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光伏离网系统的计算

   光伏系统的规模和应用形式各异,如系统规模跨度很大,小到几瓦的太阳能庭院灯,大到 MW 级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样,在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一,但其组成结构和工作原理基本相同。

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V 110V ,还需要配置逆变器。各部分的作用为:

(一)太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。

(二)太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;

(三)蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。

(四) 逆变器:在很多场合,都需要提供 220VAC 110VAC 的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC 24VDC 48VDC 。为能向220VAC 的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用 DC-AC逆变器。在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到 DC-DC 逆变器,如将24VDC 的电能转换成 5VDC的电能(注意,不是简单的降压)。

光伏系统的设计包括两个方面:容量设计和硬件设计。

在进行光伏系统的设计之前,需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据:光伏系统现场的地理位置,包括地点、纬度、经度和海拔;该地区的气象资料,包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量,年平均气温和最高、最低气温,最长连续阴雨天数,最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先,给出计算蓄电池容量的基本方法。

(1)基本公式

I.第一步,将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。

II. 第二步,将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电,所以需要除以最大放电深度,得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数,可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下,如果使用的是深循环型蓄电池,推荐使用 80%放电深度( DOD );如果使用的是浅循环蓄电池,推荐选用使用50%DOD 。设
蓄电池的容量 BC 计算公式为:
BC=A×QL×NL×TO
CCAh(1)
式中:A 为安全系数,取 1.1 1.4 之间;
QL
为负载日平均耗电量,为工作电流乘以日工作小时数;
NL
为最长连续阴雨天数;
TO
为温度修正系数,一般在0℃ 以上取 1,- 10℃ 以上取1.1 ,- 10℃以下取 1.2
CC
为蓄电池放电深度,一般铅酸蓄电池取0.75 ,碱性镍镉蓄电池取 0.85
下面我们介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压,我们将蓄电池串联起来给负载供电,需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。
阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量(安时数)除以一块太阳电池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太阳电池组件数,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太阳电池组件的标称电压,就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数,使用这些太阳电池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:
并联的组件数量=日平均负载( AH 组件日输出 (AH)    串联组件数量=系统电压(V)/ 组件电压(V
以上都是没有修正过的公式. 以下公式供参考
太阳能电池方阵设计:
Ns=UR/Uoc=
Uf UD Uc /Uoc 2
式中:UR 为太阳能电池方阵输出最小电压;
Uoc
为太阳能电池组件的最佳工作电压;
Uf
为蓄电池浮充电压;
UD
为二极管压降,一般取0.7V
UC
为其它因数引起的压降。
太阳能电池组件并联数Np
在确定NP 之前,我们先确定其相关量的计算方法。
将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht ,转换成在标准光强下的平均日辐射时数H (日辐射量参见表1 ):
H=Ht×2.778
10000h 3
式中:2.778 10000 h•m2/kJ )为将日辐射量换算为标准光强( 1000W/m2 )下的平均日辐射时数的系数。
太阳能电池组件日发电量 Qp
Qp=Ioc×H×Kop×Cz
Ah    (4)
式中: Ioc 为太阳能电池组件最佳工作电流;
Kop
为斜面修正系数(参照表 1 );
Cz
为修正系数,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失,一般取 0.8
两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 Nw ,此数据为本设计之独特之处,主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来,需补充的蓄电池容量 Bcb 为:
Bcb=A×QL×NL   (Ah)     (5)
太阳能电池组件并联数 Np 的计算方法为:
Np=
Bcb Nw×QL / Qp×Nw (6)
式( 6 )的表达意为:并联的太阳能电池组组数,在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量,不仅供负载使用,还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。
(3)
太阳能电池方阵的功率计算
根据太阳能电池组件的串并联数,即可得出所需太阳能电池方阵的功率 P
P=Po×Ns×NpW
7
式中: Po 为太阳能电池组件的额定功率。
一个真正好的设计人员具体要考虑以下因素:
1
、太阳能发电系统在哪里使用?该地日光辐射情况如何?
2
、系统的负载功率多大?
3
、系统的输出电压是多少,直流还是交流?
4
、系统每天需要工作多少小时?
5
、如遇到没有日光照射的阴雨天气,系统需连续供电多少天?
6
、负载的情况,纯电阻性、电容性还是电感性,启动电流多大?
7
、系统需求的数量。


