流為2.22 A，工作電壓為17.1 V，組件額定功率為38 W。 以鉛酸免維護(hù)蓄電池作為蓄電池類型，浮充電壓設(shè)定為（14±1）V，蘇州年均日輻射量13 099 kJ/m2，KOP值為0.885，16.13°為最佳傾角，為對蓄電池容量、光伏電池陣列功率加以計算。

首先為蓄電池容量Bc的計算。

蓄電池容量Bc=A×QL×NL×TO/CC=1.2×（25/12）× 24×15×1/0.75=1 200 Ah。

其次為光伏電池陣列功率P的計算。

由于NS=UR/UOC=（Uf+UD+UC/UOC）=（14+0.7+1）/ 17.1=0.92 ≈1，

Qp=IOC×H×KOP×CZ=2.22×13 099×（2.778/10 000）× 0.885×0.8 ≈5.72 Ah，

Bcb=A×QL×NL=1.2×（25/12）×24×15=900 Ah，QL=（25/12）×24=50 Ah，

NP=（Bcb+NW×QL）/（Qp×NW）=（900+30×50）/ （5.72×30）≈13.99，

因此，光伏電池陣列功率為P=PO×NS×NP=38× 1×13.99=531.62 W。

由計算可知，地面衛(wèi)星接收站所設(shè)計蓄電池容量為1 200 Ah，光伏電池陣列功率為531.62 W。

4 結(jié) 論

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展背景下，為推動通信行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，對通信電源穩(wěn)定性加以保障尤為必要。因此，本文即圍繞獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計方法展開探究，以蓄電池組容量設(shè)計、光伏電池陣列設(shè)計為切入點(diǎn)展開具體研究，并結(jié)合蘇州地域條件，對蓄電池容量、光伏電池陣列功率加以計算，為光伏電源系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。