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Die Skala und die Einsatzformen von Photovoltaik-Anlagen unterscheiden sich, wie z.B. eine große Systemskala, die von einigen Watten von Solar-Gartenlampen bis zu MW-Solarphotovoltaik-Kraftwerken reicht. Seine Antragsformulare sind auch vielfältig und können in vielen Bereichen wie Haushalt, Transport, Kommunikation, Raumanwendung usw. weit verbreitet werden. Obwohl das Ausmaß der Photovoltaik-Anlage unterschiedlich ist, sind ihre Zusammensetzung, Struktur und Arbeitsweise im Grunde gleich.



Das Solarstromgenerationssystem besteht aus Solarbatterie-Pack, Solarregler und Batterie (Pack). Wenn die Ausgangsstromversorgung AC 220V oder 110V ist, muss es auch mit Wechselrichter ausgestattet werden. Die Funktionen jedes Teils sind:



(1) Sonnenkollektor: Sonnenkollektor ist der Kern des Solarstromgenerationssystems und der wertvollste Teil des Solarstromgenerationssystems. Seine Funktion ist es, die Solarstrahlungskapazität in elektrische Energie umzuwandeln oder an die Batterie zur Speicherung zu senden oder die Belastung zu fördern.



(2) Solarregler: Aufgabe des Solarreglers ist es, den Arbeitszustand des gesamten Systems zu kontrollieren und die Batterie vor Überfüllung und Überführung zu schützen. An Stellen mit großer Temperaturdifferenz muss der qualifizierte Controller auch die Funktion der Temperaturkompensation haben. Weitere Zusatzfunktionen wie optischer Steuerschalter und Zeitschalter sind für den Controller optional;



(3) Batterie: in der Regel Blei-Säure-Batterie. In kleinen und Mikrosystemen können auch Nickel-Wasserstoff-Batterie, Nickel Cadmium-Batterie oder Lithium-Batterie verwendet werden. Ihre Funktion ist es, die von Solarzellen ausgestrahlte elektrische Energie zu speichern, wenn es Licht gibt und sie, wenn nötig, freizugeben.



(4) Wechselrichter: In vielen Fällen müssen Wechselstrom-Netzteile 220VAC und 110VAC zur Verfügung gestellt werden. Da die direkte Leistung der Solarenergie in der Regel 12VDC, 24VDC und 48VDC ist. Um elektrische Energie zu 220VAC elektrischen Geräten bereitzustellen, ist es notwendig, die von der Solarstromgeneration erzeugte Gleichstromenergie in Wechselstrom umzuwandeln, so dass DC-Wechselrichter eingesetzt werden müssen. In einigen Fällen müssen mehrere Wechselrichter eingesetzt werden. Der DC-DC-Wechselrichter muss auch für die Spannungsbelastung verwendet werden, wie etwa die Umwandlung von 24VDC-elektrischer Energie in 5VDC-elektrische Energie (beachten Sie, dass es sich hierbei nicht um einen einfachen Schritt nach unten handelt).



Das Design der Photovoltaik-Anlage umfasst zwei Aspekte: Kapazitätsaufbau und Hardware-Design.



Vor der Planung der Photovoltaik-Anlage sind einige für die Berechnung und Auswahl notwendige Basisdaten zu verstehen und zu erhalten: die geographische Lage der Photovoltaik-Anlage, einschließlich Standort, Breitengrad, Längengrad und Höhe; Meteorologische Daten der Region, einschließlich monatlicher Gesamtsolarstrahlung, Direktstrahlung und Streustrahlung, Jahresdurchschnittstemperatur, Höchst- und Mindesttemperatur, längste ununterbrochene Regentage, maximale Windgeschwindigkeit, Hagel, Schneefall und andere besondere meteorologische Bedingungen.



Das Design der Batterie umfasst die Konstruktion und Berechnung der Batteriekapazität und die serielle parallele Konstruktion des Batteriepacks. Erstens wird die grundlegende Methode zur Berechnung der Batteriekapazität angegeben.



(1) Grundlegende Formel



1. Im ersten Schritt kann die vorläufige Batteriekapazität durch Multiplikation des Stromverbrauchs durch die tägliche Belastung durch die autarken Tage ermittelt werden, die nach der tatsächlichen Situation bestimmt sind.



II. Im zweiten Schritt die im ersten Schritt erzielte Batteriekapazität durch die maximal zulässige Entladungstiefe der Batterie dividieren. Da die Batterie in autarken Tagen nicht vollständig entladen werden kann, muss sie durch die maximale Entladungstiefe geteilt werden, um die erforderliche Batteriekapazität zu erhalten. Die Auswahl der maximalen Entladungstiefe muss sich auf die Leistungsparameter der für den Einsatz in der Photovoltaik-Anlage ausgewählten Batterie beziehen. Detaillierte Informationen über die maximale Entladungstiefe der Batterie erhalten Sie beim Batterielieferanten. Im Allgemeinen wird 80% Tiefe der Entladung (DoD) empfohlen, wenn eine Tieflaufbatterie verwendet wird; 50% DOD wird empfohlen, wenn eine flache Batterie verwendet wird.

Die Berechnungsformel der Batteriekapazität BC lautet:

BC=A × QL × NL × TO ©65295CCAh(1)

Wo: A der Sicherheitsfaktor ist, wie 1.1 ~ 1.4;

QL ist der tägliche durchschnittliche Stromverbrauch der Last, d.h. der Arbeitsstrom multipliziert mit der täglichen Arbeitszeit;

NL ist die längste ununterbrochene Regenzeit;

Ist der Temperaturkorrekturkoeffizient in der Regel 1 oberhalb 0 8451;, 1.1 oberhalb - 10 8451; und 1.2 unter - 10 8451;;

CC ist die Entladungstiefe der Batterie, in der Regel 0.75 für Blei-Säure-Batterie und 0.85 für alkalische Nickel-Cadmium-Batterie.

Als nächstes führen wir die Methode ein, um die serielle Parallelverbindung von Batterien zu bestimmen. Jede Batterie hat ihre Nennspannung. Um die Nennspannung der Last zu erreichen, verbinden wir die Batterien in Serie, um Strom an die Last zu liefern. Die Anzahl der Batterien in Serie ist gleich der Nennspannung der Last geteilt durch die Nennspannung der Batterie.

Die Grundidee des Anode-Batteriemoduls-Designs ist es, den Energiebedarf der jährlichen durchschnittlichen täglichen Belastung zu decken. Die grundlegende Methode zur Berechnung des Solarzellenmoduls besteht darin, die durchschnittliche tägliche Energie durch die Belastung (Ampere Stunden) durch die Energie zu teilen, die ein Solarzellenmodul an einem Tag erzeugen kann. (Ampere-Stunden), so dass die Anzahl der Solarzellenmodule, die das System parallel angeschlossen werden muss, berechnet werden kann. Mit diesen Modulen kann parallel der Strom erzeugt werden, der durch die Systemlast benötigt wird. Durch die Aufteilung der Nennspannung des Systems durch die Nennspannung der Solarzellenmodule kann die Anzahl der Solarzellenmodule erreicht werden, die die Solarzellenmodule in Serie miteinander verbunden werden müssen. Die durch die Systemlast erforderliche Spannung. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

Anzahl der parallel = durchschnittliche tägliche Belastung (ah) /tägliche Leistung (ah) Anzahl der Komponenten der Reihe = Systemspannung (V) /Komponentenspannung (V)

Die vorstehenden Formeln wurden nicht überarbeitet Die folgende Formel dient als Referenz

Design von Solarzellen:

Ns=UR/Uoc= (Uf §65291; UD §65291; Uc)/Uoc (2)

Wo: ur die minimale Ausgangsspannung des Solarzellenarrays ist;

UOC ist die optimale Betriebsspannung des Solarzellenmoduls;

UF ist die Schwimmstromspannung der Batterie;

UD ist der Spannungsabfall von Dioden, in der Regel 0,7V;

UC ist der Druckabfall, der durch andere Faktoren verursacht wird.

Parallele Anzahl der Solarzellenmodule NP

Bevor wir NP bestimmen, bestimmen wir zunächst die Berechnungsmethode ihrer Korrelation.

9312; Wandeln Sie die tägliche Sonneneinstrahlung HT am Aufstellungsort des Solarzellenarrays in die durchschnittliche Tageslichtzeit h unter Standardlichtintensität um (siehe Tabelle 1 für tägliche Strahlung):

H=Ht × 2.778 €652955h (3)

Wo: 2.778/10000 (H §2; m2 /kJ) der Koeffizient ist, der die tägliche Strahlung in die durchschnittliche Tageslichtzeit unter der Standardlichtintensität (1000W /m2) umwandelt.

Kombi9313; Tägliche Stromerzeugung des Solarzellenmoduls QP

Qp=Ioc × H × KopName × Cz () Ah (4)

Wo: IOC der optimale Betriebsstrom des Solarzellenmoduls ist;

Kopp ist der Steigkorrekturkoeffizient (siehe Tabelle 1);

CZ ist der Korrekturkoeffizient, hauptsächlich der Verlust von Kombination, Dämpfung, Staub, Ladeeffizienz usw., allgemein als 0.8.

Das kürzeste Intervall zwischen den beiden Gruppen der längsten ununterbrochenen Regentage ist NW. Diese Daten sind das einzigartige Merkmal dieses Designs. Es wird hauptsächlich als Ergänzung der verlorenen Batterieleistung in diesem Zeitraum betrachtet.

Bcb=A × QL × NL (Ah) (5)

Die Berechnungsmethode für die Parallelzahl NP von Solarzellenmodulen ist wie folgt:

Np= (Bcb §65291Nw × QL) / (Qp × Nw) (6)

Der Ausdruck der Gleichung (6) bedeutet, dass die Anzahl der parallelen Solarzellen, die in kürzester Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Regentagen erzeugt wird, nicht nur von der Last verwendet wird, sondern auch den Stromverlust der Batterie in den längsten aufeinanderfolgenden Regentagen ausgleichen muss.

(3) Berechnung der Leistung von Solarzellen

Je nach Anzahl der Baureihen und parallelen Solarzellenmodule kann die Leistung P des erforderlichen Solarzellenarrays ermittelt werden:

P=Po × Nr. × NpW (7)

Wo: Po ist die Nennleistung des Solarzellenmoduls.

Ein wirklich guter Designer sollte die folgenden Faktoren berücksichtigen:

1. Wo wird die Solarstromerzeugung eingesetzt? Wie ist die Sonneneinstrahlung in diesem Bereich?

2. Was ist die Lastkraft des Systems?

3. Was ist die Ausgangsspannung des Systems, DC oder AC?

4. Wie viele Stunden muss das System täglich arbeiten?

5. Bei bewölktem und regnerischem Wetter ohne Sonnenlicht, wie viele Tage benötigt das System eine kontinuierliche Stromversorgung?

6. Was ist der Ausgangsstrom der Ladung, reiner Widerstand, Kapazität oder Induktivität?

7. Anzahl der Systemanforderungen.


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